深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用

赵 根，吴新霞，周先平，黎卫超，胡英国，吴从清

（长江水利委员会长江科学院，武汉430010）

深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用

赵 根，吴新霞，周先平，黎卫超，胡英国，吴从清

（长江水利委员会长江科学院，武汉430010）

为实现深水条件下的岩塞钻孔爆破贯通与成型，系统研究深水条件下岩塞钻孔爆破的贯通机理。提出结合隧洞开挖的岩塞爆破试验方法，对岩塞钻孔爆破参数的合理性、爆破器材的防水抗压性能以及起爆网路的可靠性、施工工艺等进行现场试验；对岩塞在库区与隧洞内外不同水压差下的爆破石渣运动形态进行水工模型试验，解决了高水压条件下的岩塞钻孔爆破贯通成型、石渣运动控制等技术难题，并成功应用于长甸水电站扩机工程的岩塞爆破中。可为类似岩塞爆破工程提供参考与借鉴。

岩塞爆破；电子雷管；模型试验；爆破效应

1 引言

基于国家“十三五”规划提出的水资源高效利用的方针，对部分水库增建水工隧洞进行二次开发是大势所趋。增建的水工隧洞进口常位于水面以下数十米甚至百米深处，如采用常规挡水围堰方案，其爆破风险及费用将成倍增加，尤其在界河流域上，由于保密和国家安全因素的影响，不允许修建围堰。在此情况下，水下岩塞爆破成为解决问题的重要途径。水下岩塞爆破不受水位消涨和季节条件的影响，可省去工期长、成本高的围堰工程，施工与水库的正常运行互不干扰，是一种适合深水条件下的引水洞进口施工方法。

岩塞爆破技术在挪威应用较早，JAEGER等﹝1﹞早在1979年便对岩塞爆破的基本理论和方法进行了介绍。我国上世纪60年代开始应用岩塞爆破技术，基于大量的工程实践，国内岩塞爆破技术在设计方法、进水口成型、爆后岩渣处理措施以及对附近建筑物的影响等方面都有所创新。杨朝辉﹝2﹞、杨建红﹝3﹞、冯立孝﹝4﹞、刘美山﹝5﹞、任焕强﹝6﹞等基于不同的工程背景，研究了岩塞爆破的具体实施技术；赵根等﹝7﹞研究了电子雷管起爆系统在岩塞爆破中的应用；李江等﹝8﹞研究了刘家峡岩塞爆破的水工模型试验技术。

受爆破器材和施工设备的限制，以往的水下岩塞爆破大多采用硐室爆破的方法，后逐渐发展为在岩塞体中部用集中药包、周边扩大部分用钻孔爆破。由于硐室爆破振动影响大，不确定性影响因素高，如今多数工程不允许或放弃采用硐室爆破的方式。相比之下，全排孔爆破有其独到的优点，在雷管延时精度逐渐提高以及钻孔施工质量明显进步的前提下，可以有效地控制单响药量，减少爆破对保留岩体以及近区建筑物的影响，安全性显著提高。然而，我国完全采用钻孔爆破仅用于岩塞直径小于6 m（印江岩口）的岩塞爆破，在大直径厚岩塞的条件下实施全排孔岩塞爆破尚未尝试和探索，未来采用全钻孔的岩塞爆破技术可能成为关注的重点。

岩塞爆破技术虽在不少工程中已得到成功应用，但已有文献大多涉及岩塞爆破施工工艺，鲜有对深水条件下的岩塞钻孔技术进行系统的阐述和总结。

2 岩塞钻孔爆破贯通成型机理

岩塞爆破成功的判别标准可分为：①爆后轮廓面质量满足设计要求，包括洞口形状、尺寸符合预定的设计要求，且洞壁光滑稳定、损伤小；②爆破块度、爆渣堆积满足设计预期；③周围环境安全，包括洞内结构、洞外结构及周围建筑物安全。

岩塞爆破贯通成型是岩塞爆破的核心，针对深水条件下的岩塞钻孔爆破，开展贯通成型机理的研究显得尤为重要，图1为深水条件下岩塞爆破力学环境示意图。

图1 深水条件下岩塞爆破力学环境示意图Fig.1 Schematic diagram of rock plug blasting under deep water condition

进水口岩塞采用钻孔爆破时，一般围绕岩塞的中轴线依次布置掏槽孔、崩落孔和周边孔。当掏槽孔起爆时，炮孔周围岩石在爆炸能量的作用下产生强烈的压剪与拉裂破坏，并向空孔和两端临空面区域移动并抛掷，形成圆柱形的临空面；崩落孔由内而外依次起爆，破碎的岩石向掏槽孔形成的临空面做径向运动，向两端临空面进行轴向抛掷；最后，周边孔形成平整轮廓面。与此同时，在岩塞体内外水压差的作用下，库区水体经岩塞口快速涌入，并将爆渣冲入集渣坑，至此，岩塞体消失，形成贯通的进水口。以上是岩塞爆破过程的定性描述，要顺利实现这一过程，掏槽爆破效果至关重要，如果掏槽效果不好，径向不能形成良好的临空面条件，崩落孔破碎的岩石只能向两端临空面进行轴向抛掷，可能造成岩塞体两端爆除而中部却出现残留的后果。

因此，需要研究岩塞爆破的掏槽效果及影响因素，进而提出改善岩塞爆破效果的解决方案。从表观层面看，岩塞爆破与常规的隧洞掘进开挖类似，通过合理地布置掏槽孔、崩落孔以及周边孔，实现开挖成型；但需要指出的是，常规隧道掘进一个循环的爆破进尺为3～5 m，而岩塞爆破的一次爆破成型厚度一般为10 m左右，有的甚至达15～18 m。在深孔条件下，沿炮孔轴线长度方向的岩体夹制作用可能对爆破效果产生决定性的影响。图2为基于动力有限元仿真的岩塞掏槽爆破损伤分布。

图2 岩塞掏槽爆破效果示意图Fig.2 Schematic diagram of blasting effect for rock plug

从图2中可以看出，两端掏槽爆破效果较好，而中部效果略差，这表明在岩塞厚度较大时，掏槽效果首先在岩塞体中部变差。如上所述，掏槽效果是岩塞爆破的关键所在，中部掏槽效果变差必然影响该区域的贯通效果。

图3为崩落孔与周边孔之间区域沿岩塞体轴线的损伤程度分布情况。岩塞两端的破碎程度较高，而在中部的损伤程度降低。为避免掏槽孔深度过大，出现炮孔中部掏槽效果不理想的情形，可设法减少掏槽孔的深度，于是预先开挖中导洞的爆破方案应运而生（见图4）。

中导洞的存在将显著改变岩塞的贯通效应，主要体现在以下两个方面。首先针对邻近中导洞部分的岩体而言，一方面很大程度解除了岩体的夹制作用；另一方面，由于中导洞的壁面为该区域岩体的破碎提供了临空面，爆炸应力波传播至临空面时反射产生拉应力波，可以加强岩体的破碎。其次，中导洞掏槽实际上减小了岩塞一次贯通的厚度。当一次贯通深度降低时，沿岩塞轴线方向的夹制作用将减弱。

基于常规的施工条件和施工设备，中导洞的直径一般在3～4 m，因此，需要确定中导洞的深度。图5给出了岩塞贯通效果评价指数与中导洞深度的对应关系。

图3 崩落孔与周边孔区域的损伤程度分布曲线Fig.3 Damage distribution of position between caving holes and contour holes

图4 带中导洞的岩塞钻孔爆破示意图Fig.4 Schematic diagram of rock plug with middle drift

图5 中导洞深度与爆破贯通效果评价指数的对应关系Fig.5 Relationship of blasting effect and the depth of middle drift

从图5中可以看出，随着中导洞掘进深度的增加，岩塞爆破效果评价指数增大，但增大趋势逐渐平缓。但在岩塞体中进行爆破开挖，形成中导洞，无疑会影响其稳定性。随着中导洞掘进深度的增加，岩塞体的安全系数降低，但岩塞贯通效果指数有增加的趋势，两个主要参考指标分别随中导洞的深度呈正相关和负相关的变化趋势，如果对两个参考指标进行限定，则可以得到合理的中导洞掘进深度。

3 深水条件岩塞爆破试验方法

3.1 岩塞爆破试验方法

岩塞爆破关系到整个工程的成败，且离正在运行的重要水工建筑物（大坝、中控室等）较近，因此，提出了较常规拆除爆破更高的技术要求：

（1）对爆破设计中遇到的技术问题均需开展试验，进行充分论证，做到技术措施的完善与落实；

（2）岩塞爆破必须一次爆通成型，满足过流断面和体型要求，同时使洞脸边坡保持整体稳定；

（3）在岩塞爆破轮廓成型的条件下，应尽量减小爆破对周边建筑物的有害影响。

为探明水下岩塞爆破在设计与施工中可能遇到的关键技术难题，大多采用原位试验方法，即在岩塞爆破工程附近选一个试验场地，进行一个与原型相同或规模稍小的岩塞爆破试验。如丰满水电站泄洪洞水下岩塞爆破，岩塞直径11 m，采用集中药室爆破方法，总药量为4 075 kg，进行了直径为6 m的水下岩塞爆破试验，总药量为828 kg。

在岩塞爆破工程附近，单独开展岩塞爆破试验，将导致工程量增大，同时爆破试验的次数有限，一旦试验失败，将严重影响下一步的工作。在长甸水电站改造工程的进水口岩塞爆破中，创新性地提出了结合引水隧洞开挖进行岩塞爆破试验的方法，取得了良好效果。该试验方法具有以下特点：结合隧洞开挖进行爆破试验，不需另外选址，基本不增加额外工程量和投资；可进行多参数组合的岩塞爆破方案优化试验，试验次数基本不受限制。

3.2 岩塞爆破试验内容

岩塞爆破试验的主要内容如图6所示，并以长甸岩塞爆破工程为例，介绍岩塞爆破试验各项内容的操作方法。

图6 岩塞爆破试验内容Fig.6 Experiment content of rock plug blasting

在爆破器材试验方面：将炸药、雷管放入压力罐中加压至0.55 MPa，7天后测试雷管的延时精度、可靠度，10天后开展炸药的爆速以及殉爆距离试验等。另外，在水库60 m水深处进行了雷管、导爆索、炸药等起爆性能试验。

在爆破参数试验方面：长甸岩塞爆破试验结合引水隧洞的正常开挖，设计了多组岩塞爆破参数试验方案，包括不同掏槽孔形式、周边孔光面与预裂爆破方式的选择以及中导洞设置与否等。最终确定了适合该区域岩性特征的炸药单耗、掏槽形式、周边孔爆破方式以及不同类型炮孔的装药结构等。

在施工工艺试验方面：开展钻孔放样、定位、监控等钻孔工艺试验；按设计装药结构怎样进行绑扎、防水处理，堵塞材料的选择与使用、雷管脚线的保护等均是需要解决的问题。因此开展岩塞爆破施工工艺试验，既熟悉了施工流程，又对可能出现的问题提出了解决方案，为实际岩塞爆破施工锻炼了队伍、提高了操作水平、提出了应急预案。

针对岩塞爆破的有害效应，每次岩塞爆破试验均进行爆破振动、冲击波监测，对爆堆形状以及爆破块度进行测量和分析，并采用声波法进行爆破后洞壁岩体影响深度的测试。

4 岩塞爆破有害效应控制技术

4.1 水击波效应控制技术

岩塞爆破产生的水击波影响分两个方面，一是岩塞体爆破向库区传播的水击波，可能对水库养殖区、大坝等产生一定的影响；二是向隧洞内传播的水击波，可能对闸门井等产生影响。采用毫秒延时起爆技术，可有效降低水击波的危害。如长甸岩塞爆破的瞬间，在岩塞口上方水域，出现内含多头“蘑菇”的鼓包（见图7），实测的水击波波形（见图8）也表明，由于采用了毫秒延时爆破技术，水击波分散成了多个小峰值。在隧洞内降低水击波危害最有效的方法，就是使岩塞体内表面与水体隔离，其间留有空气垫层，使岩塞爆破溢出的能量首先产生空气冲击波，再传输到水体产生水击波，这样可极大地降低水击波对隧洞结构、闸门等的破坏影响。

图7 岩塞爆破产生的鼓包Fig.7 The expansion of water during rock plug blasting

图8 实测水击波波形Fig.8 The waveform of water shock wave

4.2 爆破振动效应控制技术

在爆破振动效应控制方面，岩塞爆破可采用的措施与常规爆破类似，首先需进行爆破振动衰减规律测试，再基于保护对象的控制标准与爆心距，确定合理的爆破单段药量。爆破振动控制采用数码雷管起爆技术，严格控制每段雷管的起爆时间，确保不重段、不窜段，使爆破单段药量的控制得以严格实现。

4.3 爆破石渣与闸门井涌浪的控制技术

岩塞爆破的石渣处理分两种情况，一是石渣在水流作用下由隧洞泄出，如排沙洞岩塞爆破；二是将爆渣留在集渣坑内，避免爆渣对发电机组产生破坏影响，如发电引水洞进口岩塞爆破。集渣坑的形状、大小、集渣效果等需通过水工模型试验来确定。

从安全角度考虑，闸门井水体涌浪的高度不能超过闸门井预警高程（顶板），因此需要合理确定闸门井爆前的水位。已有的研究表明，闸门井涌浪高度与水库水位、闸门井水位存在一定的相关关系，且涉及复杂的水动力学运动过程，一般采用水工模型试验方法来综合确定。

5 岩塞爆破施工工艺

5.1 装药与联网

岩塞掌子面因炮孔渗水点多、库水温度低、作业空间局促，施工条件恶劣。装药施工关键问题在于采取有效的措施保证装药施工质量，尽量避免渗水对爆破材料的影响。装药可采用有一定柔性的PE管预先加工药包（筒）、单孔一次性安装到位的工艺。

由于岩塞掌子面环境恶劣，联网施工一定要按照爆破器材的特性做好细节工作。如数码电子雷管的连线接头不能置于水中（尽管爆破器材试验时，将接头置于水下60 m，也能正常起爆），因此需制定严格措施保障在集渣坑充水过程中所有数码电子雷管接头高于水面。起爆网路防护是爆破成败的一个重要环节，必须建立严格的联网制度，由经培训的爆破人员联网，并由主管技术工程师负责网路检查。

5.2 岩塞充水与补气实施

开始充水补气意味着施工作业进入不可逆的阶段。必须在岩塞体爆破装药及联网完成并检查无误后，才能开始充水。

为保证闸门井的水位达到一定的高程，同时确保岩塞体内的起爆网路不被水淹没，必须对气垫进行补气加压。

实施过程中，充水、补气系统需进行跟踪监测，集渣坑内水位可利用摄像头实时传递到现场爆破指挥中心，充水过程遇到临时堵头渗漏量较大的问题时需及时处理。

5.3 岩塞爆破效果监测方法

在靠近岩塞体隧洞侧壁上布置摄像头，对岩塞爆破瞬间、爆穿后的水石流等进行拍摄和跟踪。

通过空气冲击波和水击波压力传感器进行动态监测，范围为岩塞进水口至闸门井后临时堵头迎水面。

在锚固灌浆洞内、闸门井高程检修平台、临时堵头迎水面以及堵头下游等不同部位，布置爆破振动监测点。

同时对岩塞口及附近周边围岩进行变形监测，可将多点位移计布置在锚固灌浆洞，分别监测岩塞口上部围岩和集渣坑顶拱的变形。

6 工程应用实例

长甸水电站改建工程岩塞进水口系统由岩塞体、连接段和集渣坑等部分组成。长甸进水口岩塞中心轴线与水平夹角43°，岩塞段厚度12.5 m，岩塞外口直径14.6 m，塞底直径10 m，扩散角10°，岩塞厚径比1.25。岩塞与集渣坑之间设中心线长7 m的连接段，内径10 m。集渣坑段采用气垫式布置，该段下部为集渣坑，上部在爆破时为气垫室。

采用中导洞超前开挖的全排孔岩塞爆破方案；结合引水隧洞爆破开挖，分别对岩塞以及中导洞开挖的爆破参数进行了试验，并得到合理的爆破参数；同时对爆破器材进行选型及抗水抗压性能试验，确保其在55 m水头下能安全准爆。

2014年6月16日10：26发布起爆命令，按动起爆按钮，约1.5 s后，监测屏幕出现岩塞起爆图像，直至采集摄像头被爆破冲击波破坏和淹入水中。随后，库面观察组传来起爆后水面鼓包信息。10：30，确认岩塞爆破成功。闸门井启闭室开始进入恢复供电程序，相关各组进行安全检查，进入闸门井启闭室，查看岩塞爆破涌浪情况，闸门井水位上升至库水位，未发现涌浪进入闸门井启闭室底板（123.5 m）现象。启闭室恢复动力电源供给后，闸门缓慢下降，于12：20顺利关闭，说明爆渣未进入闸门槽附近。

根据爆后水击波、空气冲击波、爆破振动及进水口围岩的变形结果，所有测试指标均在合理安全范围以内，长甸水电站进水口岩塞爆破取得圆满成功。

7 结语

本文针对深水条件下的岩塞爆破关键技术，研究了岩塞爆破的贯通机理，并提出了中导洞全排孔岩塞爆破方案，创新性地提出了结合隧洞开挖的岩塞爆破试验方法，对岩塞爆破有害效应控制、爆破施工工艺等进行了研究。研究成果在长甸岩塞爆破工程中得到了成功应用。

（

）：

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Key technology and application of rock plug drilling blasting under deep water condition

ZHPO Cen，WU Xin-xia，ZHOU Xian-ping，LI Wei-chao，HU Ying-guo，WU Cong-qing
（Changjiang River Scientific Research Institute，CWRC，Wuhan 430010，China）

In order to realize the plug through，contour formation and controlling the adverse effects of blasting，the site experiment was implemented to test the rationality of the rock plug blasting parameters，the waterproof compression performance and the reliability of detonating network.The movement form of the blasting debris under different water pressure difference was investigated by using the hydraulic model test.Research results worked out the technical problems such as the contour formation and movement control of rock debris，which were used in the rock plug blasting of expansion project of Changdian hydropower station successfully.It also can provide a good reference for similar engineerings of rock plug blasting.

Rock plug blasting；Electronic delay detonators；Model test；Blasting response

O383

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.003

1006-7051（2016）05-0013-05

2016-03-25

国家青年自然科学基金资助项目（51609017，51309026）

赵根（1965-），男，博士，教授级高级工程师，从事工程爆破科研、设计与咨询工作。E-mail：wuh_zhaogen@126.com