压缩空气储能人工硐室储气库爆破开挖技术探讨

纪文栋，许韧初，侯景峥, ，贺家新, ，程少振，石少华

(1.中能建数字科技集团有限公司，北京 100044；2.湖北楚韵储能科技有限责任公司，湖北 应城 432418；3.北京交通大学，北京 100091 )

0 引言

压缩空气储能的储能量大、响应迅速、使用寿命长，是实现电网“削峰填谷”和增强电网运行稳定性的有效方案[1-2]。目前，国内压缩空气储能电站项目的储气库大多采用地下盐穴，这对储能电站的选址形成了较大制约[3-5]。目前，国内外人工硐室储气库的建设经验较为匮乏。为抵抗超高的储气库内压，人工硐室储气库一般选择在质量较好的硬质岩层中，并采用钻爆法开挖。在该情形下，钻爆施工的爆破应力往往会对储气库围岩造成一定的损伤，严重时甚至会影响到储气库运行阶段的安全性[6-8]。因此，如何降低爆破施工对硐室围岩的损伤变得尤为关键。

本文以甘肃酒泉300 MW 级压缩空气储能人工硐室储气库建设工程作为实例。该工程主要包括2 条交通硐和4 个储气库，储气库开挖跨径为16 m，埋深超过100 m。为降低该储气库在超高内压下的运行风险，对其爆破施工中爆破应力的消减方法展开分析，主要包括掏槽孔区域位置设计、最大一段装药量设计和爆破临空面布置设计三大方面，形成超大断面人工硐室储气库低损伤钻爆开挖的施工技术，并在后续现场施工中得到了成功应用。

1 掏槽孔区域位置设计

在硐室爆破施工过程中，掏槽孔区域位置会显著影响爆破效果，并决定着爆破施工的成败。在掏槽孔设计中，除了需要观察硐室整体形状、计算掌子面受爆面积、计算爆破体积量、根据围岩特性确定炸药单耗和炮堆的形成规则，更需要综合考虑掏槽孔区域位置设计、掏槽孔长度与角度设计、炸药用量和爆破施工分区模式设计。基于岩石爆破抛掷理论以及多个类似硐室的爆破实践经验，得到人工硐室储气库先导洞掏槽孔区域位置的基本布置原则[9-10]，主要包括掏槽孔区域的长度和宽度、掏槽孔区域顶端至硐室水平中线的距离以及掏槽孔区域底端至硐室底线的距离。在既有掏槽孔区域位置基本布置原则的基础上进行改进，得到掏槽孔区域位置的设计方法，具体如下。

1)先导洞掏槽孔区域的长度

先导洞截面的掏槽孔区域位置如图1 所示，掏槽孔区域沿竖向中心线两侧对称布置，其长度设计符合黄金分割线规律，具体计算式如式(1)所示。

图1 先导洞截面的掏槽孔区域位置

式中：a为掏槽孔布置区域长度；A为先导洞截面的开挖跨度；m为计算系数，当先导洞开挖跨度小于10 m 时，m取0.618 ～0.638；开挖跨度小于3 m 时，m取0.638；开挖跨度接近10 m 时，m取0.618，中间采用线性插值；当先导洞开挖跨度大于10 m 时，m取0.598 ～ 0.618；开挖跨度超过20 m 时，m取0.598，中间采用线性插值。

2)先导洞掏槽孔区域的宽度

掏槽孔区域的宽度也符合黄金分割线规律，采用式(2)计算掏槽孔区域的宽度。

式中：b为掏槽孔布置区域宽度。

3)先导洞掏槽孔区域顶端至硐室水平中线的距离

掏槽孔区域顶端至先导洞水平中线距离的计算表达式如式(3)所示。

式中：c为掏槽孔区域顶端至先导洞水平中线的距离；n为计算系数，当硐室为瘦长型时，n=2；当硐室为矮胖型时，n=4；当硐室为标准型时，n=3。

4)先导洞掏槽孔区域底端至硐室底线的距离

掏槽孔区域底端至先导洞底线的距离取0.5 ～ 1.0 m，其中：瘦长型硐室取大值1 m；矮胖型硐室取0.5 m，标准型硐室取0.75 m。

5)储气库掏槽孔布置区域设计

对于储气库硐室而言，可将已经形成的先导洞视为该储气库硐室本身的掏槽孔布置区域，且先导洞应满足掏槽孔区域的长度要求，即：

式中：R为圆形储气库硐室的开挖半径。储气库为圆形，无需满足式(2)～式(4)，储气库截面的掏槽孔区域位置如图2 所示。

图2 储气库截面的掏槽孔区域位置

2 最大一段装药量设计

一般而言，硐室爆破施工对洞壁的损伤程度与爆破装药量呈正相关关系。为降低爆破施工对洞壁围岩的损伤，一般对大用量的炸药进行分段引爆，即：将硐室爆破的一次总装药量，分解成为若干段小装药量，在延时总时间范围内尽量增加分段数量，降低每段的炸药用量。通过该处理方法，爆破施工过程中只需要控制最大一段的装药量，使其不会对围岩造成较大损伤即可。

甘肃酒泉压缩空气储能电站交通洞工程爆破施工的设计参数见表1 所列。通过计算，该工程一次爆破的总装药量较大，达到了172.89 kg。因此，应对一次总装药量进行装药分段。理论而言，如果将129 个钻孔的每个孔都形成一个段位，则每个段位的炸药用量都较小，最大的掏槽孔也只有2.7 kg，此时爆破施工对硐室围岩造成的损伤微乎其微。然而，由于爆破孔数较多，为了确保129 孔能够在1 000 ms 内完成爆破，即采用电雷管扫描仪扫管分段，量程只到1 000 ms 为止，如无节制地分成129 个段位，那么相邻段位之间的间隔时间很小，无法满足50 ～75 ms 的正常需求。因此，需要同时平衡爆破段位数量和段位间隔时间，即：在确定装药量时，应控制爆破应力对洞壁围岩的损伤在可接受范围内，如水工隧道工程中将7 cm/s 的质点振动速度作为安全临界值，同时还要确保雷管延时总时间在1 000 ms 之内。

表1 电站交通洞工程爆破设计参数

在甘肃酒泉压缩空气储能电站工程中，岩体质量较好，硐室地层主要为Ⅰ～Ⅱ类花岗岩。通过计算，Ⅰ～Ⅱ类岩体地层中，可接受的最大一段装药量为16 kg，即可确保爆破振动速度在7 cm/s 以内。随着围岩质量的降低，可接受的最大一段装药量呈现出逐渐降低的趋势。

基于上述计算结果，设计各类爆破孔的分段情况，具体如下。

1)掏槽孔共16 个孔位，合计43.2 kg 炸药：按5 ms、10 ms、15 ms 和20 ms 合计4 段位控制，平均每段装药10.8 kg，间隔50 ms 后安排崩落孔起爆。

2)崩落孔共57 个孔位，合计89.94 kg 炸药：按75 ms、150 ms、225 ms、300 ms、375 ms、450 ms、525 ms、600 ms 和675 ms 合计9 段位控制，平均每段的装药量为9.99 kg。

3)底孔共9 个孔位，合计12.96 kg 炸药：因底孔较少，又靠近下部崩落孔，故将9 个底孔分成4 组，第1 组为3 个底孔，其余3 组均为2 个底孔，并将4 组底孔分别串联接入75 ms、225 ms、375 ms 和525 ms 这4 个崩落孔段位中去。此时，75 ms、225 ms、375 ms 和525 ms 这4 个段位的装药量合计为52.92 kg。其中，最大一段装药量为14.31 kg，即部分崩落孔+3 个底孔，安排在靠近中间的75 ms 段内，其余3 段的装药量均为12.87 kg，即部分崩落孔+2 个底孔，间隔75 ms 后安排周边孔起爆。

4)周边孔共47 个孔位，合计26.79 kg 炸药：分750 ms 和825 ms 合计2 段控制，平均每段的装药量为13.40 kg。

上述分段装药模式下，最大一段装药量为14.31 kg，产生在“部分崩落孔+3 个底孔”段位。确定最大一段装药量后，对药量较少的段位，可以适当增加其装药量，但应控制其装药量小于最大一段装药量，保证爆破振动速度不超过安全临界值7 cm/s。

3 爆破临空面布置设计

根据爆破力学理论，爆破临空面的作用可以较好地释放爆破能量，为爆破压力提供良好的应力释放路径，这种应力释放路径越多、越广，储气库洞壁围岩受到的爆破应力越小。因此，爆破施工时应尽可能制造较多的爆破临空面。在硐室施工工序复杂、最大一段爆破装药量限制以及施工设施异型等因素的影响下，寻找、创造爆破临空面工作显得尤为关键。为此，基于类似工程实践经验，结合甘肃酒泉人工硐室储气库的工程特点和地质条件，提出了“一变二、二转四；二四同进、直至洞底”爆破开挖思路。

1)“一变二”施工

“一变二”施工是指1 个掌子面变为2 个掌子面，具体如图3 所示，通过对下部先导洞进行开挖，使1 个掌子面变了上、下2 个错位的掌子面。

注：图中Ⅰ-Ⅰ为一个1号施工掌子面，Ⅱ-Ⅱ为两个2号施工掌子面。图3 “一变二”施工示意图

2)“二转四”施工

“二转四”施工如图4 所示。通过“二转四”施工，即对先导洞截面进行局部掏槽，2 个错位的掌子面产生了4 个爆破临空面。4 个临空面的具体位置、朝向如下。

注：图中①、②、③、④均为临空面编号。图4 “二转四”施工示意图

①号临空面是由先导洞掏槽孔创造产生的爆破临空面，朝向楔形体内部。

②号临空面是由先导洞爆破开挖后产生，临空面朝向逆开挖掘进方向。

③号临空面也是由先导洞爆破开挖后产生，为待爆破硐室在先导洞外圈部位的临空面，上半部是弧形，下半部是直线型，朝向已完成先导洞的形心方向。

④号临空面为初始临空面，与②号临空面的朝向相同，即朝向逆开挖掘进方向。

3)“二四同进、直至洞底”施工

“二四同进、直至洞底”施工是指上下2 个施工掌子面按照“错位同号”同时爆破。如图5 ～图6 所示，错位掌子面2 ～2、3 ～3、...、99 ～99 均同时爆破，往储气库硐底爆破掘进；同时，4 个爆破临空面在爆破掘进过程中，充分释放爆破能量，最大程度地削弱爆破应力对储气库围岩造成的损伤。

图5 储气库下导洞法开挖示意图

图6 储气库中导洞法开挖示意图

考虑到爆破临空面的重要性，以及爆破安全、爆破质量、施工方便和工期等方面的要求，对甘肃酒泉压缩空气储能电站300 m 长度的储气库1 和储气库2 分别提出下导洞法和中导洞法2 种施工方法，分别如图5 ～图6 所示。采用下导洞法施工时，首先从硐口开始按1∶10 坡降向下开挖50 m；接着从截面Ⅱ-Ⅱ开始水平开挖，直至开挖完成250 m，两施工阶段均采取“错位同号”同时爆破的方式进行掘进；最后回转到硐口50 m 处反挖降坡段预留的弧形三角体。采用中导洞法施工时，直接从储气库进口处开始水平开挖至硐底，该阶段同样采取“错位同号”同时爆破的掘进方式，循序渐进，直至开挖完成300 m 全长；随后从硐口按10%降坡明挖图6 中阴影部分的岩体，50 m 之后进入平底开挖，并完成250 m 长的明挖段；最后回转到洞口50 m 处，反挖降坡段的50 m 预留的弧形三角体。虽然2 种工序的导洞位置不同，但爆破临空面都是相同的4 个临空面。后续将对比2 种工序的优劣和施工效果。

4 爆破应力消减效果分析

掏槽孔区域位置设计、最大一段装药量设计和爆破临空面布置设计3 种方法均可在一定程度上降低爆破施工产生的爆破应力，从而减轻爆破施工对围岩的损伤。为最大限度降低爆破应力，甘肃酒泉压缩空气储能人工硐室交通硐爆破掘进时联合应用了上述3 种爆破应力消减方法，结果发现爆破施工后交通硐硐壁围岩整体较为平滑，因爆破施工产生的新裂缝很少。此外，爆破开挖后硐壁围岩的弹性模量略有降低，但在可接受范围内，表明同时采用上述3 种方法可以较好地控制爆破施工对围岩的损伤。

5 结语

该文对300 MW 级压缩空气储能人工硐室储气库建设工程爆破施工中的爆破应力消减方法展开分析，主要包括掏槽孔区域位置设计、最大一段装药量设计和爆破临空面布置设计3 种方法，得到人工硐室储气库先导洞掏槽孔区域位置的基本布置原则，阐述了多段位爆破装药量设计和延时设计的平衡原则，提出了“一变二、二转四；二四同进、直至洞底”爆破开挖思路。通过现场试验发现联合应用上述3 种爆破应力消减方法可以较好地控制爆破施工对围岩的损伤。