特大断面地下洞室光面爆破技术研究

曾 鸣， 古 小 梦， 李 航

(中国水利水电第五工程局有限公司三分局，四川 成都 610016)

1 概 况

巴塘水电站是金沙江上游河段十三级开发中的第九级电站，总装机容量为750 MW。电站导流洞为有压隧洞，最大开挖断面面积268 m2，属于特大型隧洞，隧洞全长808.98 m。导流洞断面形式为城门洞型，衬砌成型断面尺寸为12 m×14 m；进口25 m渐变段，桩号范围是导0-010.00 m～导0+015.00 m，渐变段开挖断面尺寸由20.20 m×19.05 m渐变至16.20 m×18.05 m，均为Ⅴ类围岩。

巴塘水电站导流洞位于金沙江上游河段左岸象鼻子山的“鼻尖”左侧，山体三面临空，整体呈现出浑圆状，岩石大面积裸露。导流洞工程地质及水文地质资料表明，隧洞围岩岩性为黑云母石英片岩，岩层产状NE15°SE(NW)∠ 85°，岩体风化、卸荷剧烈，其中强风化带厚20～32 m，弱风化带厚30～35 m，卸荷带厚度基本与强风化带一致,且有F50断层破碎及F11为雄松-苏洼龙断裂的分支断层，推测在左岸坝顶一带通过，陡倾岸外发育。

导流洞地质条件差，工程中有两大断层经过，断层与层间层内错动带等缓倾角结构面结合，易形成不稳定块体，对隧洞顶拱及边墙局部的围岩稳定影响大，开挖过程中容易超挖，增加后期喷射混凝土及衬砌混凝土工程量，加大施工成本，延缓施工进度。鉴于这种情况，控制好超挖，对控制施工成本极为关键。笔者详细介绍了导流洞光面爆破技术并取得显著成效，有效控制隧洞超挖问题，节约了施工成本，加快了施工进度。

2 光面爆破原理[1]

隧道光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一。是指通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后轮廓线符合设计要求，使临空面平整规则的一种控制爆破技术。光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题，目前仍在探索之中。尽管在理论上还不甚成熟，但在定性分析方面已有共识。一般认为，炸药起爆时，对岩体产生三种效应：一是应力波反射拉伸破坏所起的作用；二是爆炸气体膨胀做功所起的作用；三是二者共同作用所起的破坏。通过近几十年的研究、实验和生产实践表明，第三种效应比较符合工程实际。光面爆破是周边孔同时起爆，各炮孔的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮孔的冲击相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮孔中心连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮孔中心连线上形成裂缝，随后，爆炸产物的膨胀作用使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。

3 爆破设计[2]

3.1 试验区域

本工程光面爆破试验选在导流洞Ⅲ类围岩洞段进行，根据监理工程师批复的导流洞开挖支护方案，导流洞采用左右侧先导洞法施工，分三层开挖(图1)。爆破试验选在第一层进行，第一层高8.6 m，全断面宽14.6 m。

图1 导流洞分层开挖示意图

3.2 炮孔直径

炮孔直径(d)一般根据工程自身特点及机械设备情况进行选择，对于浅孔光面爆破，炮孔直径宜为40～50 mm。巴塘水电站导流洞光面爆破钻孔采用YT-28手风钻，炮孔直径取42 mm。

3.3 炮孔深度

因光面爆破炮孔深度(L)受开挖掌子面大小的影响，若炮孔过深，受周边岩石的夹制作用较大，故炮孔深度不宜过大，一般最大炮孔深度取开挖掌子面宽度(或高度)的0.3～0.5倍。本工程爆破设计炮孔深度取开挖掌子面宽度的0.5倍，导流洞Ⅲ类围岩开挖掌子面高度H=7.3 m。

L=0.5H=0.5×7.3m=3.65 m

(1)

为克服及减少岩石的夹制作用，结合工程情况导流洞光爆掏槽孔及底孔深度取3.5 m，其余孔深度均取3.0 m。

3.4 光面爆破不耦合系数

为了控制隧洞开挖的超欠挖问题,多采用光面爆破技术来控制开挖轮廓线。合理的炮孔参数、装药量等很多因素都会影响光面爆破的效果。其中周边孔的不耦合系数(D)至关重要，合适的不偶合系数可以消减爆破作用力峰值，延长作用于围岩切割面的爆破力时间。理论与实践证明，当不偶合系数在1.5～2.0范围时，缓冲作用最佳，光爆效果最好。本工程爆破设计周边孔采用直径25 mm乳化炸药。

D=dk/di

(2)

式中D为不耦合系数；Dk为炮孔直径，mm；Di为装药直径，mm。

由式(2)可得周边的不耦合系数为1.68，符合D=1.5～2.0的要求。

3.5 最小抵抗线

隧洞光面爆破中，如果选取最小抵抗线(W)过小,爆破时冲击波对隧洞围岩作用大，容易造成超挖，增加施工成本；反之，如果最小抵抗线过大,围岩爆破不充分，会发生欠挖现象，增加后期处理难度。因此，确定合理的最小抵抗线，对提高施工时光面爆破效果有特别重要的作用，根据土石方工程爆破技术,最小抵抗线可根据经验公式(3)计算。

W=Kd

(3)

式中W为最小抵抗线，mm；K为计算系数，一般取K=15～25，取K=20；d炮孔直径，mm。

由式(3)可得最小抵抗线为840 mm，结合工程经验，光爆孔最小抵抗线一般取700～900 mm，本工程取最小抵抗线取800 mm。

3.6 光爆孔间距[3]

隧洞光面爆破中周边孔的间距是决定爆破效果好坏的另一重要因素,合理的周边孔的间距直接与光爆效果相关。光爆孔的间距与围岩硬度及破碎程度等有关，光爆孔间距(ag)过大，难以爆出平整的光面，孔距过小，会增加造孔费用。目前,周边孔间距计算没有统一计算公式，目前主采用豪柔公式、断裂力学等理论分析方法对周边孔间距进行计算,也可根据爆破施工的经验进行估测。本工程爆破设计光爆孔间距根据经验公式(4)计算：

ag=m·W

(4)

式中ag为炮孔间距，mm；m为炮孔密集系数，一般取m=0.5～0.8，取m=0.7。

由式(4)可得最小抵抗线为560 mm，结合工程经验，本工程炮孔间距定为500 mm。

3.7 爆破孔数量计算

(1)周边孔数目N1

N1=p1/b=13.265/0.5=26.53

(5)

式中p1为开挖断面结构线长，m；b光面爆破周边孔平均间距，m。

由式(5)可得导流洞光面爆破周边孔数为27.28，取N1=27个。

(2)掏槽孔、辅助孔和底孔数目N2

N2=(Q-N1×L×q1)/Q0

(6)

式中q为单位炸药消耗量，取q=1.2 kg/m3；

Q为每个循环总装药量，kg；按照爆破孔平均深度的85%计算，即Q=0.85 LqS；

Q=0.85×3×1.2×54.08=165.485 m3

式中L炮孔平均深度，m；Q0除周边孔外，每个孔内的平均装药量，kg；Q0=LKP/m=3.0×0.7×0.175/0.2=1.838 kg；

Q1为周边孔每米装药量0.15 kg/m；

K装药系数，直孔掏槽时，K取0.7～0.8，斜孔掏槽时，K取0.6～0.7；

P为每个药卷重量，32 mm炸药重0.2 kg，25 mm炸药重0.15 kg，取平均值0.175 kg；

m每个药卷长度，32 mm炸药长0.2 m,25 mm炸药长0.2 m，取0.2 m；

S开挖断面面积m2，计算得S=54.082。

由式(5)计算得N2=(Q-N1×L×q1)/Q0=(165.485-27×3.0×0.15)/1.838≈84个

由上可知，导流洞光面爆破掏槽孔6个，底孔11个，辅助孔67个。

3.8 炮孔的装药量计算

隧洞光面爆破装药量与装药线密度相关，根据隧洞围岩及工程经验，本工程周边孔线装药密度按0.15 kg/m计算，其余孔装药线密度可根据式(7)计算。

Qx=qEW(kg/m)

(7)

式中Qx装药集中度，kg/m；q为单位用药量，kg/m3；除周边孔外其余孔q取1.0 kg/m3；E为孔间距，m；W为最小抵抗线，m。

则，单孔装药量，Q=QxL(kg)。

经计算导流洞Ⅲ类围岩光面爆破参数见表1。

表1 每循环炸药用量计算结果

4 试验过程

4.1 试验分组

本工程导流洞光面爆破试验共分两次进行，第一次试验严格按照爆破设计参数进行；第二次试验在第一次试验基础上周边孔装药线密度降至0.14 kg/m，其余参数不变，同时周边孔装药采用竹片间隔装药。

4.2 测量放样

测量人员根据监理工程师批复的爆破设计中爆破孔参数进行测量放样[4]，放样采用全站仪来完成。首先对掌子面浮渣进行清理以确保安全，放样时先在掌子面上测量出开挖轮廓线并作出明显标记。然后在使用红色油漆标出所有孔位点，放样完成后经专业质量管理人员进行数据检测，全部正确后进行钻孔。

4.3 试验实施

本工程光面爆破钻孔采用YT-28手风钻，钻完后由现场质检人员进行验收。验收合格后装药，并严格按照已批复爆破设计参数采用反向装药、反向起爆原则进行，即起爆药卷置于孔底(可垫1～2个药卷)，雷管和药卷的聚能穴都朝向孔口，炸药由孔底向孔口传爆。为克服岩石对孔底的夹制作用，孔底段应加大线装药密度到2～5 倍，周边孔及底孔需采用不耦合装药和非电毫秒雷管起爆，周边孔外边沿到开挖轮廓线的距离为5 cm，药卷用竹片固定，并紧贴爆破方向。装药完成，采用导爆管起爆器进行起爆，起爆顺序为：掏槽孔、 辅助孔 、底孔、周边孔。

炮响完15 min，待爆破烟尘消散后，由炮工对工作面进行检查，检查内容包括有无盲炮，爆堆是否稳定，有无悬石、危石，若发现有盲炮或其它情况时先进行处理，确定安全后方可进入下道工序人员对工作面进行施工。

5 爆破试验效果检查[5]

5.1 第一次试验

第一次试验未产生较大震动，通过对现场的检查发现，现场炮痕清楚，相邻两孔间岩面平整，孔壁有明显爆震裂隙，有效进尺2.55 m。各截面超挖和半孔率检测数据见表2。由表2 可见，本次爆破无欠挖，最大超挖量19.0 cm，最小超挖量0.3 cm，平均半孔率达79.7 %，隧洞超欠挖状况及半孔率较前期爆破有一定程度的改进。

5.2 第二次试验

第二次试验未产生较大震动，围岩稳定无剥落，通过对现场的检查发现，现场炮痕清楚，相邻两孔间岩面平整，孔壁无爆震裂隙，有效进尺2.67 m。各截面超挖和半孔率检测数据见表3，由表3可见，本次爆破无欠挖，最大超挖量7.4 cm，最小超挖量0.0 cm，平均半孔率达90.3 %，爆破效果与第一次试验比改善很大取得预期效果。

5.3 试验成果

本次光面爆破试验取得预期效果，隧洞断面成形规整，断面基本符合设计要求，避免了因超、欠挖所带来的附加工作量，对围岩的稳定性破坏较小，确保后期施工安全，隧洞表面平整光滑，通风阻力小，为隧洞支护、提高锚杆喷浆、喷射混凝土支护质量创造良好条件。

表2 第一次光面爆破各断面检测数据统计表

表3 第二次光面爆破各断面检测数据统计表

图3 第二次试验光面爆破效果

6 结 语

地下洞室开挖光面爆破选择科学合理的施工参数，周边孔装药采用竹片间隔装药方式,有效减小爆破对洞内围岩的影响,避免裂隙扩大和产生新的裂缝，提高了隧洞围岩的稳定性，能基本清除落石伤人事故，为快速施工提供了有利条件。同时，爆破成型开挖面规整，极大地减少了超挖数量和出碴工作量，加快了开挖速度，节省衬砌材料，减少施工成本，且可操作性强。笔者针对特大断面地下洞室光面爆破参数计算及实施提出了切实可行的方法并予以实施,获得了成功,可供类似工程借鉴。