长甸水电站全排孔水下岩塞爆破施工技术浅析

焦忠帅

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 引 言

在引水工程进水口开挖施工过程中，水下岩塞爆破施工技术在国内外已被广泛应用。水下岩塞爆破是一种干扰较小、适用性强、比较经济的施工技术。在国外，水下岩塞爆破施工技术比较早地应用于小洞径和爆破规模较小的工程[1]。与国外相比，我国的水下岩塞爆破施工技术发展较晚，直至20世纪70年代，我国的水下岩塞爆破施工技术才逐步发展起来[2]。虽然我国水下岩塞爆破施工技术起步较晚，但经过近几十年来不断的钻研与工程实践，在爆通进水口成型、设计方法、药室布置、爆破药量及爆后岩渣处理措施等方面都有所创新，并取得了令人满意的效果，积累了大量的施工经验[3]。

2 工程概况

长甸水电站改建工程位于辽宁省丹东市，主要由进水口、发电厂房、引水隧洞、尾水系统、闸门井、压力管道等组成，总装机容量200MW。引水式水电站进水口位于水下约60m，采用岩塞爆破形成进水口，与水平夹角为43°，岩塞体呈圆台形，岩塞体直径10～14.6m，扩散角10°，岩塞体厚12.5m，厚径比为1.25。岩塞体下方是一个半径6.5m、长7.0m的圆形断面、衬砌混凝土厚度60cm的连接段。气垫式斜坡集渣坑长73.0m、宽11.0m、高13.0～31.94m[4]。进水口岩塞体布置情况见图1。

图1 进水口岩塞体示意 (单位:cm)

3 施工要点

3.1 施工关键点

a.沿进水口中轴线方向开挖形成中导洞，中导洞直径3.5m，深6.0m。

b.在已开挖的中导洞末端，距岩塞体迎水侧形成一个小岩塞，小岩塞直径3.5m，厚6.5m。

c.严格控制起爆网路的起爆时间，先采用密孔装药爆破贯通小岩塞，再逐层依次由内向外顺序爆破大岩塞。

d.采用光面爆破法起爆周边孔，并根据开挖轮廓面情况，及时调整起爆顺序和线装药量等。

3.2 施工重点

a.进水口开挖工期较短，且岩塞体爆破位置水深、水头高，有效控制工期是施工重点之一。

b.岩塞体爆破在一个比较狭小的场地内施工，同时存在较多的空间交叉作业和高空作业，施工过程中安全管控是施工重点之一。

c.进水口中轴线与水平方向成43°夹角，导致岩塞钻孔向上的倾角较大，施工精度要求也较高，如钻孔方向、钻孔深度等。爆破装药及炮孔堵塞也存在一定的难度，确保施工质量是施工重点之一。

3.3 施工难点

a.岩塞体厚12.5m，岩塞直径10.0～14.6m，属于大直径、超厚岩塞。直径3.5m，深6.0m的中导洞施工作业空间太小，如何保证岩塞贯通是施工的难点之一。

b.作业面距迎水面的水库较近，施工时多存在渗水、淋水、潮湿、空气污浊等现象，确保施工作业环境满足施工作业要求是施工的难点之一。

c.闸门井作为施工通道，大部分施工材料和设备需要人工搬运，工作效率较低，如何降低劳动强度、保证工作效率是施工的难点之一。

4 施工方法比选及施工参数介绍

4.1 岩塞爆破方式比选

水下岩塞爆破施工方式主要有3种：洞室爆破法、全排孔爆破法及前两者相结合的爆破方法[5]。其中，洞室爆破法是将炸药安放在开挖岩塞体形成的洞室内进行爆破的施工方法，这种爆破方法具有抛掷能力强、起爆网路简单、装药较集中等优点，但爆破洞室距离迎水面较近，爆后孔口形状不易控制，爆破振动影响范围较大，施工安全条件较差。全排孔爆破法是一种类似全断面钻孔爆破的施工技术，具有施工安全、爆破振动影响范围小、破裂边线易控制、爆后岩块均匀、机械操作方便等特点。洞室、排孔相结合的爆破方式充分利用洞室爆破法和排孔爆破法各自的特点，并将两种爆破方法相结合，这种方法已成功地应用于横锦水库、汾河水库等工程施工过程中，积累了一定的经验[6]。

通过对以上3种水下岩塞爆破施工方式的比较可知，洞室爆破法和全排孔爆破法都是可行的。鉴于全排孔爆破法比洞室爆破法爆后岩塞成型好、单响药量小、对周边建筑物爆破影响小、施工安全等优点，因此，选用全排孔爆破方法进行施工。迄今为止，长甸水电站改建工程岩塞爆破是国内最大的全排孔水下岩塞爆破工程[7]。

4.2 岩塞爆破施工程序

水下岩塞爆破施工程序见图2。

图2 岩塞爆破施工程序

4.3 岩塞爆破参数设计

4.3.1 钻孔

采用YQ100B型潜孔钻机施钻爆破孔，成孔直径为90mm，先钻设周边孔，再施钻主爆孔。施工时，严格按照成孔直径钻设小岩塞的炮孔和周边孔。为确保大岩塞体上大直径深孔装药，可适当地增大钻孔直径。

4.3.1.1 孔向、孔深的控制

钻机施钻前，要匀速缓慢进行钻进，钻进过程中不少于2次检查方位角，若发现偏差及时纠正、调整钻孔方向。结合钻孔孔口桩号、探孔情况、探孔深度等因素确定钻孔深度，并利用钻杆长度控制钻孔深度，钻进过程中要准确记录钻杆根数，用卷尺量测最后一根钻杆剩余长度并做好标识。在距孔底约2m时，钻机钻进速度要逐步放慢，随时观测施工作业面渗水量的变化和岩性的变化，若出现问题及时停止施钻。钻孔深度误差应小于10cm，孔底误差应小于10cm，炮孔的开口误差应小于5cm。

4.3.1.2 主爆孔施工

根据施工作业面情况和岩石性质，将主爆孔按三环布置。其中，主爆孔的最外侧一环钻孔外倾角略小于周边孔的外倾角、钻孔方向与周边孔基本保持平行；中间一环主爆孔外倾角略小于最外侧孔的外倾角、钻孔方向与最外侧主爆孔基本平行；最内侧一环主爆孔外倾角略小于中间一环主爆孔外倾角、钻孔方向与中间一环主爆孔基本平行。

4.3.1.3 周边孔施工

为便于控制轮廓线爆后成型，在每个周边孔布设后视点，并利用后视样架上后视点的投影来确定钻孔方向。为满足孔位要求，在钻孔过程中要及时调整钻机角度。除中导洞区域炮孔外，其余的岩塞体钻孔调整钻机角度时，均利用后视样架做后视点进行调控。周边孔采用光面爆破，孔底间距约0.91m，孔口间距约0.65m，线装药密度500～1000g/m。

4.3.2 火工材料

选用抗水乳化炸药，在水深60m情况下，浸泡10天后φ32的成品卷装乳化炸药和φ60的成品卷装乳化炸药的爆破力不低于320mL、爆速不低于4500m/s、猛度达到16～18mm。

导爆索确保能安全起爆乳化炸药，在水深60m情况下，浸泡10天后水下爆速不低于6000m/s。

雷管选用高精度导爆管雷管和数码雷管，在水深60m情况下，浸泡10天后保证能够安全传爆、起爆炸药。

4.3.3 孔底抵抗线

爆破孔底抵抗线按1.5m进行控制，施工过程中根据地质缺陷、渗漏水情况等增大孔底抵抗线，但应控制在1.5～2.0m。

4.3.4 水下单耗药量

水下爆破单耗药量与水深、覆盖层厚度、水下炸药爆破力降低系数、爆破台阶高度、正常爆破单耗药量等有关。施工时受地质条件、渗漏水、钻孔偏差等影响有可能导致孔底钻孔困难或者装药不到位，必须增大单耗药量以保证岩塞爆通。经计算并综合考虑，水下爆破平均单耗药量按2.04kg/m3确定。

4.3.5 孔底距离迎水面距离

在保证施工安全、不漏水的情况下，孔底距离迎水面距离为1.5m，施工过程中可根据实际情况进行调整，可控制在1.0～2.0m之间。

4.3.6 岩塞爆破炮孔布置

小岩塞爆破炮孔主要布置在E、G、H、J圈位上，共布置32个炮孔；空孔布置在F圈位上，共布置6个炮孔；大岩塞爆破炮孔主要布置在K、L、M圈位上，共布置65个炮孔；周边孔布置在N圈位上，共布置48个炮孔；小岩塞和大岩塞爆破钻孔直径均为90mm，选用φ60乳化炸药；周边孔钻孔直径为90mm，选用φ32和φ60深水乳化炸药。

爆破炮孔布置情况见表1，岩塞炮孔布置见图3。

表1 爆破炮孔布置特性

4.4 装药结构设计

选用φ32和φ60两种规格的赛能系列抗水乳化炸药。其中，φ32乳化炸药长度为20cm、重量为0.2kg，φ60乳化炸药长度为45cm、重量为1.5kg。

4.4.1 周边孔爆破装药

周边孔分奇数孔和偶数孔进行装药，选用φ32和φ60的乳化炸药。其中，奇数孔在孔底连续装1.4m的φ60乳化炸药后，改用φ32乳化炸药间隔一节装药、装药长度为8.0m，剩余孔段为堵塞段，奇数孔单孔药量10.0kg；偶数孔在孔底连续装1.0m的双节φ32乳化炸药后，改用φ32乳化炸药间隔装药、装药长度为7.6m，剩余孔段为堵塞段，偶数孔单孔药量6.0kg。周边孔爆破总装药量为384kg。

4.4.2 小岩塞爆破装药

小岩塞钻孔长度为5.0m，其中连续装药长度为3.15m、堵塞长度为1.85m，采用φ60乳化炸药，单孔装药量10.5kg，总装药量为336kg。

4.4.3 大岩塞爆破装药

大岩塞炮孔布置在K、L、M圈上，钻孔长度为11.0m，其中K圈连续装药长度为8.1m、堵塞长度为2.9m，L、M圈连续装药长度为9.0m、堵塞长度为2.0m。均采用φ60乳化炸药，K圈单孔药量27kg、总装药量为405kg，L、M圈单孔药量30kg、总装药量为1500kg。

4.4.4 雷管位置

在炮孔孔口处、孔底处均布置1发高精度导爆管雷管和1发电子雷管，其中孔口处采用正向起爆，孔底处采用反向起爆。

4.5 起爆网路设计

岩塞爆破成败的关键在于起爆网路设计，在施工时起爆顺序、起爆时间要规范化和标准化，确保起爆网路安全起爆。起爆顺序为：先起爆小岩塞形成中间贯通，进而利用形成的临空面起爆大岩塞，最后起爆周边孔形成岩塞体轮廓形状。

岩塞爆破起爆网路布置情况见表2，高精度非电复式起爆网路见图3，数码雷管复式起爆网路见图4。

岩塞爆破起爆网路系统起爆时差设计如下：

a.小岩塞掏槽孔起爆时差设计。小岩塞第E圈：1025ms；小岩塞第G圈：1142ms、1159ms、1176ms、1193ms；小岩塞第H圈: 1242ms、1259ms、1276ms、1293ms；小岩塞第J圈: 1342ms、1359ms、1376ms、1393ms。

表2 起爆网路布置特性

b.大岩塞爆破孔起爆时差设计。大岩塞第K圈：1434ms、1451ms、1468ms和1142ms、1459ms、1476ms、1493ms；大岩塞第L圈：1534ms、1551ms、1568ms、1585ms、1602ms和1542ms、1559ms、1576ms、1593ms、1610ms；大岩塞第M圈：1634ms、1651ms、1668ms、1685ms、1702ms、1719ms、1736ms和1642ms、1659ms、1676ms、1693ms、1710ms、1727ms、1744ms。

c.周边光面孔起爆时差设计。周边光面孔第N圈：孔共48孔，4孔一段，共分12段，起爆时间分别为1734ms、1751ms、1768ms、1785ms、1802ms、1819ms和1742ms、1759ms、1776ms、1793ms、1810ms、1827ms。

4.6 岩塞充水与补气

根据爆破原理要求，在岩塞爆破前需进行岩塞充水与补气。岩塞充水与补气前，需待起爆网路和岩塞体装药完成且检查无误后方可进行。利用水泵泵送水源经已铺设的钢管至闸门井顶部后自流到集渣坑内，为缩短充水时间向水库方向钻设进水孔，使水库水自流进入集渣坑内。同时，为确保岩塞起爆网路不被水淹没且水位达到设计要求，必须进行补气加压工作。补气时利用空压机通过风管供给压缩空气。实施时要随时跟踪监测充水和补气的情况，当水位和气压达到设计要求时，即可停止。

图4 数码雷管复式起爆网路示意

4.7 爆破安全复核

4.7.1 闸门井爆破安全复核

根据爆破引起地面质点振动公式复核闸门井岩塞爆破时是否安全，公式为:

v=k(R/Q1/3)-a

(1)

式中v——爆破振动速度，cm/s；

k——介质系数；

R——与爆破中心的距离，m；

Q——爆破单响药量，kg；

a——爆破振动衰减指数。

根据爆破振动效应传播规律和前期试验实测数据统计分析得，水平平行洞轴线方向时，a=1.04、k=33；水平垂直洞轴线方向时，a=1.04、k=25；铅垂方向时，a=1.20、k=36。岩塞体爆破中心距离闸门井距离R=200m，最大爆破单响药量Q=90kg。

经计算得，爆破振动速度最大值v=0.64cm/s，小于规定要求的最大允许值7～15cm/s。因此，水下岩塞全排孔爆破时对闸门井不会造成危害。

4.7.2 大坝爆破安全复核

岩塞体爆破中心距离大坝距离R=650m，最大爆破单响药量Q=90kg，a=1.04，k=33，经计算得，爆破振动速度最大值v=0.19cm/s，远小于爆破模拟试验时爆破振动测点实测最大值0.05cm/s，符合安全控制标准。因此，水下岩塞全排孔爆破时对大坝不会造成危害。

4.8 安全警戒与爆破

为防止岩塞爆破后产生的高压水、气影响，施工现场附近均不得有机械设备和作业人员。在水面上，岩塞上游10km以内和下游20km以内都要辙至水面线以上2m处。施工洞口、井口以外50m作为警戒线。

2014年6月16日10∶30，经爆破指挥部确认岩塞爆通，岩塞爆破成功。

5 结 语

a.经岩塞爆破方式比选，与洞室爆破法相比，全排孔爆破法具有爆后岩塞成型好、单响药量小、对周边建筑物爆破影响小、施工安全等优点。

b.岩塞爆破成败与岩塞爆破施工程序、爆破参数设计、装药结构设计、起爆网路设计等息息相关，施工过程中要严格按照标准规范和设计要求实施并根据实际情况及时调整、修正。

c.长甸水电站改建工程进水口岩塞顺利爆通，表明全排孔水下岩塞爆破施工技术得到了成功的应用，可为类似工程提供参考。