趙銀超

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

水利水電工程大壩壩基具有開挖工程量大、質(zhì)量要求高的特點。經(jīng)國內(nèi)外長期工程實踐后，目前常用的建基面開挖方法為保護層分層爆破開挖、水平預裂爆破開挖、水平光面爆破開挖、垂直孔柔性墊層微差爆破開挖[1-3]。但這些開挖方法均存在工序復雜、速度慢、效率低、成本高、管理協(xié)調(diào)難度大的缺點，如何在保證建基面開挖質(zhì)量的前提下盡可能提高施工速度和效率成為了目前水利水電工程建設(shè)中亟需破解的難題。白鶴灘水電站壩基開挖過程中，盧文波[4-5]、嚴鵬[6-7]等學者研發(fā)了用于豎直炮孔的聚-消能復合墊層并進行了首次應用研究，后該技術(shù)成功推廣應用于舟山綠色石化基地、深圳赤灣地鐵項目、南公1水電站等工程。工程應用中相關(guān)研究人員對復合消能結(jié)構(gòu)以及爆破參數(shù)的組合進行了多種嘗試，并取得了相關(guān)研究成果。但由于不同工程的壩基地質(zhì)條件不同，目前國內(nèi)還沒有在輝長巖建基面開挖中的研究案例。論文結(jié)合TB水電站工程壩基輝長巖地質(zhì)特性，決定采用復合消能爆破技術(shù)。復合消能爆破是安裝一種特殊的復合消能結(jié)構(gòu)，通過特定型式的消能結(jié)構(gòu)誘導爆炸沖擊波能量往裝藥段巖體聚集，實現(xiàn)相鄰孔間巖體的充分破碎，從而達到節(jié)省爆破成本和提高工作效率的目的。在國內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對復合消能爆破技術(shù)開展了現(xiàn)場試驗及進一步的應用研究。

1 工程概況

云南TB水電站位于云南省迪慶州維西縣中路鄉(xiāng)境內(nèi)，擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 740.00 m，壩頂長477.00 m，最大壩高158.00 m。

TB水電站大壩河床壩段壩基高程分別為1 582、1 590 m，其中9～10號壩段壩基高程為1 590 m，11～15號壩段壩基高程為1 582 m，壩基全長134.60 m，總寬133.6 m。

壩址區(qū)出露地層為第四系(Q)覆蓋層和印支期基性侵入體吉岔輝長巖(V51)及二疊系上統(tǒng)下段(P2a)，以吉岔輝長巖(V51)的分布范圍較廣。吉岔輝長巖(V51)呈灰綠、暗綠色，局部呈灰白色，細粒-中粒狀，碎裂、碎粒、粒狀它形-半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。區(qū)內(nèi)輝長巖沿瀾滄江出露寬度約為3.0 km，西側(cè)與二疊系上統(tǒng)下段(P2a)呈侵入接觸，邊界多呈波狀；東側(cè)與侏羅系中統(tǒng)(J2h2)地層呈斷層接觸。分布于壩址兩岸及河床地帶。壩址基巖巖性單一，均為輝長巖，其弱風化巖石飽和抗壓強度平均值為69.7 MPa，微風化至新鮮巖石飽和抗壓強度平均值為71.4 MPa，屬堅硬巖。第四系(Q)按成因類型分為殘坡積物、崩坡積物、地滑堆積物、崩積物、沖洪積物。區(qū)內(nèi)崩坡積物分布較廣，由塊石、碎石及粉質(zhì)粘土組成，厚度一般為5～25 m，主要分布在壩址兩岸的緩坡地帶。

2 復合消能現(xiàn)場試驗

復合消能爆破應用前，需先選取巖性與建基面類似的非結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)重要性較低的開挖面開展爆破試驗，研究最有利于實現(xiàn)開挖快速成型并達到開挖要求和效果的爆破參數(shù)。需要確定的主要參數(shù)為：復合消能爆破層梯段高度、炮孔間排距、炸藥單耗、超鉆深度、復合消能結(jié)構(gòu)等。

2.1 試驗規(guī)劃

試驗區(qū)選擇原則是根據(jù)臨空面的巖石出露情況，選擇無明顯薄弱夾層或破碎帶、巖體結(jié)構(gòu)較為完整、原生及次生構(gòu)造盡可能少的區(qū)域。TB水電站所在區(qū)域滿足上述條件，故試驗選擇在TB水電站現(xiàn)場進行。

TB水電站河床壩段壩基高程為1 582、1 590 m，從設(shè)計單位提供的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)分析，右岸壩段壩基開挖至1 600 m高程以下時，基巖基本已經(jīng)整體出露，且?guī)r性與建基面巖性較為接近，故決定在右岸1 600～1 596 m高程間設(shè)置1個爆破層，并將開挖面分為4個區(qū)塊。各區(qū)塊分別按照1.5 m×2.0 m、2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m進行布孔，調(diào)整單孔裝藥量，控制各試驗塊爆破單耗基本一致(為前期總結(jié)的在本工程條件下較為適宜的爆破單耗值)，并通過分段聯(lián)網(wǎng)，保證爆破最大單響符合設(shè)計技術(shù)要求且數(shù)值接近。通過對比試驗，確定出最適宜的爆破參數(shù)。規(guī)劃試驗區(qū)分區(qū)參數(shù)表如表1所示。

表1 規(guī)劃試驗區(qū)分區(qū)參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場實際地形、地質(zhì)情況和復合消能爆破試驗的目的，對于不同的試驗區(qū)，分別采取不同的鉆孔間排距和裝藥結(jié)構(gòu)(連續(xù)裝藥和間隔裝藥)，以控制爆破單耗基本位置一致。詳細參數(shù)如表2所示。

表2 試驗孔爆破參數(shù)表

2.2 試驗施工流程

爆破試驗施工流程為：爆破設(shè)計→技術(shù)交底→測量放樣→鉆機就位→造孔→驗孔檢查→鋪設(shè)柔性墊層→安裝復合消能結(jié)構(gòu)→裝藥聯(lián)網(wǎng)→爆破(振動數(shù)據(jù)采集)→場地清理→爆效檢查(平整度檢測、爆破振動測試、爆破損傷程度檢測)。

2.3 試驗結(jié)果

通過平整度檢測、爆破振動測試、爆破損傷程度檢測的數(shù)據(jù)分析，得出如下成果：

1)平整度上，試驗Ⅰ區(qū)(3.0 m×3.0 m)在平整度不佳，超欠挖較嚴重，試驗區(qū)2、3、4的在平整度檢查時效果佳，在建基面的允許超欠挖量內(nèi)且數(shù)值相近；

2)爆破質(zhì)點振動速度測試中，試驗區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的測量值均滿足設(shè)計要求(<10 cm/s)；

3)爆破損傷程度檢測中，試驗區(qū)Ⅰ爆破損傷衰減率6.28%≤10%，損傷最低，試驗Ⅱ區(qū)(2.5 m×2.5 m)爆破損傷衰減率6.4%≤10%，試驗Ⅲ區(qū)(2.0 m×2.0 m)爆破損傷衰減率7.19%≤10%，試驗Ⅳ區(qū)(1.5 m×2.0 m)爆破損傷衰減率8.98%≤10%，各試驗區(qū)爆破損傷衰減率均滿足設(shè)計要求但試驗區(qū)Ⅳ區(qū)(1.5 m×2.0 m)爆破損傷衰減率接近臨界值，難以控制，因此不予選取。

根據(jù)以上成果數(shù)據(jù)分析，結(jié)合爆后效果、爆破損傷、施工進度、成本等因素，試驗區(qū)Ⅱ、Ⅲ的爆破參數(shù)都滿足要求。因此建議在基坑建基面大面積開挖時，爆破參數(shù)按表3選用。

表3 建基面復合消能爆破參數(shù)

3 TB水電站建基面開挖復合消能爆破

3.1 復合消能爆破參數(shù)

TB水電站河床壩段壩基高程為1 582、1 590 m，其中右岸9～10號壩段建基面高程1 590 m，左岸11～15號壩段建基面高程1 582 m，10號壩段與11號壩段之間存在一道坡比1∶1，根據(jù)復合消能爆破試驗成果，結(jié)合現(xiàn)場實際開挖情況，并咨詢了白鶴灘水電站復合消能爆破專家意見，綜合考慮后，確定左岸11～15號壩段預留保護層厚度5 m，即開挖高程1 587～1 582 m，右岸9～10號壩段預留保護層厚度6 m，即開挖高程1 596～1 590 m。采用復合消能爆破，分塊一次性開挖完成。11～15號壩段保護層因無臨空面，故在13～14號壩段之間先開挖一道先鋒槽，槽深4.8 m，槽底高程1 582.20 m，底寬8 m，頂寬10 m。最終確定的建基面復合消能爆破保護層開挖分塊圖如圖1所示?？紤]右岸9～10號壩段保護層厚度更厚，選用2 m×2 m間排距布孔，左岸11～15號壩段選用2.5 m×2.5 m間排距布孔，其余爆破參數(shù)、消能結(jié)構(gòu)均與爆破試驗參數(shù)一致。

圖1 建基面復合消能爆破保護層開挖分塊圖

3.2 復合消能爆破質(zhì)量控制要點

1)現(xiàn)場鉆孔。在鉆孔前，由測量隊利用施工測量控制網(wǎng)，按照爆破設(shè)計圖進行現(xiàn)場測量放樣，并根據(jù)實際開孔面高程確定鉆孔孔深，控制孔位的間排距誤差滿足設(shè)計技術(shù)要求。鉆孔前將放樣點周圍清理干凈，在鉆機就位后，嚴格按照放樣的參數(shù)(孔徑、間距、孔深、角度)進行鉆孔，爆破鉆孔直徑為φ115 mm。在造孔過程中，重點控制鉆桿角度，必須垂直鉆孔，采用吊錘線或測量角度儀進行測量校正，以保證孔深便于測量精度。鉆孔時開孔點與孔位標識誤差不大于5 cm。孔深不允許欠鉆，超深不大于0.15 m。當孔深達到設(shè)計孔深后，應盡可能進行多次沖洗，確?？妆跓o泥渣，以便在放置消能鋼球時不受阻。已完成的鉆孔，孔位的巖粉和積水予以清除，孔口應加以保護；因堵塞無法裝藥的鉆孔，予以掃孔或重新鉆孔。

2)鋪設(shè)柔性墊層。根據(jù)記錄的放樣數(shù)據(jù)和驗孔數(shù)據(jù)，確定復合消能結(jié)構(gòu)的安裝高程(確保在同一高程面)，并相應計算各個爆破孔實際需要鋪設(shè)的緩沖層厚度。緩沖層材料可以使用人工砂、河砂或鉆孔巖屑，采用與孔徑相同的容器盛放緩沖層材料倒入孔內(nèi)以便于厚度控制。

3)安裝復合消能鋼球。本工程爆破鉆孔直徑為φ115 mm，選用的消能鋼球為φ100 mm，消能鋼球要求在柔性墊層上放置，同時需要保證復合消能結(jié)構(gòu)的中心在建基面高程。

4)裝藥聯(lián)網(wǎng)和起爆。各造孔驗收合格和安裝復合消能結(jié)構(gòu)完成后，按照爆破設(shè)計進行裝藥和聯(lián)網(wǎng)，爆破網(wǎng)路采用毫秒微差起爆系統(tǒng)，網(wǎng)路總起爆采用電子雷管。聯(lián)網(wǎng)時采用根據(jù)最大單響要求控制聯(lián)網(wǎng)分段(見圖2)，本工程按照設(shè)計技術(shù)要求，控制最大單響藥量不超過50 kg。

圖2 爆破網(wǎng)路聯(lián)網(wǎng)分段圖

3.3 復合消能爆破效果

爆破基礎(chǔ)面清理后，按壩段進行了爆破建基面平整度以及預留巖體爆破損傷深度(聲波衰減)的爆破效果檢測。

1)平整度檢測。由表4的檢測數(shù)據(jù)分析，建基開挖面起伏差較小，能滿足設(shè)計不大于15 cm的要求。

表4 9～15號壩段平整度檢測成果表

2)爆破損傷程度檢測。大壩建基面以Ⅲ1類及以上巖體為主，Ⅲ1類巖體孔深1.0～15.0 m聲波平均波速不小于4 400 m/s、孔深0～1.0 m聲波平均波速不小于3 900 m/s。通過對爆前、爆后波速變化率及變化率的范圍大小，判斷分析爆破對預裂坡面保留巖石的影響深度和影響程度。檢測成果如表5所示。結(jié)果表明，平均波速滿足設(shè)計要求，建基面聲波衰減率滿足設(shè)計要求(≤10%)。

表5 建基面巖體爆破影響聲波測試成果表

TB水電站建基面的開挖總開挖量約17.61萬m3，主爆孔總鉆孔量約34 580 m，實際累計耗時16 d(含先鋒槽開挖)，相比水平預裂爆破節(jié)約工期19 d。綜合分析可得：復合消能爆破開挖速度為水平預裂爆破的2倍以上，具有明顯的施工進度優(yōu)勢，能極大縮短基坑開挖的施工工期，為實現(xiàn)大壩基礎(chǔ)墊層混凝土如期澆筑提供有利條件。

3.4 輝長巖復合消能爆破分析

由表2分析可知輝長巖的爆破中，試驗孔的孔距和排距等參數(shù)對爆后效果的影響極大，其中孔距和排距在2.0～2.5 m之間，單耗在0.72～0.75 kg/m3之間效果最好。

分析表5中的數(shù)據(jù)，在建基面0.00～1.00 m以內(nèi)，輝長巖的爆前波速在4 260～4 940 m/s內(nèi)變化，而爆后波速在4 020～4 452 m/s內(nèi)變化。在聲波速度>4 100 m/s下，巖體呈塊狀或次塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面輕微發(fā)育-中等發(fā)育，延展性差，多閉合，巖體呈微風化-新鮮狀態(tài)。巖體力學特性各方向的差異不顯著[8]?？芍x長巖在復合消能爆破后波速變化范圍小，且平均波速滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

1)輝長巖硬度比一般巖石更硬、強度更高，鉆孔過程中對鉆頭磨損更大；且輝長巖較脆，爆破質(zhì)量更難控制。

2)復合消能爆破技術(shù)的關(guān)鍵點在于垂直炮孔底部布置的復合消能結(jié)構(gòu)，其由球形消能墊塊和柔性墊層組成。通過球形消能墊塊上、下表面反射應力波、柔性墊層變形緩沖以及球形消能墊塊自身的變形破壞過程，消耗爆轟能量，減小爆破對垂直孔孔底的影響。

3)采用復合消能爆破技術(shù)，能有效控制孔底損傷即基巖內(nèi)部的振動，有利于保護建基面巖體，且可獲得與水平光爆或水平預裂爆破相當?shù)慕ɑ骈_挖成型效果。

4)采用垂直孔復合消能爆破技術(shù)進行TB水電站建基面的開挖，開挖速度為水平預裂爆破的2倍以上。復合消能爆破技術(shù)加快了開挖施工進度，直接和間接經(jīng)濟效益明顯。