轿顶子电站泄洪洞下断面爆破开挖试验研究

于海龙

(鞍山水文局海城水文站，辽宁 海城 114200)

1 工程背景

轿顶子电站属于辽宁省丹东市的重点水利工程，位于鸭绿江的支流半拉江上游的北股河上，电站的坝址位于丹东宽甸满族自治县太平哨镇轿顶子境内。轿顶子电站以发电为主，兼具防洪、灌溉和供水功能的小型水利工程，水库的设计库容为0.87亿m3，设计洪水为百年一遇，校核洪水为千年一遇。水电站的主要建筑物包括混凝土重力坝、副坝、溢洪道、泄洪洞以及引水发电系统，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。电站的泄洪洞位于大坝的左侧，主要由消能段、洞身段、控制段和引渠段组成，总长189 m，其中洞身段采用无压城门洞型设计。泄洪洞引水渠段上部由壤土、粉质黏土和卵砾石层构成的互层状结构，下部为弱风化安山玢岩构成的基岩；进口段地质结构类似，上部为壤土和卵砾石层构成的互层状结构，下部为安山玢岩；洞身段基本处于弱风化的安山玢岩地层结构中，局部分布有辉绿岩和强风化流纹岩，洞身段的围岩类别以Ⅲ类为主，末端围岩类别为Ⅳ类，强度较低、稳定性差；出口消能段的岩体大多为弱风化安山玢岩，且多为镶嵌碎裂结构，完整性较差。

2 泄洪洞下断面爆破开挖方案比选

2.1 开挖方案设计

泄洪洞采取的是分层爆破开挖的方式，上层台阶需要进行超前开挖，同时下层台阶作为上层台阶开挖产生的渣土的运输通道[1]。因此，出于工期和经济效益的双重考虑，下层台阶的施工既不可停工，也不能影响出渣。结合上述要求和泄洪洞的开挖尺寸，拟定出如下三个开挖方案：

方案一：半幅交替开挖法。为了保障上层台阶与下层台阶施工的顺利进行，在施工中将下层台阶分为两个半幅分别施工。首先对下层台阶的左半幅进行钻爆开挖作业，右半幅作为交通道路。在左半幅开挖施工一段距离之后，即改为上层台阶施工的交通道路，而对右半幅进行钻爆开挖施工作业。按照上述顺序进行左右两个半幅的交替作业，直至施工结束[2]。

方案二：挤压爆破拉中槽法。该方案的基本思路是在下层台阶断面的顶部，沿着泄洪洞中轴线划定出一定宽度的爆破开挖施工区域，利用潜孔钻进行竖向钻孔，直至泄洪洞底板的基建高程，在进行爆破后的石渣上修建呈斜坡状的上层台阶施工交通道路[3]。同时，利用挤压爆破技术和潜孔钻沿着中轴线持续进行爆破开挖作业。

方案三：全断面无保护层挤压爆破法。该方案的基本思路是在泄洪洞下层台阶顶部钻竖向孔，在达到基建高度的基础上超深约10%左右，对两边的边墙钻竖向预裂孔。首先在主炮孔底部设置柔性垫层，厚度为0.2 m，然后进行爆破装药。在爆破作业过程中，主爆区采取无保护层挤压爆破方式，同时在边壁位置进行预爆破作业配合。在爆破后产生的石渣上修建斜坡路作为施工作业的交通道路，同时进行下台阶断面的挤压爆破施工，在不影响上层台阶出渣的情况下可以一直向前施工[4]。

2.2 爆破施工方案的选择

上述三个爆破施工方案各有优劣，本文结合轿顶子电站泄洪洞的实际情况，特别是断面尺寸和工期要求，对三个方案的优缺点进行比较，结果如表1所示。由比较结果可知，全断面无保护层挤压爆破方案是本次施工的最佳方案。

表1 爆破方案优缺点对比分析结果

3 爆破施工设计

3.1 爆破参数

轿顶子电站泄洪洞下层台阶全断面无保护挤压爆破试验在桩号0+56.00～0+68.00段内进行。该试验段的围岩以弱风化辉绿岩为主，经实验室测定，岩体的平均抗压强度为90 MPa左右。由于岩体的结构完整性较强，可爆性并不理想。根据现场情况以及工程设备情况，利用孔径为100 mm的潜孔台车钻，进行底面的主爆孔钻孔作业，利用孔径为85 mm的简易潜孔钻再进行竖向预裂孔钻孔。

3.1.1 主爆孔爆破参数

按照爆破施工方案三，主爆孔区域采用的是无保护层挤压爆破技术，因此需要合理设计爆破参数，以有效解决爆破施工过程中的压渣过多无竖向临空面，补偿空间小的问题。因此，对爆破参数进行如下设计：

(1)主爆破孔的直径D设计为100 mm，孔深由孔口标高和基建面高程共同决定。

(2)根据相关工程经验，按照钻孔孔径的8～12倍确定超钻深度，结合本次试验的具体情况，设计超钻深度为0.80 m[5]。

(3)底盘抵抗线的选取不仅要考虑钻孔的孔径和围岩的性质，还需要考虑炸药的爆炸强度[6]。在本次研究中，主要按照钻孔的直径来进行计算。显然，如果钻孔直径较大，就可以进行更多的爆破装药，也就可以具有更大的爆破能力，因此抵抗线也就取的更大。由于试验采取的挤压爆破方式设计，最前排炮孔的竖直临空面在施工中被石渣填满，难以形成临空面，因此并不需要提供必要的补偿空间，故可以适当减少抵抗线的距离。在具体计算中，抵抗线W可以按(20～50)D计算，在本次计算中，拟取计算结果中的最小值2.0 m。

(4)不耦合系数η的确定：本次施工试验中采用的是5小锭并装的标准2号乳化炸药，其等效直径为72 mm，因此，不耦合系数η为100/72=1.39。

(5)孔距a=35×0.072=2.5 m，排距b=2.5/1.2=2.1 m。

(6)岩石的可爆性、炸药性能。自由面条件等诸多因素均会影响到炸药的单耗q，结合相关工程实践经验，本次研究中的炸药单耗取0.43 kg/m3[7]。

(7)堵塞长度是爆破钻孔装药完毕之后剩余部分的长度，选取合适的充填长度可以有效防止能量提前泄露，提高爆破效果，本次研究中的堵塞长度取2.5 m，堵塞材料可以就地取材，利用钻孔获得的岩粉。

3.1.2 预裂孔爆破参数

对于预裂爆破的相关理论研究，国内外均有研究。例如，A.A费先柯法和B.C艾得斯托夫利用空气冲击波对障碍物的作用理论对装药量公式进行推导，而国内学者王中黔等人则根据断裂力学原理对装药公式进行推导。但公式中均存在一些难以确定和不易确定的参数，造成在实际的工程设计中存在一些障碍。因此，在本次研究中，主要结合前人的工程实践经验数据以及本次工程施工的具体情况确定具体的参数设计值如表2所示[8]。

表2 预裂孔爆破参数统计

3.2 起爆网络设计

轿顶子电站泄洪洞在进行全断面无保护层挤压爆破开挖过程中，采用非电毫秒延期雷管网络以及导爆索组合的起爆网络设计，在孔内装入导爆索至孔底作为孔内传爆线，在孔外用导爆索将各个起爆孔连接，作为孔外传爆线。在传爆线的布设过程中，应该注意传爆方向的连接长度大于15 cm，转角应该大于90°。起爆网络设计为“V”形起爆，起爆雷管应该引至安全地段不小于350 m。具体的起爆网络示意图如图1所示。

图1 起爆网络示意图

4 爆破效果及结论

在按照本文的起爆方案和参数设计进行爆破施工后，试验工程段隆起了1 m多高的爆渣堆，在第一排爆孔前的临空部位并没有出现前冲现象，前面已经存在的石渣堆并没有产生明显的位移，预裂爆破没有产生明显的内冲现象。试验区内没有产生大的爆破震动和飞石，在爆破完毕后对边墙拱顶的混凝土衬砌进行检查，并未发现裂缝出现，更没有产生松动和掉块现象，周围的围岩也比较稳定，说明爆破施工本身对周围岩体的影响较小，基本没有造成破坏。试验结果说明，本文的爆破试验方案是可行的，可以用于后续的泄洪洞底板爆破施工作业。