大规模冰水堆积体钻爆施工技术初探

胡 勇, 韩顺波

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川 彭山 620860)

1 工程概况

梨园水电站位于迪庆州香格里拉县(左岸)与丽江地区玉龙县(右岸)交界河段,为金沙江中游河段规划的第三个梯级,上游与两家人水电站相衔接,下游为阿海水电站。

梨园水电站工程属一等大(1)型工程,主要永久性水工建筑物为 1级建筑物。工程为以发电为主,兼顾防洪、旅游等综合利用的水利水电枢纽工程。枢纽建筑物主要由面板堆石坝、右岸溢流道及消力池、左岸引水发电系统及岸边主副厂房、左岸泄洪冲沙洞等组成。水库库容为 7.27×108m3,电站装机容量为 2400 MW。

2 冰水堆积体地质岩性情况

该电站进水口堆积体为坝区内规模最大的堆积体,分布高程从河边至高程 1910.00m,边坡垂直高度约 205 m,堆积体开挖方量为 441×104m3。堆积物结构密实,部分呈弱胶结,表部形成“硬壳”,堆积体内的粉细砂或粉土多呈透镜状或“鸡窝”状,连续性差。大部分冰水堆积体呈不同程度胶结,开挖时需通过钻爆作业完成。按胶结程度及组成成分大致分为四类:第一类为状如混凝土的卵石致密胶结物,主要分布于堆积体表层;第二类为状如砂岩的细砂致密胶结物,主要分布于堆积体表层;第三类为状如蜂窝的卵石胶结物,分布于堆积体表层以下部位;第四类为层状的弱胶结粉细砂含少量卵石,分布于堆积体表层以下部位。电站进水口的堆积物厚18.1～118.97 m不等,总体上堆积物厚度大、范围广,胶结物特性各异,分布不均匀。

3 施工难点

该工程电站进水口冰水堆积物厚度大、范围广且堆积物岩性变化较大、胶结致密程度不同。由于冰水堆积体以上特殊的施工过程中面临钻爆造孔时塌孔严重,成孔率低,造成钻孔设备效率低下;冰水堆积体内局部松散、架空、胶结物及松散体层状分布,爆破时易漏气,从而造成单耗药量高,而爆破效果却很差,严重影响挖装设备效率,制约开挖施工进度。

冰水堆积体及崩积层等产状交错,导致其开挖面下部岩性分布无法探明。受爆破效果影响,钻爆挖装时不能形成明显的分区和施工分层台阶,现场施工组织较为困难,挖、装、运设备效率低下。

4 表层“硬壳”的钻爆施工

电站进水口冰水堆积体表层为致密、强胶结物,施工前期,参考地质资料及表层土揭露后出露的地质表观情况进行了一系列的钻爆试验。

4.1 钻孔设备

根据现场情况,首先采用英格索兰 CDH-831C液压钻机,其造孔直径为 90mm。

4.2 钻爆参数

初期在冰水堆积体表层进行试验,试验炮孔间排距分别选用了 2.5 m×2.5 m、3m×3m、3m×3.5m、3.5m×4m四种,相应孔深分别为 2.5 m、4.0m、5.0 m、6.0m,炸药选用 1#岩石乳化炸药,炸药单耗分别选用 0.25 kg/m3、0.3 kg/m3、0.35 kg/m3,经对钻孔、爆破后的效果及反铲挖装情况进行分析,表层硬壳厚度为 1.5～2.5m,硬壳下部为不均匀层状细砂结构,往下为反铲不能直接挖的强胶结构造。钻进成孔在 2.0～3.0 m之间,超过此深度,虽然亦能成孔,但钻进时间较长,一般 20～30min左右成孔 4.5～6.0 m,效率极其低下,且成孔率极低。当单耗低于 0.3 kg/m3时,爆破大块较多,需二次解爆,挖装效率低。

初步结论:对进水口冰水堆积体表层“硬壳”进行钻爆,采用中风压液压钻机即可,布孔间排距宜控制在 2.5～3.5m,结合造孔效率及成孔率,造孔深度宜为 2.0～3.0 m,具体深度为打穿表层“硬壳”即可。由于表层“硬壳”下部夹有松散砂层,爆破漏气相当严重,炸药单耗宜按 0.3～0.35 kg/m3控制,装药结构为 φ70药卷耦合装药。表层“硬壳”合理钻爆参数见表 1。

表1 冰水堆积体表层“硬壳”钻爆参数表

5 表层以下大面爆破

5.1 钻孔设备选型

冰水堆积体表层混凝土状强胶结“硬壳”爆破揭除、形成施工平台后,即可进行冰水堆积体大面梯段爆破。

冰水堆积体大面梯段爆破采用英格索兰CDH-831C液压钻机及 CM351高风压钻机钻孔。开挖区中部冰水堆积体结构同表层性状差别很大,为强胶结、弱胶结、松散砂层混合结构,分布无层次,无规律可寻,极不均匀。此种结构凭肉眼看至少有 50%可以利用反铲直接装,但实际施工时,仅有少部分可直接挖装,挖装规模极小,绝大部分必须通过钻爆才能挖装。根据表层“硬壳”经验,钻爆参数设计见表 2。

表2 冰水堆积体中下部钻爆参数表

经多次钻爆施工发现,对于冰水堆积体内部胶结程度不均匀、胶结体与松散体相混合、分布无规律岩性,由于钻孔过程中塌孔极其严重,造成孔内大量大粒径塌孔砂石无法吹出,成孔率低,炮孔无法钻至设计深度,炮孔利用率不高,钻孔速度慢,钻孔设备效率低下。由于炮孔利用率不高,无论从机械效率、燃油消耗及炸材耗量等方面,都使得施工成本较高。

通过对试验数据、影像资料进行收集及分析对比,得出初步结论:CM 351高风压钻机由于其供风压力较液压钻机大(液压钻最高压为 1.0 MPa,高风压钻机供风压力为 1.5～2.4MPa),能更有效的克服炮孔内塌孔砂石重力将其吹出,避免了因风压不足而导致的孔内大粒径砂石无法排出而造成的塌孔、堵孔,保证了成孔率;同时,高风压钻机扭矩大,钻进快,缩短了成孔时间,更有利于提高机械效率、降低施工成本,加快施工进度。

因此,在后来的施工中,对于冰水堆积体造孔设备进行了合理调配,全部采用高风压钻机造孔。改用高风压钻机后,成孔时间比液压钻缩短25%,成孔率提高了 30%,一次钻孔成孔深度可达6 m。

5.2 爆破参数

对于爆破参数,由于该部分冰水堆积体胶结分布不均、强弱程度不同,经现场爆破试验得知,无法按某一固定参数进行施工,应根据具体情况作相应调整。

(1)对于钻机平台相对规整、岩石胶结相对较好的爆区,可按一固定参数进行布孔。如间排距 3 m×3 m或 3.5 m×3.0 m,炸药单耗一般选取 0.3 kg/m3。间排距过大,因爆破露气或质地不均匀容易出现大块而造成挖装困难,需要进行二次爆破。

(2)对于钻机平台不规整、岩石胶结不均匀、分布无层次的爆区,则先按一固定间排距布孔。在钻孔过程中,根据冰水堆积体胶结情况,对孔间排距随时进行调整。对于较好区域,按原定参数进行造孔;对于结构相对松散(但反铲无法直接挖装)的区域,因成孔相对较浅,相应调小炮孔间排距(即减小炮孔抵抗线),增大单耗药量至 0.33～0.38 kg/m3,以避免出现质地不均匀,爆破露气,爆破无深度,表层漏斗等现象,最终导致反铲无法挖装。

6 永久边坡欠挖的处理

永久边坡形成过程中,对于松散冰水堆积体,利用反铲可直接削坡。对于坡面局部强胶结物导致反铲无法直接成坡时,在前期施工中,采用光面爆破进行施工,其光爆参数:手风钻造孔,孔距 40～60 cm,孔径为 42mm,孔深根据胶结物厚度情况在现场确定;采用 φ32乳化炸药不耦合装药,线装药密度为 250～350 g/m。

由于胶结物质地不均匀,局部呈蜂窝状结构,使得造孔卡钻严重,成孔困难,效率低下,严重影响施工进度及坡面质量,因而光面爆破对于永久边坡的欠挖处理不尽理想。后采用液压破碎锤对冰水堆积体坡面欠挖胶结进行局部修整破碎,因其操作灵活,设备效率高,提高了永久坡面成坡速度,坡面质量也得到了改善。

7 结 语

通过梨园电站前期在进水口冰水堆积体施工进行的一系列钻爆生产试验及专门的试验研究,笔者得出了以下结论及体会:

(1)对于冰水堆积体施工采用的钻孔设备,应选用供风量大、供风压力大的钻机,有利于提高炮孔成孔率及成孔效率。

(2)对于冰水堆积体施工采用的炮孔参数及炸药参数,应针对不同地质岩性结构(胶结程度及分布情况)及时进行调整。

(3)对于弱胶结状冰水堆积体,可配置大功率挖装设备进行直接挖除,以减少造孔及爆破工程量。

(4)对于冰水堆积体爆破分区及钻爆分层要进行合理布置。受成孔率及成孔深度影响,爆破分层宜控制在 3～5m之间。