特大型断面洞室开挖应用爆破研究

刘峰春，赵全超，刘月明

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 丹东 118002）

1 工程概述

金沙江溪洛渡水电站，是我国西电东送中线的骨干电源之一，是金沙江下游梯级开发的第三级水电站。溪洛渡电站是以发电为主，兼有防洪、挡沙和改善下游航运条件等巨大的综合效益，具有不完全年调节能力的特大型水电站，是金沙江流域实施“西电东送”的第一期工程。

溪洛渡水电站施工期，于坝址两岸各布置了3条导流洞，自左向右，左岸为1～3号导流洞，右岸为4～6号导流洞，其中左、右岸各有2条与厂房尾水洞结合。另外，电站于左、右岸各设置1条独立尾水洞，左岸为1号尾水洞，右岸为6号尾水洞。导流洞和尾水洞断面型式均为城门洞型，导流洞开挖断面为21.6m×23.6m，尾水洞开挖断面为18.6m×23.6m，开挖断面均超过了400m2，属于特大型断面洞室。

2 特大断面洞室开挖施工思路

依据以往总结的施工经验，特大型断面洞室开挖，需采用分层分部的开挖方法进行施工。以溪洛渡水电站左岸导流洞和左、右岸尾水洞为例，开挖共分成上层、中层、下层三层，上层又分成中导洞和左右两侧边墙进行，按照自上而下，自内而外的顺序，依次进行施工。

洞室上层为水平孔爆破开挖层，开挖高度一般控制在8.0～10.0m之间，从安全角度以及方便施工角度着想，中导洞开挖宽度又控制在9.0～11.0m之间，剩余左、右侧墙再一次扩挖到位，洞室上层开挖，现多采用手风钻配备钻爆台车，钻设水平孔装药爆破。

洞室下层为底板保护层，开挖高度一般控制在3.0m左右，主要为了防止中层开挖施工期间，大药量爆破对洞室底板基岩的破坏，现多采用水平孔爆破法施工或小梯段浅孔爆破法施工。

洞室中层为中间梯段层，即为洞室上层和下层中间的部位，开挖高度一般控制在10m以内，超过10m的易分成两层进行开挖。为了加快施工进度保证施工质量，现多采用两侧墙预裂，中间深孔梯段爆破的方法进行施工。

3 分部施工顺序

特大型断面洞室开挖，根据附属施工支洞和道路的布置情况，以主洞和支洞的平交部位为节点，从平面上划分成几个区段进行施工，各区段之间的施工顺序按工程总体的规划情况，统一安排布署，同区段内的洞室从断面上划分成几个施工部位，各部位之间开挖施工顺序为：洞室上层中导洞施工→洞室上层两侧墙扩挖施工→洞室中层开挖施工→洞室下层开挖施工。

4 开挖爆破形式应用

当爆破在有临空面的半无限介质表面附近进行时，爆破后会形成一个如倒立圆锥状的爆破漏斗，爆破漏斗的底面半径r与药包最小抵抗线W的比值为爆破作用指数，用n表示，即n=r/W。工程中依据n值的大小对爆破进行分类：当n=1即r=W时，为标准抛掷爆破；当n＞1即r＞W时，为加强抛掷爆破；当0.75≤n＜1时，为减弱抛掷爆破；当0.33≤n＜0.75时，为松动爆破；当n＜0.33时，为隐藏式爆破。

而实际工程运用中，此爆破作用指数常直接反应为炮孔间排距的比值，即炮孔间距a与炮孔排距b的比值a/b，用m表示，通常按m=n进行试算。

根据以上划分标准，特大型断面洞室上层和下层的水平孔爆破法开挖施工中，所有的二台孔、抬动孔、底板孔和上层中导洞的掏槽孔爆破均属于加强抛掷爆破，所有的崩落孔、光爆孔爆破均属于减弱抛掷爆破；中层梯段爆破法开挖施工中，所有梯段孔爆破属于加强抛掷爆破，所有预裂孔爆破属于隐藏式爆破。

5 爆破设计参数研究

（1）水平孔孔深的确定

特大型断面洞室的上层和下层，一般采用手风钻钻设水平孔装药爆破的方式进行开挖施工，其水平钻孔孔深根据开挖围岩类别情况及选用的钻孔机械确定，围岩条件好时循环进尺加大（孔深加大），围岩条件差时循环进尺减小（孔深减小），并且为了减小堵塞长度占总孔深的比例，使钻孔的利用率最大化，在围岩条件允许，钻孔机械可以达到的情况下，应尽可能地加大孔深。

（2）单位耗药量的拟定

炸药单位耗药量根据要开挖岩体的地质条件确定，硬岩单位耗药量大，软岩单位耗药量小，在工程施工之前，要详查工程地质资料，确定工程地质岩性，根据以往类同工程经验，初步比选一个炸药单耗，进行爆破试验，从而确定一个合理的炸药单耗。合适的炸药单耗对爆破效果的好坏影响至关重要，选定的单耗过大，在炮孔间排距和孔深不变的情况下，则炮孔的单孔装药量增大，孔内炸药爆破后产生的爆破漏斗底面半径比设想的扩大，爆破形式随即发生质的变化，松动爆破可能变为抛掷爆破，造成工程事故，反之炸药单耗选定过小，则会出现爆破缺力现象，达不到设想的爆破效果，影响工程施工质量和施工进度。

（3）炮孔间排距的确定

炮孔间排距的确定影响因素较多，如根据岩石地质条件选定的单位耗药量，炮孔的装药利用率，拟定装药结构的线装药密度，根据炮孔爆破作用类别确定的爆破作用指数以及开挖断面的规格尺寸等。

初拟炮孔间排距，按下式进行试算式中 l1—炮孔装药长度；l2—炮孔堵塞长度；（取l2=0.8b）；L—炮孔孔深，L=l1+l2，根据围岩类别情况和钻孔机械拟定；q—单位耗药量，根据爆破围岩类别情况初拟定；ql—选用炸药卷的连续线装药密度。

a=mb，因此 式（1）又可改写成：

根据 式（2）试算出炮孔排距后，按a=mb求出相应的炮孔间距。

（4）炮孔布孔方式的选取

炮孔的布孔方式主要分为两种，一种为矩形布孔，一种为三角形布孔又叫梅花形布孔。在炸药单位耗药量和炮孔间排距一样的情况下，两种布孔方式爆破后产生的爆破效果截然不同，其爆破作用机理分析见图1。

图1 爆破作用机理分析图

由图1对比可以看出，当采用矩形布孔形式进行爆破施工时，前排相临2个炮孔爆破产生的爆破漏斗中间，产生一块爆破死角区域B区，第二排的炮孔爆破时，其最小低抗线值等于两排炮孔的排距，即W=B，所以，进行第二排炮孔爆破时，对前排爆破死角区域B区的爆破修整力度有限，同时产生爆破交集区域C区，致使B区极易产生大块的孤石，爆破后渣堆的石渣粒径不均一，不易开采生成块度相差较小的有用石料，且不利于进行装载出渣；采用梅花形布孔爆破时，在间排距和炸药单耗不变的情况下，第一排的爆破效果和采用矩形布孔时效果一样，关键在于第二排炮孔爆破时作用效果发生变化，受前排炮孔爆破时中间产生的爆破死角B区影响，后排最小低抗线值变为两排炮孔的孔间净值，即W＞B，最小低抗线值发生变化致使爆破作用半径扩大，且爆破漏斗底半径减小，对前排爆破产生的爆破死角区域B区进行二次爆破修整，同时使两相临炮孔的爆破交集随之减小，使爆破后整体爆堆的石渣粒径比较均匀，便于开采生成块度均一的有用石料，且更便于装载出渣施工。

6 洞室分层开挖及爆破设计

特大型断面洞室开挖，按照拟定的施工方案，分区段分部位有序进行组织施工，以溪洛渡水电站左岸1号尾水洞为例，对特大型断面洞室的分部开挖方案和爆破设计进行介绍。溪洛渡水电站左岸1号尾水洞，最大开挖断面为18.6m×23.6m，总共分成上、中、下三层，上层层高9.0m，顶拱为半径R=11.175m的圆弧，中导洞宽10.0m，两侧墙各宽4.3m；中层层高9.3m，为18.6m×9.3m矩形；下层层高5.3m，两底角为半径R=4.3m的圆弧，爆破分区如图2所示。

图2 开挖断面炮孔分布图

6.1 上层和下层水平孔爆破开挖

以人工持YT-28型手风钻，在钻爆台车上钻孔，上层中导洞首先采用大角度楔形掏槽，然后崩落孔毫秒微差分段跟进爆破，扩槽至设计断面；两侧扩挖施工利用中导洞形成的临空面，直接钻设崩落孔爆破扩挖至设计边线；下层开挖施工利用中层开挖形成的上部临空面，直接抬动爆破开挖至设计底板，为了保证设计边线处的施工质量和设计面平整度，洞室设计边线处均采用光面爆破施工。上层中导洞开挖，设计每循环进尺3.0m，实际平均每循环进尺2.7m；上层两侧边墙扩挖和洞室下层开挖，设计每循环进尺3.0m，实际平均每循环进尺2.8m。

（1）水平孔爆破设计

根据爆破作用类别不同，炮孔分掏槽孔、崩落孔、周边孔、二台孔（抬动孔）及底板孔等。钻孔直径均为φ42mm，上层中导洞掏槽孔炮孔设计参数如表1中所示；上层扩槽崩落孔取间距a=0.9m等间距布置，所有周边孔的孔距以10d～14d控制，最小抵抗线与孔距之比均按W/a≈1.2控制；所有二台孔及底板孔取间距在1.2～1.0m之间等间距布孔，最小抵抗线与孔距之比按W/a≈0.8控制。炮孔装药选用RJ2号岩石高威力乳化炸药，除周边孔选用导爆索作为连线，绑扎φ22mm药卷间隔装药外，其余炮孔均采用φ32mm药卷连续装药，孔口堵塞长度均以不小于0.8倍抵抗线控制。

各类炮孔之间采用非电毫秒导爆管串并连成爆破网络，导火索引爆火雷管后传爆爆破网络，毫秒微差分段起爆，起爆顺序为：掏槽孔→崩落孔→二台孔（抬动孔）→周边孔→底板孔的顺序。

洞室上层和下层各部位炮孔分区布置如图3所示，上层中导洞大角度楔形掏槽孔布置如图4。

图3 掏槽孔布置平面示意图

（2）爆破设计参数

特大断面洞室上层和下层各类炮孔爆破设计

图4 掏槽孔布置剖面示意图

参数如表1所示。

表1 洞室上层和下层水平孔爆破设计参数表

6.2 中层爆破开挖

洞室中层开挖，采用梯段爆破法进行施工，采用YQ-100B轻型风动潜孔钻钻设竖直孔装药爆破。为了保证设计开挖面的光整度，及减小爆破对洞室围岩的扰动，首先在中层两侧边墙设计边线处进行预裂爆破，然后再进行中间梯段爆破。中层开挖施工以10m为一段，循环进行，后序循环爆破利用前一循环形成的临空面，进行水平方向抛掷爆破。

（1）爆破设计

尾水洞中层开挖，在两侧墙设计边线处布置预裂孔，孔距0.8m，孔径为φ90mm，装药采用RJ2号岩石高威力乳化炸药，中间用φ32mm药卷间隔装药，底部用2～3支φ32药卷绑到一起2～3倍加强间隔装药，各个炮孔之间采用导爆索串联成整体，连接到主爆破网络上。

梯段爆破每次起爆长度为10m，炮孔按矩型或是梅花形布孔，排距2.0m，每排两侧炮孔至设计边线距离不小于1.2m，中间等间距布置6～7个炮孔，炮孔间距在2.4m左右，钻孔直径为φ90mm。炮孔装药采用RJ2号岩石高威力乳化炸药，φ60药卷柱状装药，爆破采用塑料导爆管串并联形成爆破网络，然后与两侧墙预裂爆破网络连接，采用导火索引爆火雷管后传爆，控制最大单响药量在100kg以内。

（2）爆破设计参数

特大断面洞室中层各类炮孔爆破设计参数如表2，表3所示。

表2 裂爆破钻爆设计参数表

表3 梯段爆破设计参数表