大型地下水封石洞油库工程洞室群中下层开挖爆破方案试验研究

周 永 力， 赵 晓， 孙 海 江， 李 鹏

(1．中国人民武装警察部队水电第七支队，湖北武汉 430223;2．中国人民武装警察部队水电第三总队，四川成都 610036;3．长江科学院，湖北武汉 430010)

1 概述

某大型地下水封石洞油库工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统及施工巷道等组成，主洞室群洞室之间由连接巷道连通，其跨度为20m、高度为30m，为直边墙圆拱洞，长度在475～777m之间。洞室群顶部25m处设水幕系统，由注水巷道和水幕孔组成，覆盖整个洞库上方。该工程岩石以较完整的花岗片麻岩为主，岩体呈块状、层状结构，整体稳定性较好，岩体等级以Ⅱ、Ⅲ类为主。

主洞室群中下层开挖爆破具有施工环境十分复杂(多洞室平行施工及水幕注水条件施工等)、成型效果要求高、爆破振动及损伤控制严格等特点。根据实践经验，轮廓面若采用预裂爆破成型，可较好地控制主爆孔对保留岩体的损伤及爆破振动影响，但其本身对洞室围岩的损伤影响及预裂爆破在水封条件下成缝的难易程度等问题都有待进一步研究。轮廓面若采用光面爆破成型，则主爆孔爆破对保留岩体及高边墙的振动响应和累积损伤较难控制。因此，在洞室群中下层爆破开挖前期，主要进行了“深孔台阶+预裂爆破”和“水平浅孔+光面爆破”试验，同时结合施工进行了“深孔台阶+光面爆破”试验，以验证在主爆区采用深孔台阶爆破开挖条件下两种轮廓控制爆破方案对洞室群中下层开挖的适用性。

2 中下层开挖爆破方案试验

(1)试验条件。

爆破开挖试验段方案、部位及围岩条件见表1。

表1 爆破试验段方案、部位及围岩条件统计表

(2)试验参数。

对于深孔台阶+预裂爆破方案，主爆孔孔径为90mm，孔距为2．5 ～3m;排距为2 ～2．5m，预裂孔孔径76mm，孔距0．7m。爆破采用孔间微差起爆，高段雷管入孔、孔外低段雷管接力分段起爆。

对于水平浅孔+光面爆破方案，主爆孔孔径为42mm，孔距为1 ～1．5m，排距为1．4 ～1．5m，光爆孔孔径为42mm，孔距为0．5m。采用孔间微差起爆网路。

对于深孔台阶+光面爆破方案，爆破参数与预裂爆破相近，主要是起爆网络有所差异。

(3)爆破成型效果。

图1为不同爆破方案条件下爆破后轮廓面成型效果。

根据爆破后的观察和测量得知，三种爆破方案的轮廓面成型效果较好，半孔率均大于80%，部分试验半孔率达90%以上，3m直尺检查平整度小于15cm。相比之下，主洞室深孔台阶+光面爆破(或深孔台阶+预裂爆破)方案的半孔率、平整度优于手风钻水平浅孔+光面爆破效果。根据施工现场试验情况得知，三种爆破方案的爆破成型效果均能满足开挖施工技术要求。

图1 典型爆破试验轮廓面成型效果图

3 不同爆破方案下洞室群开挖爆破振动特性分析

3．1 爆破振动测试成果分析

爆破试验过程中典型爆破振动波形图及其频谱图见图2～4。

图2 深孔台阶+预裂爆破方案爆破试验典型振动波形图

图3 水平浅孔+光面爆破方案爆破试验典型振动波形图

图4 深孔台阶+光面爆破方案爆破试验典型振动波形图

由图2～4可知，在近区和中远区，三种爆破方案各段爆破振动波形分离均较明显;在相同爆心距条件下，水平浅孔+光面爆破方案的爆破振动峰值要小于深孔台阶+预裂爆破及深孔台阶+光面爆破方案下的振动峰值。

3．2 爆破振动衰减规律分析

工程中通常采用以炸药量和爆心距为主要影响因素的经验公式对质点峰值振速的衰减特性进行描述，其表达式为:式中 ρ为比例药量;K为与岩石性质、爆破参数等有关的因子;α为振动衰减系数。

将深孔台阶+预裂爆破、水平浅孔+光面爆破、深孔台阶+光面爆破三种爆破方案条件下主爆段爆破振动衰减规律经验公式列入表2中，并作峰值振速与1/ρ的关系曲线如图5、6所示。

表2 三种爆破方案条件下爆破振动衰减规律表

图5 不同方向的爆破峰值振速与1/ρ的关系曲线图

图6 不同爆破方案条件下峰值振速与1/ρ的关系曲线图

由图5、6及表2知，水平浅孔+光面爆破方案的K值和α值最小，三种爆破方案中，水平浅孔+光面爆破方案的振速最小，但衰减最慢。由于单响药量Q一定时，1/ρ与爆心距R正相关，在近区和中远区，深孔台阶+预裂爆破、水平浅孔+光面爆破方案均为水平垂直洞轴线方向振速最大，深孔台阶+光面爆破方案为竖直向最大。从图6中可以明显看出，深孔台阶+预裂爆破和深孔台阶+光面爆破方案在近区和中远区的峰值振速明显大于水平浅孔+光面爆破方案。深孔台阶爆破两种方案的水平垂直洞轴线方向的峰值振速衰减规律相差不大。而对于水平平行洞轴线方向及竖直向的峰值振动，在单响药量Q相同的情况下，深孔台阶+光面爆破方案在近区和中远区峰值振速和衰减速度明显要大于深孔台阶+预裂爆破方案。因此深孔台阶+光面爆破方案在近区和中远区引起的爆破振动最大，深孔台阶+预裂爆破方案次之，水平浅孔+光面爆破方案最小。

4 不同爆破方案下洞室群围岩爆破影响深度分析

4．1 声波检测成果

(1)爆破试验之爆破前后声波的检测。

为比较深孔台阶+预裂爆破和水平浅孔+光面爆破方案对围岩的松动影响，在爆破试验过程中 进行了多次声波测试，分别见表3和表4。

表3 深孔台阶+预裂爆破方案爆破试验声波测试成果表

表4 水平浅孔+光面爆破方案下爆破试验声波测试成果表

(2)生产性开挖爆后声波检测。

为了比较深孔台阶+预裂爆破和深孔台阶+光面爆破方案爆破对围岩的松动影响，在围岩较好(均在Ⅱ类围岩)的区域进行了爆后声波测试，分别见表5和表6。

4．2 声波检测的洞室群开挖爆破扰动评价

根据声波测试结果，爆破试验区域声波速度VP值在2800～6000m/s之间，大部分测线平均波速集中在4000～5000m/s之间，爆破前后试验区域边墙岩体的声波曲线均变化不大，松动深度大都没有加深。部分测孔的松动圈范围内波速在爆破后有所降低，而松动圈范围外岩体波速基本无变化，这表明爆破对边墙的影响主要表现在松动圈范围内的岩石波速进一步降低，对松动深度范围外的岩体没有明显影响。

4．3 不同爆破方案条件下洞室群爆破影响深度

比较

(1)深孔台阶+预裂爆破与水平浅孔+光面爆破方案比较。

两种爆破方案对边墙的影响主要表现在原有松动圈范围内岩石波速进一步降低。深孔台阶+预裂爆破方案边墙岩体原有松动圈内平均波速下降最大为14．4%;而水平浅孔+光面爆破方案边墙岩体原有松动圈内平均波速下降最大为12．5%。两种爆破方案下爆破后松动圈范围内声波波速降低比例均未超过15%，表明爆破未造成边墙围岩破坏。但相比之下，水平浅孔+光面爆破爆破方案下爆破对围岩的扰动影响略小，且更容易控制。

(2)深孔台阶+预裂爆破与深孔台阶+光面爆破方案比较。

两种方案声波测试均在岩性较好(Ⅱ类围岩)区域进行，岩石声波波速一般在4500～6000m/s之间。受爆破开挖及卸荷影响，深孔台阶+预裂爆破方案爆破后边墙岩体松动深度最大为0．8m(投影到边墙法线为0．79m);深孔台阶+光面爆破方案爆破后岩体松动深度最大为0．6m(投影到边墙法线为0．42m)。可见，深孔台阶+光面爆破方案下爆破对围岩的扰动影响略小，但总体而言，两种方案下爆破影响深度均在可控范围内。5

表5 深孔台阶+预裂爆破方案爆破后声波测试成果表

表6 深孔台阶+光面爆破方案爆破后声波测试成果表

地下水封洞室群开挖爆破方案的优选

综合爆破试验的开挖效果、爆破振动特性及爆破对围岩深度影响分析，推荐在某大型地下水封石洞油库洞室群中下层开挖施工中采用深孔台阶+预裂爆破和水平浅孔+光面爆破方案相结合的方式进行开挖。具体推荐的爆破方案及孔网参数如下:

(1)深孔台阶+预裂爆破方案。

推荐采用全幅开挖的方式，主爆孔2～3孔一响，控制最大单响起爆药量不大于89kg，采用孔外接力起爆网路。炮孔布置及爆破网路见图7，爆破参数见表7。

表7 深孔台阶+预裂爆破推荐方案爆破参数表

(2)水平浅孔+光面爆破方案。

根据爆破试验的效果，所采用的水平浅孔+光面爆破推荐方案的炮孔布置及起爆网络如图8所示，爆破参数如表8所示。

6 结语

(1)采用上述三种爆破方案，轮廓面成型效果均较好，能够满足开挖施工技术要求。相比之下，深孔台阶爆破的两种方案中的半孔率、平整度优于手风钻水平浅孔+光面爆破的效果。

(2)深孔台阶+光面爆破方案在近区和中远区引起的爆破振动最大，深孔台阶+预裂爆破方案次之，水平浅孔+光面爆破方案最小。

(3)“深孔台阶+预裂爆破”和“水平浅孔+光面爆破”方案对边墙的影响主要表现在原有松动圈范围内的岩石波速进一步降低。两种爆破方案下爆破后松动圈范围内的声波波速降低比例均未超过15%，表明爆破未造成边墙围岩的破坏。相比之下，水平浅孔+光面爆破方案下爆破对围岩的扰动影响略小且容易控制。比较深孔台阶+预裂爆破与深孔台阶+光面爆破方案下爆后的声波测试结果可知:深孔台阶+光面爆破方案下爆破对围岩的扰动影响略小，但总体上两种方案爆破影响深度均在可控范围内。

表8 水平浅孔+光面爆破推荐方案爆破参数表

图7 深孔台阶+预裂爆破推荐方案炮孔布置、起爆网路及装药结构图

图8 水平浅孔+光面爆破推荐方案炮孔布置及起爆网路图

(4)深孔台阶爆破可用于某大型地下水封石洞油库洞室群中下层开挖，但轮廓面应采用预裂或光面爆破并严格控制钻孔精度、单段起爆药量、药包直径及装药结构;水平小孔径光面爆破产生的振动较小，对围岩的扰动影响较小，适合在岩体性质较差或爆破振动控制相对较严格的开挖区域中采用;光面爆破时主爆破孔产生的振动大于采用预裂爆破时主爆破孔的振动，在地质条件较好部位宜优先采用预裂爆破方案。

［1］ 张正宇、张文煊，等，现代水利水电工程爆破［M］．北京:水利水电出版社，2003．