光面爆破在卡鲁玛尾水隧洞开挖中的改进与应用

杨玉银， 陈长贵， 黄 浩， 刘志辉， 李新伟， 陈 斌， 陈建林

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

光面爆破在卡鲁玛尾水隧洞开挖中的改进与应用

杨玉银， 陈长贵， 黄 浩， 刘志辉， 李新伟， 陈 斌， 陈建林

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

在乌干达卡鲁玛尾水隧洞8#支洞Ⅲ类围岩开挖中，为了解决光面爆破施工中用的φ25 mm细药卷短缺、绑扎光面爆破药串用的竹片无法买到等问题，采用了经过加工的φ32 mm常规药卷，调整了光面爆破孔内装药结构和装药方法，并在选用常规周边光面爆破孔孔距条件下，适当减小光面爆破层厚度，将周边光面爆破孔密集系数提高到1.25～1.43。爆破实践表明：通过一系列改进，即便在只有最常见的φ32 mm常规药卷和导爆索条件下，仍能取得良好的光面爆破效果。这一改进简化了光面爆破药串加工工序，减少了光面爆破层脱落需要克服的阻力，减轻了爆破对洞周被保留岩体的伤害。

光面爆破；装药结构；装药方法；炮孔密集系数；技术改进

1 引言

随着我国国力的增强和国内水电市场进入后水电时代，中国电建集团承揽了越来越多的国外水电和非水电工程。在国外工程施工，尤其是在非洲等不发达国家施工中，爆破施工常用火工材料、物资，经常会因为各种原因出现短缺或无法买到等情况，爆破工程技术人员和爆破技术工人就开动脑筋，设法利用现有的火工材料、设备物资，通过爆破技术的改进，来达到满足规范要求的爆破效果。在乌干达卡鲁玛尾水隧洞8#支洞施工中，由于火工材料供应的问题，刚刚进洞施工142 m，φ25 mm细药卷就发生了短缺，再加上光面爆破常用的竹片等爆破物资无法买到，于是利用现有的φ32 mm常规药卷和导爆索进行了技术改进，取得了良好的效果。

2 工程概况

2.1 概述

卡鲁玛水电站尾水隧洞工程位于乌干达境内的卡尔扬东哥地区卡鲁玛村，距离乌干达首都坎帕拉270 km，距离古芦75 km。尾水隧洞共两条：1#尾水洞长8 553.290 m，2#尾水洞长8 459.911 m，开挖断面呈平底马蹄形，开挖洞径宽13.7～14.8 m，高13.45～14.8 m，隧洞总开挖方量295.8万m3、土石方明挖147.9万m3、混凝土衬砌38.3万m3，总投资5.9亿美元，是目前世界上规模最大的尾水隧洞工程。

8#施工支洞与1#、2#尾水洞分别相交于TRT(1)2+610.071、TRT(2)2+586.173，全长1 068.30 m。根据围岩出露情况及设计地质工程师现场勘察，从0+061开始，按照Ⅲ类围岩开挖，开挖断面呈城门洞形，开挖断面宽8.24 m、高7.38 m，底坡9.5%。Ⅲ类围岩洞段以花岗片麻岩为主，局部夹少量侵入体，岩体以弱风化为主，节理、裂隙较发育，大节理面较多，将围岩切割成块状结构，坚固系数f=6～10，属中硬偏软岩。

2.2 光面爆破施工难点

(1)研究对象为8#施工支洞Ⅲ类围岩缺少光面爆破用细药卷的洞段，具体桩号为0+122.8～0+225.6洞段，该洞段节理、裂隙较发育，均质性不好，不易出现明显的光面爆破效果。

(2)缺少光面爆破施工所需主要火工材料，比如缺少保证光面爆破不耦合装药要求必须的φ20 mm或φ25 mm细药卷，只有常规的φ32 mm药卷。

(3)缺少光面爆破施工所需主要物资，比如保证药卷间隔装药所需竹片无法买到。

3 改进总体思路

鉴于以上光面爆破施工难点，为了8#支洞Ⅲ类围岩取得较好的光面爆破效果，对火工材料、装药结构、装药方法、爆破参数进行改进和调整。

(1)减少局部爆炸能量。为减少局部爆炸能量过大对保留围岩造成的伤害，除孔底使用一整只φ32 mm药卷(长20 cm，重200 g)外，其余部位均使用半只φ32 mm药卷。

(2)改进装药结构。根据多年的爆破施工经验，当岩体较为坚硬时，对于孔内的φ32 mm药卷，即便不将其绑扎在导爆索上，导爆索及孔底炸药爆炸的能量仍能将φ32 mm药卷起爆。因此光面爆破孔内可以不采用竹片绑扎制作药串的装药结构，只用孔内的导爆索起爆，光面爆破孔内按设计线装药密度确定的半只φ32 mm药卷间隔装药。

(3)改变装药方式。将导爆索一端插入整只φ32 mm药卷，将炸药插入导爆索的一端朝向孔底，用炮棍直接推入孔底，然后直接用炮棍控制间隔装药的设计装药间隔距离，将剩余药卷装入孔内。

(4)调整光面爆破参数。为了减小光面爆破孔内炸药爆炸剥离光面爆破层时对被保留岩体的反作用力，减少爆炸高压气体作用于被保留岩体的作用时间，在周边光面爆破孔按常规间距选取的情况下，适当减小光面爆破层厚度，提高光面爆破孔密集系数。

(5)确保周边光面爆破孔同时起爆。由于提高了光面爆破孔密集系数m，减小了光面爆破层厚度W，其厚度甚至小于光面爆破孔孔距E，E>W>0.5E(见图1)。为了避免由于高段位雷管起爆时间间隔误差，造成相邻光面爆破孔1和光面爆破孔2中的一个先行起爆，假设光面爆破孔1先爆，当其应力波已经从光面爆破孔1的孔壁A传播到光面爆破孔2的孔壁B时，光面爆破孔2内炸药尚未起爆，将不能很好地在两孔AB间形成应力波叠加，并先在AB之间形成贯通裂缝，这时，先爆孔1的应力波要击穿的岩石厚度为两孔间距E，超过了光面爆破层厚度W，由于最初的裂缝出现在炮孔壁向外的最短距离内〔1〕，可能造成先爆光面爆破孔1内炸药爆炸能量集中于垂直光面爆破层方向，向洞内CG方向冲出，从而影响光面爆破效果，因此，光面爆破孔内导爆索在孔外统一采用导爆索联炮，确保所有光面爆破孔同时起爆。这样，几乎可以确保光面爆破孔1和光面爆破孔2的爆炸应力波同时到达AB的中点M，并先在两孔间形成贯通裂缝。

图1 相邻光面爆破炮孔起爆间隔时间分析示意图Fig.1 Internal time analysis of neighboring smooth blasting blastholes

(6)改变炮孔填塞方式。由于药径偏大，不耦合系数不能满足光面爆破要求，为了减轻粗药卷爆炸对被保留岩体的破坏，允许部分爆炸能量溢出孔外，因此，光面爆破孔可以不填塞土卷，不堵孔。

4 爆破设计

8#支洞Ⅲ类围岩洞段，围岩稳定性较好，开挖断面55.32 m2，可以采用全断面开挖，利用自制钻爆台车钻孔，钻孔采用YT28手风钻，掏槽采用多级楔形掏槽，周边孔采用光面爆破，3.5 m3侧翻装载机装20 t自卸汽车出渣。

4.1 爆破参数

4.1.1 爆破器材

8#支洞洞口段使用火工材料均为北京奥信化学科技有限公司生产。

(1)炸药。周边光面爆破孔、崩落孔、掏槽孔均选用φ32 mm乳化炸药，重200 g，长20 cm。

(2)导爆索。选用塑料导爆索，炸药以太安为药芯，外观红色，导爆索直径5.4 mm，装药量10 g/m，爆速不小于6×103m/s，主要用于周边光面爆破孔内及周边孔孔外联炮。

(3)雷管。孔内及孔外连炮选用MS1～MS11段非电毫秒导爆管雷管；起爆选用8#普通工业电雷管。

4.1.2 周边孔光面爆破参数

(1)钻孔直径d孔：选用YT28手风钻钻孔，钻孔直径42 mm。

(2)钻孔深度L。鉴于围岩整体稳定性较好，单循环进尺取3.2 m，同样，取周边光面爆破孔钻孔深度L=3.2 m。

(3)光面爆破孔孔距E。围岩主要为弱风化花岗片麻岩，属中硬岩偏软，根据规范〔2〕，取E=12d，E≈50 cm。

(4)光面爆破层厚度(最小抵抗线)W。按照规范〔2〕，光面爆破层厚度应选取60～70 cm。由于光面爆破孔使用了φ32 mm的粗药卷，为了使光面爆破层易于脱落，减小光面爆破层脱落时炸药爆炸对保留岩体的反作用力，减轻对被保留岩体的伤害，理论上可取E>W>0.5E，实践中建议取E>W≥0.7E。岩石均质性较好、完整性较好、硬度高取小值。根据8#支洞围岩具体情况，取保护层厚度W=0.8E=40 cm，实际操作中，局部保护层厚度最薄到W=35 cm，但均取得了较好的光面爆破效果。

(5)光面爆破孔密集系数m。在8#支洞Ⅲ类围岩光面爆破改进洞段施工中，一般部位m=E/W=50/40=1.25，保护层最薄部位m=E/W=50/35=1.43。m值超出了相关文献的建议取值范围〔1,3-4〕。

(6)药卷直径d药。由于细药卷的短缺，周边光面爆破孔只能选用φ32 mm常规药卷，d药=32 mm。

(7)不耦合系数k。根据文献〔2〕，对于孔径φ42 mm的光面爆破孔，药卷直径宜选用20～25 mm，即常规不耦合系数应达到1.68～2.1。设计中k=d孔/d药=42/32=1.31，小于隧洞光面爆破常规不耦合系数。

(8)线装药密度q。岩体属中硬岩偏软，且节理、裂隙较发育，线装药密度宜选取介于中硬岩和软岩之间，取q=160 g/m。实际装药中，孔底装一只φ32 mm、重200 g药卷，间隔布置3个半只φ32 mm、重100 g药卷，单孔药量共计G=500 g，实际线装药密度为q=G/L=500/3.2=156 g/m。

(9)填塞方式。光面爆破孔孔口不进行填塞。

4.1.3 其他爆破参数

崩落孔、掏槽孔爆破参数如表1所示。

表1 Ⅲ类围岩典型爆破设计参数

4.2 周边光面爆破孔装药结构

周边光面爆破孔装药结构如图2所示。将导爆索插入一只φ32 mm药卷内，用炮棍反向推入孔底，然后每间隔80 cm推入半只φ32 mm药卷，共装入3个半只药卷，药卷间隔距离采用炮棍控制〔5〕。

图2 周边光面爆破炮孔装药结构示意Fig.2 Charging structure of periphery blasthole

4.3 炮孔布置与爆破设计参数

8#支洞Ⅲ类围岩光面爆破改进洞段炮孔布置如图3所示。典型爆破设计参数如表1所示。

图3 光面爆破改进洞段Ⅲ类围岩炮孔布置Fig.3 Blasthole arrangement for class Ⅲ surrounding rock in improved tunnel excavation

5 爆破效果

2014年12月23日，8#施工支洞Ⅲ类围岩开挖至0+122.8桩号时，周边光面爆破孔必需的φ25 mm细药卷短缺，只能选用φ32 mm常规药卷，通过采取上述改进措施，取得了良好的光面爆破效果，除局部破碎较严重洞段外，光面爆破半孔率达到70%以上(见图4)。

图4 Ⅲ类围岩改进洞段光面爆破效果Fig.4 Smooth blasting effect of class Ⅲ surrounding rock in the improved tunnel excavation

光面爆破改进洞段的爆破实验在0+122.8～0+161.2洞段进行，共12茬炮，光面爆破效果统计情况如表2所示。根据规范〔2〕，改进洞段半孔率应≥60%，两茬炮之间的台阶应小于20 cm,相邻两孔间岩面平整，孔壁不应有明显的爆振裂隙。从图4、表2的光面爆破效果情况看，改进洞段均无明显爆破振动裂隙，完全满足规范要求。

表2 改进实验洞段光面爆破效果统计

注：每次实验的平均光爆孔深度为3.2 m，光爆孔数量为39个。

6 结语

在乌干达卡鲁玛尾水隧洞8#支洞Ⅲ类围岩开挖爆破施工中，在缺少光面爆破用细药卷和无法买到绑扎光面爆破药串用的竹片情况下，通过分析光面爆破原理，改进光面爆破技术参数、调整装药结构、细化装药方法、确保光面爆破孔同时起爆，成功地在Ⅲ类围岩中实现了光面爆破，保证了开挖质量，确保了施工安全。实践证明，在隧洞开挖光面爆破施工中，在某些条件不具备的情况下，通过专业爆破工程技术人员对现有条件的分析、研究，对光面爆破技术加以适当改进、调整，仍然能够达到光面爆破的目的，并取得良好的光面爆破效果。

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DL/T5099-2011 Technical specification for excavation underground works on hydraulic structures[S]. Beijing: China Power Press，2011.

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Improvement and application of smooth blasting used in excavation in Karuma HPP TRT project

YANG Yu-yin, CHEN Chang-gui, HUANG Hao, LIU Zhi-hui, LI Xin-wei, CHEN Bin, CHEN Jian-lin

(Sinohydro Bureau 5 Co., Ltd., Chengdu 610066,China)

During tunnel excavation of class Ⅲ wall rock in adit-8 of Karuma HPP TRT project, in order to resolve the problems likeφ25 mm cartridge lacking and unavailableness of bamboo chips for fixing cartridge. Theφ32 mm normal cartridge was used in smooth blasting. Charging structure and method were adjusted, the thickness of smooth blasting layers was decreased and density coefficient of periphery borehole was increased to 1.25～1.43 on condition of normal spacing of periphery boreholes. The blasting effect showed that the smooth blasting could achieve satisfactory result even only usingφ32 mm normal cartridge and prim cord. The cartridge processing was simplified, the residence to the falling of the smooth blasting layers was reduced, and the harms to the preserved rock body were relieved through the improvement.

Smooth blasting; Charging structure; Charging method; Borehole density coefficient; Technical improvement

1006-7051(2016)06-0062-04

2016-03-09

杨玉银(1968-)，男，教授级高级工程师，从事地下工程及土石方明挖施工爆破技术、安全管理工作。E-mail:752153592@qq.com

TD854.2

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.014