楊玉銀， 陳長(zhǎng)貴， 黃 浩， 劉志輝， 李新偉， 陳 斌， 陳建林

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

光面爆破在卡魯瑪尾水隧洞開挖中的改進(jìn)與應(yīng)用

楊玉銀， 陳長(zhǎng)貴， 黃 浩， 劉志輝， 李新偉， 陳 斌， 陳建林

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

在烏干達(dá)卡魯瑪尾水隧洞8#支洞Ⅲ類圍巖開挖中，為了解決光面爆破施工中用的φ25 mm細(xì)藥卷短缺、綁扎光面爆破藥串用的竹片無法買到等問題，采用了經(jīng)過加工的φ32 mm常規(guī)藥卷，調(diào)整了光面爆破孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥方法，并在選用常規(guī)周邊光面爆破孔孔距條件下，適當(dāng)減小光面爆破層厚度，將周邊光面爆破孔密集系數(shù)提高到1.25～1.43。爆破實(shí)踐表明：通過一系列改進(jìn)，即便在只有最常見的φ32 mm常規(guī)藥卷和導(dǎo)爆索條件下，仍能取得良好的光面爆破效果。這一改進(jìn)簡(jiǎn)化了光面爆破藥串加工工序，減少了光面爆破層脫落需要克服的阻力，減輕了爆破對(duì)洞周被保留巖體的傷害。

光面爆破；裝藥結(jié)構(gòu)；裝藥方法；炮孔密集系數(shù)；技術(shù)改進(jìn)

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)和國(guó)內(nèi)水電市場(chǎng)進(jìn)入后水電時(shí)代，中國(guó)電建集團(tuán)承攬了越來越多的國(guó)外水電和非水電工程。在國(guó)外工程施工，尤其是在非洲等不發(fā)達(dá)國(guó)家施工中，爆破施工常用火工材料、物資，經(jīng)常會(huì)因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)短缺或無法買到等情況，爆破工程技術(shù)人員和爆破技術(shù)工人就開動(dòng)腦筋，設(shè)法利用現(xiàn)有的火工材料、設(shè)備物資，通過爆破技術(shù)的改進(jìn)，來達(dá)到滿足規(guī)范要求的爆破效果。在烏干達(dá)卡魯瑪尾水隧洞8#支洞施工中，由于火工材料供應(yīng)的問題，剛剛進(jìn)洞施工142 m，φ25 mm細(xì)藥卷就發(fā)生了短缺，再加上光面爆破常用的竹片等爆破物資無法買到，于是利用現(xiàn)有的φ32 mm常規(guī)藥卷和導(dǎo)爆索進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，取得了良好的效果。

2 工程概況

2.1 概述

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達(dá)境內(nèi)的卡爾揚(yáng)東哥地區(qū)卡魯瑪村，距離烏干達(dá)首都坎帕拉270 km，距離古蘆75 km。尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長(zhǎng)8 553.290 m，2#尾水洞長(zhǎng)8 459.911 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，開挖洞徑寬13.7～14.8 m，高13.45～14.8 m，隧洞總開挖方量295.8萬m3、土石方明挖147.9萬m3、混凝土襯砌38.3萬m3，總投資5.9億美元，是目前世界上規(guī)模最大的尾水隧洞工程。

8#施工支洞與1#、2#尾水洞分別相交于TRT(1)2+610.071、TRT(2)2+586.173，全長(zhǎng)1 068.30 m。根據(jù)圍巖出露情況及設(shè)計(jì)地質(zhì)工程師現(xiàn)場(chǎng)勘察，從0+061開始，按照Ⅲ類圍巖開挖，開挖斷面呈城門洞形，開挖斷面寬8.24 m、高7.38 m，底坡9.5%。Ⅲ類圍巖洞段以花崗片麻巖為主，局部夾少量侵入體，巖體以弱風(fēng)化為主，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，大節(jié)理面較多，將圍巖切割成塊狀結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固系數(shù)f=6～10，屬中硬偏軟巖。

2.2 光面爆破施工難點(diǎn)

(1)研究對(duì)象為8#施工支洞Ⅲ類圍巖缺少光面爆破用細(xì)藥卷的洞段，具體樁號(hào)為0+122.8～0+225.6洞段，該洞段節(jié)理、裂隙較發(fā)育，均質(zhì)性不好，不易出現(xiàn)明顯的光面爆破效果。

(2)缺少光面爆破施工所需主要火工材料，比如缺少保證光面爆破不耦合裝藥要求必須的φ20 mm或φ25 mm細(xì)藥卷，只有常規(guī)的φ32 mm藥卷。

(3)缺少光面爆破施工所需主要物資，比如保證藥卷間隔裝藥所需竹片無法買到。

3 改進(jìn)總體思路

鑒于以上光面爆破施工難點(diǎn)，為了8#支洞Ⅲ類圍巖取得較好的光面爆破效果，對(duì)火工材料、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥方法、爆破參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。

(1)減少局部爆炸能量。為減少局部爆炸能量過大對(duì)保留圍巖造成的傷害，除孔底使用一整只φ32 mm藥卷(長(zhǎng)20 cm，重200 g)外，其余部位均使用半只φ32 mm藥卷。

(2)改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)。根據(jù)多年的爆破施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)巖體較為堅(jiān)硬時(shí)，對(duì)于孔內(nèi)的φ32 mm藥卷，即便不將其綁扎在導(dǎo)爆索上，導(dǎo)爆索及孔底炸藥爆炸的能量仍能將φ32 mm藥卷起爆。因此光面爆破孔內(nèi)可以不采用竹片綁扎制作藥串的裝藥結(jié)構(gòu)，只用孔內(nèi)的導(dǎo)爆索起爆，光面爆破孔內(nèi)按設(shè)計(jì)線裝藥密度確定的半只φ32 mm藥卷間隔裝藥。

(3)改變裝藥方式。將導(dǎo)爆索一端插入整只φ32 mm藥卷，將炸藥插入導(dǎo)爆索的一端朝向孔底，用炮棍直接推入孔底，然后直接用炮棍控制間隔裝藥的設(shè)計(jì)裝藥間隔距離，將剩余藥卷裝入孔內(nèi)。

(4)調(diào)整光面爆破參數(shù)。為了減小光面爆破孔內(nèi)炸藥爆炸剝離光面爆破層時(shí)對(duì)被保留巖體的反作用力，減少爆炸高壓氣體作用于被保留巖體的作用時(shí)間，在周邊光面爆破孔按常規(guī)間距選取的情況下，適當(dāng)減小光面爆破層厚度，提高光面爆破孔密集系數(shù)。

(5)確保周邊光面爆破孔同時(shí)起爆。由于提高了光面爆破孔密集系數(shù)m，減小了光面爆破層厚度W，其厚度甚至小于光面爆破孔孔距E，E>W>0.5E(見圖1)。為了避免由于高段位雷管起爆時(shí)間間隔誤差，造成相鄰光面爆破孔1和光面爆破孔2中的一個(gè)先行起爆，假設(shè)光面爆破孔1先爆，當(dāng)其應(yīng)力波已經(jīng)從光面爆破孔1的孔壁A傳播到光面爆破孔2的孔壁B時(shí)，光面爆破孔2內(nèi)炸藥尚未起爆，將不能很好地在兩孔AB間形成應(yīng)力波疊加，并先在AB之間形成貫通裂縫，這時(shí)，先爆孔1的應(yīng)力波要擊穿的巖石厚度為兩孔間距E，超過了光面爆破層厚度W，由于最初的裂縫出現(xiàn)在炮孔壁向外的最短距離內(nèi)〔1〕，可能造成先爆光面爆破孔1內(nèi)炸藥爆炸能量集中于垂直光面爆破層方向，向洞內(nèi)CG方向沖出，從而影響光面爆破效果，因此，光面爆破孔內(nèi)導(dǎo)爆索在孔外統(tǒng)一采用導(dǎo)爆索聯(lián)炮，確保所有光面爆破孔同時(shí)起爆。這樣，幾乎可以確保光面爆破孔1和光面爆破孔2的爆炸應(yīng)力波同時(shí)到達(dá)AB的中點(diǎn)M，并先在兩孔間形成貫通裂縫。

圖1 相鄰光面爆破炮孔起爆間隔時(shí)間分析示意圖Fig.1 Internal time analysis of neighboring smooth blasting blastholes

(6)改變炮孔填塞方式。由于藥徑偏大，不耦合系數(shù)不能滿足光面爆破要求，為了減輕粗藥卷爆炸對(duì)被保留巖體的破壞，允許部分爆炸能量溢出孔外，因此，光面爆破孔可以不填塞土卷，不堵孔。

4 爆破設(shè)計(jì)

8#支洞Ⅲ類圍巖洞段，圍巖穩(wěn)定性較好，開挖斷面55.32 m2，可以采用全斷面開挖，利用自制鉆爆臺(tái)車鉆孔，鉆孔采用YT28手風(fēng)鉆，掏槽采用多級(jí)楔形掏槽，周邊孔采用光面爆破，3.5 m3側(cè)翻裝載機(jī)裝20 t自卸汽車出渣。

4.1 爆破參數(shù)

4.1.1 爆破器材

8#支洞洞口段使用火工材料均為北京奧信化學(xué)科技有限公司生產(chǎn)。

(1)炸藥。周邊光面爆破孔、崩落孔、掏槽孔均選用φ32 mm乳化炸藥，重200 g，長(zhǎng)20 cm。

(2)導(dǎo)爆索。選用塑料導(dǎo)爆索，炸藥以太安為藥芯，外觀紅色，導(dǎo)爆索直徑5.4 mm，裝藥量10 g/m，爆速不小于6×103m/s，主要用于周邊光面爆破孔內(nèi)及周邊孔孔外聯(lián)炮。

(3)雷管。孔內(nèi)及孔外連炮選用MS1～MS11段非電毫秒導(dǎo)爆管雷管；起爆選用8#普通工業(yè)電雷管。

4.1.2 周邊孔光面爆破參數(shù)

(1)鉆孔直徑d孔：選用YT28手風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔直徑42 mm。

(2)鉆孔深度L。鑒于圍巖整體穩(wěn)定性較好，單循環(huán)進(jìn)尺取3.2 m，同樣，取周邊光面爆破孔鉆孔深度L=3.2 m。

(3)光面爆破孔孔距E。圍巖主要為弱風(fēng)化花崗片麻巖，屬中硬巖偏軟，根據(jù)規(guī)范〔2〕，取E=12d，E≈50 cm。

(4)光面爆破層厚度(最小抵抗線)W。按照規(guī)范〔2〕，光面爆破層厚度應(yīng)選取60～70 cm。由于光面爆破孔使用了φ32 mm的粗藥卷，為了使光面爆破層易于脫落，減小光面爆破層脫落時(shí)炸藥爆炸對(duì)保留巖體的反作用力，減輕對(duì)被保留巖體的傷害，理論上可取E>W>0.5E，實(shí)踐中建議取E>W≥0.7E。巖石均質(zhì)性較好、完整性較好、硬度高取小值。根據(jù)8#支洞圍巖具體情況，取保護(hù)層厚度W=0.8E=40 cm，實(shí)際操作中，局部保護(hù)層厚度最薄到W=35 cm，但均取得了較好的光面爆破效果。

(5)光面爆破孔密集系數(shù)m。在8#支洞Ⅲ類圍巖光面爆破改進(jìn)洞段施工中，一般部位m=E/W=50/40=1.25，保護(hù)層最薄部位m=E/W=50/35=1.43。m值超出了相關(guān)文獻(xiàn)的建議取值范圍〔1,3-4〕。

(6)藥卷直徑d藥。由于細(xì)藥卷的短缺，周邊光面爆破孔只能選用φ32 mm常規(guī)藥卷，d藥=32 mm。

(7)不耦合系數(shù)k。根據(jù)文獻(xiàn)〔2〕，對(duì)于孔徑φ42 mm的光面爆破孔，藥卷直徑宜選用20～25 mm，即常規(guī)不耦合系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.68～2.1。設(shè)計(jì)中k=d孔/d藥=42/32=1.31，小于隧洞光面爆破常規(guī)不耦合系數(shù)。

(8)線裝藥密度q。巖體屬中硬巖偏軟，且節(jié)理、裂隙較發(fā)育，線裝藥密度宜選取介于中硬巖和軟巖之間，取q=160 g/m。實(shí)際裝藥中，孔底裝一只φ32 mm、重200 g藥卷，間隔布置3個(gè)半只φ32 mm、重100 g藥卷，單孔藥量共計(jì)G=500 g，實(shí)際線裝藥密度為q=G/L=500/3.2=156 g/m。

(9)填塞方式。光面爆破孔孔口不進(jìn)行填塞。

4.1.3 其他爆破參數(shù)

崩落孔、掏槽孔爆破參數(shù)如表1所示。

表1 Ⅲ類圍巖典型爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 周邊光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

周邊光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。將導(dǎo)爆索插入一只φ32 mm藥卷內(nèi)，用炮棍反向推入孔底，然后每間隔80 cm推入半只φ32 mm藥卷，共裝入3個(gè)半只藥卷，藥卷間隔距離采用炮棍控制〔5〕。

圖2 周邊光面爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Charging structure of periphery blasthole

4.3 炮孔布置與爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

8#支洞Ⅲ類圍巖光面爆破改進(jìn)洞段炮孔布置如圖3所示。典型爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖3 光面爆破改進(jìn)洞段Ⅲ類圍巖炮孔布置Fig.3 Blasthole arrangement for class Ⅲ surrounding rock in improved tunnel excavation

5 爆破效果

2014年12月23日，8#施工支洞Ⅲ類圍巖開挖至0+122.8樁號(hào)時(shí)，周邊光面爆破孔必需的φ25 mm細(xì)藥卷短缺，只能選用φ32 mm常規(guī)藥卷，通過采取上述改進(jìn)措施，取得了良好的光面爆破效果，除局部破碎較嚴(yán)重洞段外，光面爆破半孔率達(dá)到70%以上(見圖4)。

圖4 Ⅲ類圍巖改進(jìn)洞段光面爆破效果Fig.4 Smooth blasting effect of class Ⅲ surrounding rock in the improved tunnel excavation

光面爆破改進(jìn)洞段的爆破實(shí)驗(yàn)在0+122.8～0+161.2洞段進(jìn)行，共12茬炮，光面爆破效果統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。根據(jù)規(guī)范〔2〕，改進(jìn)洞段半孔率應(yīng)≥60%，兩茬炮之間的臺(tái)階應(yīng)小于20 cm,相鄰兩孔間巖面平整，孔壁不應(yīng)有明顯的爆振裂隙。從圖4、表2的光面爆破效果情況看，改進(jìn)洞段均無明顯爆破振動(dòng)裂隙，完全滿足規(guī)范要求。

表2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)洞段光面爆破效果統(tǒng)計(jì)

注：每次實(shí)驗(yàn)的平均光爆孔深度為3.2 m，光爆孔數(shù)量為39個(gè)。

6 結(jié)語

在烏干達(dá)卡魯瑪尾水隧洞8#支洞Ⅲ類圍巖開挖爆破施工中，在缺少光面爆破用細(xì)藥卷和無法買到綁扎光面爆破藥串用的竹片情況下，通過分析光面爆破原理，改進(jìn)光面爆破技術(shù)參數(shù)、調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)、細(xì)化裝藥方法、確保光面爆破孔同時(shí)起爆，成功地在Ⅲ類圍巖中實(shí)現(xiàn)了光面爆破，保證了開挖質(zhì)量，確保了施工安全。實(shí)踐證明，在隧洞開挖光面爆破施工中，在某些條件不具備的情況下，通過專業(yè)爆破工程技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)有條件的分析、研究，對(duì)光面爆破技術(shù)加以適當(dāng)改進(jìn)、調(diào)整，仍然能夠達(dá)到光面爆破的目的，并取得良好的光面爆破效果。

〔1〕 汪旭光. 爆破設(shè)計(jì)與施工[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011：360-361,249.

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〔2〕 DL/T5099-2011水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

DL/T5099-2011 Technical specification for excavation underground works on hydraulic structures[S]. Beijing: China Power Press，2011.

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YANG Yu-yin. A new technique of tunnel excavation by smooth blasting with interval charging[C]//WANG Xu-guang. National engineering blasting academic conference collection 7. Urumchi: Xinjiang Youth Press, 2001:302-307.

Improvement and application of smooth blasting used in excavation in Karuma HPP TRT project

YANG Yu-yin, CHEN Chang-gui, HUANG Hao, LIU Zhi-hui, LI Xin-wei, CHEN Bin, CHEN Jian-lin

(Sinohydro Bureau 5 Co., Ltd., Chengdu 610066,China)

During tunnel excavation of class Ⅲ wall rock in adit-8 of Karuma HPP TRT project, in order to resolve the problems likeφ25 mm cartridge lacking and unavailableness of bamboo chips for fixing cartridge. Theφ32 mm normal cartridge was used in smooth blasting. Charging structure and method were adjusted, the thickness of smooth blasting layers was decreased and density coefficient of periphery borehole was increased to 1.25～1.43 on condition of normal spacing of periphery boreholes. The blasting effect showed that the smooth blasting could achieve satisfactory result even only usingφ32 mm normal cartridge and prim cord. The cartridge processing was simplified, the residence to the falling of the smooth blasting layers was reduced, and the harms to the preserved rock body were relieved through the improvement.

Smooth blasting; Charging structure; Charging method; Borehole density coefficient; Technical improvement

1006-7051(2016)06-0062-04

2016-03-09

楊玉銀(1968-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事地下工程及土石方明挖施工爆破技術(shù)、安全管理工作。E-mail:752153592@qq.com

TD854.2

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.014