光面爆破技术在异型结构面开挖中的应用

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德坝址约182km，下游距溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91%。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站正常蓄水位为825.0m，水库总库容206.27亿m3，电站总装机容量16000MW。

枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。

水电站泄洪洞共计3条，均布置在金沙江左岸；自金沙江向山体侧并排一字布置，依次为3#泄洪洞、2#泄洪洞、1#泄洪洞，相邻泄洪洞两洞轴线间距51m；泄洪洞进口右邻左岸坝肩开挖区，进口正前方为引水系统进水口开挖区。泄洪洞进洞点桩号为0+003.0m，0+003m～0+014.0m桩号为支铰段，开挖结构体型顺水流方向为方形，垂直水流方向为非规则梯形。开挖宽度为23m，在0+014m桩号突变为20m，开挖高度由29.00m渐变为20.21m，其支铰段反坡开挖设计高度6.5m(高程794.0m～787.5m)，反坡设计斜长为11.79m，反坡为变折坡，以1∶8.0的坡度于0+6.95m桩号变为1∶0.83。

支铰段反坡开挖前，下部已施工完成洞身Ⅰ层的开挖。泄洪洞进口支铰段反坡及立面如图1所示。

(单位：m)图1 泄洪洞进口支铰段反坡及立面示意

2 工程地质情况

泄洪洞进口岩性为单斜地层，洞脸边坡走向与岩层层面走向夹角约30°，倾向相同，为层状顺向坡。边坡高80m～100m，由第四系覆盖层和P2β14岩流层隐(微)晶玄武岩、杏仁状玄武岩和角砾熔岩构成，地表覆盖层厚度不超过10m，构成边坡的岩体主要为Ⅲ1～Ⅳ类，其中近地表弱风化上段、强卸荷岩体厚15m～20m为Ⅳ类岩体，中上部弱卸荷岩体主要为Ⅲ2类；坡高40m～45m以下为无卸荷岩体为Ⅲ1类。边坡岩体岩质坚硬，无大的不利结构面发育，边坡整体稳定。

泄洪洞进口支铰段反坡处于地下水位以下，地下水为裂隙水，不具备大规模地下水储藏空间，发生大规模涌水的可能性小，透水量很小。

3 施工重、难点分析及应对措施

(1)支铰段反坡开挖体型控制是重点

支铰段反坡体型较复杂，顶部为变折斜坡，且施工质量要求较高，不允许出现欠挖，超挖控制在15cm以内。

应对措施：借鉴类似工程经验，参考洞室爆破开挖的施工方法，支铰段反坡采用分区、预留保护层开挖，一次钻孔成型、三面整体光面爆破，减少分次钻孔错台，保证开挖体型。

(2)钻孔质量控制是难点

进口支铰段反坡斜面钻孔孔深最大深度约14.2m，钻孔坡度为1∶0.83，钻孔一次成型孔深较大，孔的后半段由于钻杆自重的原因，孔向偏差较大，难以保证成型孔的质量，直接影响开挖面体型和平整度。

应对措施：测量放样，精确定位反坡段斜坡面钻孔孔位，钻孔设备采用100Y型潜孔钻，样架固定钻机，控制孔向及角度，实现14.2m光爆孔一次钻孔成型。测量放样对周边光爆孔钻孔时孔位偏差不大于5cm。

钻杆的钻进方向进行校核、调整，并在钻杆上安装扶正器。钻进0.5m、1m、3m、5m、10m的阶段均采用坡度尺、锤球对钻杆进行复核。

钻孔考虑10cm技术超挖，并将斜向光爆孔的倾角向外0.6°，以减少钻杆深度施钻时的自重影响。第一个斜向边墙光爆孔贯通后，对贯通后的孔末端进行测量确定孔的坐标，复核实际孔位与设计结构线的位置对比，确定该光爆孔是否出现超挖过大或欠挖的现象，以此调整钻孔角度。

结果表明，采用上述应对措施后，斜坡面爆破孔设计钻孔59个，现场实际施钻62孔，除3个孔孔底偏差超出15cm外(不合格)，其余钻孔质量满足要求，偏差均在10cm以内。成孔合格率较高，不合格孔已采用水泥砂浆全孔封堵。

4 施工方法

泄洪洞进口支绞段反坡采用分区开挖爆破，结构面周边预留2m保护层，一次钻孔、三面整体光面爆破。

4.1 施工分区

支铰段反坡分两区施工，支铰大梁周边预留保护层区域为Ⅱ区，保护层以内的爆破区为掏槽区为Ⅰ区。反坡段施工前，下部洞身Ⅰ层开挖已完成，为反坡爆破开挖提供了良好临空面。

保护层厚度的确定：根据《现代水利水电工程爆破》中“经验法”：保护层厚度不小于外侧梯段爆破药卷直径的30倍。

梯段爆破药卷直径d=32mm，保护层厚度h>30×0.032=0.96m，为减少梯段孔底部药包爆破对反坡开挖结构岩面的振动破坏，保护层厚度h取值2.0m。泄洪洞支铰段反坡施工分区见图2所示。

(单位：m)图2 泄洪洞进口支铰段反坡施工分区

4.2 爆破开挖施工顺序及施工流程

4.2.1 施工顺序

支铰大梁反坡段开挖分两区爆破。首先爆破开挖Ⅰ区，再爆破Ⅱ区，Ⅱ区一次三面光爆完成支绞大梁反坡段开挖。

4.2.2 施工流程

泄洪洞进口支铰段反坡段开挖施工流程见图3所示。

图3 泄洪洞进口支铰段反坡开挖施工流程

4.3 施工平台

泄洪洞进口支铰段反坡钻孔采用脚手架搭设施工平台。由持证的专业架子工搭设，搭设高度、宽度满足施工要求。平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。作业层与上部顶层满铺竹夹板。

4.4 钻孔

掏槽区和保护层区域钻孔均采用100Y潜孔钻机，孔径φ76mm。钻孔机具采用48mm钢管搭设样架固定，保证钻孔角度。

Ⅰ区施工为反坡段掏槽开挖，孔位均为水平孔；Ⅱ区施工为反坡段保护层开挖，1∶8和1∶0.83坡比的岩面钻孔按坡比钻斜孔，两侧竖向周边保护层钻水平孔。

每个孔位均由测量人员放样确定，孔位的偏差不大于5cm，并按照每排孔的高程，确定钻孔深度，现场做好孔位标识，为操作工人提供参照。反坡段钻孔全部一次成型。

钻孔注意事项：

(1)除特殊部位孔位外，Ⅰ区掏槽钻孔均不允许深入至保护层内；

(2)为确保结构体开挖后不出现欠挖，钻孔时保护层周边光爆孔均向外侧偏移10cm作为技术超挖；

(3)为保证1∶0.83内侧坡面结构体型满足设计规范，延伸内侧坡线至外侧坡面，交点高程为798.25m，根据偏移10cm的技术超挖确定该坡面的钻孔高程为798.4m。同上，1∶8的坡面钻孔高程确定为794.0m；

(4)反坡段结构体型中的阴角部位，为确保开挖质量，增加加密孔，加密孔为空孔，不装药；

(5)Ⅱ区保护层两侧周边水平光爆孔孔底距1∶0.83斜坡面设计结构线的距离不小于0.5m，水平主爆孔孔底距1∶0.83斜坡面设计结构线的距离不小于1.2m。

(单位：m)图4 泄洪洞进口支铰段反坡Ⅰ、Ⅱ区孔位钻孔剖面示意

4.5 爆破设计

4.5.1 爆破器材选择

(1)炸药：选用2#岩石乳化炸药，药卷直径25mm、32mm；直径25mm药卷长度20cm，120g/卷；直径32mm药卷长度20cm，200g/卷。

(2)非电毫秒延迟导爆管雷管：外壳白色，共计1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段、15段8个段别。非电毫秒延迟导爆管雷管段别及延期时间见表1。

表1非电毫秒延迟导爆管雷管

(3)导爆索：外壳为红色，爆速不小于6500m/s；用于周边光爆孔联网。

(4)磁电雷管：爆破网络引爆雷管，使用双发雷管。

4.5.2 光爆孔孔网、爆破参数

(1)一般光爆孔抵抗线按下式确定

Wmin=(10～20)d

式中：Wmin——光爆孔最小抵抗线，m；

d——钻孔孔径，m。

根据上式：钻孔孔径为φ76mm，Wmin=(10～20)×0.076=0.76m～1.52m；本次取值0.9m。

(2)光爆孔孔距按下式确定

a=(0.6～0.8)Wmin

式中：a——光爆孔孔距，m。

根据上式：a=(0.6～0.8)×0.9m=0.54m～0.72m；本次取值0.5m(参考岩石强度)。

(3)装药量按下式确定

Q线=1.27×A×0.42[R压]0.5×a0.6

式中：Q线——线装药密度，g/m。

[R压]——岩体极限抗压强度，MPa；本次Ⅲ1类玄武岩取值1.2；

a——钻孔间距，m；

1.27——单位硝铵炸药与乳化炸药的做功能力(mL)转换；

A——系数。本次取值0.9。

根据上式：Q线=350g/m。

(4)装药结构

光爆孔底部2节φ25mm药卷加强装药，间隔25cm均匀装药1节炸药，竹片绑扎，孔内导爆索起爆。

装药注意事项：

①Ⅰ区爆破时，Ⅱ区保护层区域爆破孔均装砂填堵保护，减少爆破振动对周边岩体的影响；

②Ⅰ区顶部1∶8斜坡光爆孔钻孔时深入Ⅱ区保护层区，钻孔时测量放样，保证该方向光爆孔与1∶0.83斜坡面的爆破孔交叉；

③Ⅱ区保护层区爆破时，1∶0.83的斜坡坡面爆破孔，为保证开挖体型，钻孔时已贯穿整个坡面，装药时底部采用速凝锚固剂封堵，便于装药；另外因该坡面钻孔上端部一部分超出设计体型的孔段，在装药时均采用细石渣封堵，待Ⅱ区保护层区爆破后，该部位孔段采用水泥砂浆封堵，以提高岩体整体性。斜坡面爆破孔装药封堵规划见图5所示。

(单位：m)图5 泄洪洞进口支铰段斜坡面爆破孔封堵规划示意

(5)光爆孔堵塞长度按下式确定：

L=(0.7～1.0)W

式中：L——爆破孔堵塞长度，m；

W——光爆孔抵抗线，m。

根据上式：L=(0.7～1.0)×0.9m=0.63m～0.9m，本次取值0.8m。针对于浅孔可取值按0.5m计。

4.5.3 主爆孔孔网、爆破参数

(1)主爆孔间、排距按下式确定

b=W(采用微差爆破)

a=(1.0～2.0)W(采用微差爆破)

式中：b——主爆孔排距，m；

a——主爆孔间距/孔距，m；

W——光爆孔抵抗线，m。

根据上式主爆孔排距b=0.9m，本次取值按1.0m计；间距a=(1.0～2.0)×0.9m=0.9m～1.8m，本次取值Ⅰ区按1.5m，Ⅱ区取值1.5m。

(2)堵塞长度按下式确定

L=(0.7～1.0)W

式中：L——爆破孔堵塞长度，m；

W——光爆孔抵抗线，m。

根据上式：L=(0.7～1.0)×0.9m=0.63m～0.9m，本次取值0.8m。针对于浅孔可取值按0.5m计。

(3)装药结构

主爆孔连续装φ32mm药卷，孔内13段非电毫秒延迟导爆管雷管引爆。

4.5.4 孔网、爆破参数表

综上数据，泄洪洞进口支铰大梁开挖孔网、爆破参数见表2。

表2泄洪洞进口支铰大梁开挖孔网、爆破参数

4.6 效果评价

(1)残留炮孔保存率：进口支铰段反坡Ⅱ区保护层开挖光面爆破孔共计施钻78孔，保留残孔73个，残孔率93.6%，保留半孔69个，半孔率88.5%，且均匀分布在开挖轮廓面上。满足设计及规范要求。

(2)坡面不平整度：开挖坡面共计检查横向不平整度18个点，其中不平整度最大值12.5cm，最小值1.8cm，平均不平整度7.3cm。满足设计及规范要求。

(3)超欠挖值：测量数据检测16个断面，断面间距1.5m，共计150点，其中最大超挖值10.6cm，最小超挖值5cm，平均超挖7.1cm，无欠挖，满足设计及规范要求。

(4)爆破后，经岩体声波检测，坡面Ⅲ1类围岩声波平均波速在4200m/s～4700m/s，岩体质量满足设计要求。

5 结语

(1)事实证明，在水利工程中，针对异型结构面开挖，采用分区、预留保护层开挖，一次钻孔成型、三面整体光面爆破方法是可行的。相比传统的手风钻钻孔，短进尺，多层开挖，更宜保证异型结构面的开挖体型。

(2)采用100Y型潜孔施钻坡面斜向光爆孔，样架固定钻机，钻杆加扶正器，控制孔向及角度，能够实现14m深孔一次钻孔成型，确保了异型结构面的开挖质量。

(3)采用延伸钻孔，装药时回填、封堵结构线以外孔段，有利于现场施工，解决了支铰段反坡类似变折结构面钻孔的技术难题。

(4)与传统手风钻进行光面爆破开挖相比，一次钻孔成型施工方法，避免了多次进行钻孔平台的搭设和拆除工序，缩短了施工工期，对施工成本的控制效果明显。