预留岩坎水下爆破技术在低涵进口施工中的应用

蒋厚良 张 环 谢 灿

(湖南宏禹工程集团有限公司，湖南 长沙 410007)

目前，我国大部分大中型水利病险工程均需进行除险加固借鉴其他水库深水下取水口岩坎成功的爆破经验，结合金陵水库的地质条件，要在库水位无法降低至低涵隧洞底板高程的条件下进行开挖，需预留岩坎代替临时围堰挡水。当岩坎后段隧洞贯通后，再通过水下爆破技术将岩坎爆破拆除。文章以金陵水库低涵进口预留岩坎为例，全面介绍有水条件下的水下爆破技术。

1 工程概况

1.1 工程概况

金陵水库总库容4820万m3，坝长196m，坝顶高程367.00m，正常蓄水位359.15m，本次除险加固工程在主坝左岸山体中新建低涵隧洞，隧洞总长158.8m，0+042.15处布置启闭机竖井，进口底板开挖高程337.91m，顶部开挖高程为340.71m，衬砌厚度为0.4m，为矩形进口隧洞；考虑城镇供水需求，库水位最低可降至342.00m，且保持时间最长不得超过1个月，水位距底板有4.09m高差。

1.2 工程地质

隧洞洞身地层为泥盆系中统跳马涧组(D2t2)砂岩、石英砂岩、泥质砂岩、砂岩与页岩互层，石英砂岩多铁质胶结，预留岩坎处岩石弱风化。

洞身部位地质构造比较简单，未发现大的断裂构造和节理密集带，岩层产状变化较小，单斜，倾向下游偏右岸，产状为115°～125°∠10°～35°。表部强风化岩体厚4～8m，强风化岩体内裂隙较发育，稳定条件较差，弱风化及微风化岩体完整性较好；弱—微风化岩体为弱透水性，为相对隔水层，水头低于10m时，库水不会渗入岩坎后的隧洞内，能确保隧洞的开挖安全。进口边坡为反向坡，边坡稳定。

2 工程设计

新建低涵输水隧洞须满足供水要求，底板设置低，按常规法施工，设置围堰挡水，工程量很大，相应投资很大，且城镇供水问题也难以解决，不切合实际。本次设计采取新建低涵输水隧洞从出口开始并利用丰水季节开工，即从每年的开工准备期9月份开始，单向开挖，当开挖至隧洞竖井交接处时停止开挖，进行竖井下部闸室施工，待竖井闸室完成后，再往前开挖至集石坑，按逐渐上升坡度开挖至隧洞“进口”，利用隧洞进口处预留岩坎挡水，进行低涵输水隧洞钢筋混凝土进口部分衬砌，待新建低涵输水隧洞接近库内边坡时，由专门爆破公司对前部挡水岩坎进行爆破开通。

本次施工总体方案基本按照设计方案，利用岩坎作为挡水围堰，主要差异在于开挖至竖井时，完成衬砌及钢衬，待水位下降后，再进行进口段施工。

3 隧洞掘进

在库水位为353.00m时，低涵隧洞从出口段向进水口段掘进，同时下掘低涵启闭机竖井。开挖到0+042.15位置与竖井贯通，贯通后边探水边往进水口方向施工，开挖至0+018位置后对隧洞已开挖段及竖井永久衬砌，同时完成压力钢管与水电站段衔接。

4 岩坎围堰

当库水位在350.00m时，发现进口位置有一宽10m平台，随着库水位下降，同步修筑低涵进口下库道路，待库水位为342.00m时，在低涵进口修筑一个6m×8m施工平台，平台高程342.50m。施工平台剖面见图1。

图1 施工平台剖面图 (单位：m)

因本低涵隧洞进口山体基本趋于垂直，考虑安全性，岩坎顶部宽度3.0m，按1∶1向出口方向放坡，以斜井方式进洞。岩坎剖面见图2。

图2 岩坎剖面图 (单位：m)

5 平洞洞挖及衬砌

待斜井进洞后，采用控制爆破方式对进口18m进行爆破开挖，并在岩坎后修筑深1.5m集石坎，利用爬渣机配合反铲进行出渣，最后按设计要求进行钢筋混凝土衬砌。

6 岩坎水下爆破

6.1 岩坎剥离

先进行岩坎背水坡爆破剥离，减少预留岩坎的厚度至2m，并将1∶1后坡削成1∶0.3，再进行剩余的水下拆除爆破施工。岩坎剥离剖面见图3。

图3 岩坎剥离剖面图 (单位：m)

6.2 爆破方式选择

为确保一次性爆破拆除成功，采取下列爆破技术措施：

a.爆破应在进口拦污栅安装完成具备工作条件下进行。

b.通过控制钻孔方向和装药量，采取高单耗，进行高强度、定向抛掷的爆破方法，将石渣抛向库区内，以减少石渣进入隧洞。

c.通过控制钻孔间距和单位装药量，结合隧洞爆破经验，爆破后控制最大粒径在30cm以下，以方便水下石渣清理。

d.利用竖井工作闸门，下闸后将岩坎后冲满水与库水位齐平，确保爆破后基本处于静水状态，尽量减少爆渣随水流进入隧洞。

e.岩坎两端与山体连接及底部采用光面爆破。

6.3 火工材料单耗的确定

水下基岩爆破的炸药单耗，对坚硬的岩石需取1.0～1.4kg/m3。通常水下岩塞钻孔爆破的炸药单耗可取1.0～1.8kg/m3，而按公式q=0.45+(0.05～0.15)H[3]计算(q为炸药单耗，H为岩坎基岩水下深度)，岩坎基岩水下深度在3～4m时，q宜取0.8～1.0kg/m3。参考低涵隧洞开挖经验，为使岩坎基岩爆渣粒径控制在30cm以下，以及爆渣向上游斜上方抛掷的需要，对岩坎爆破炸药单耗取1.2kg/m3。

6.4 钻孔参数的选择

6.4.1 钻孔方向的确定

由于岩坎垂直高度仅4.19m，斜长为4.38m，高度相对较小，考虑石渣需抛向库区，在岩坎背水坡上采用手风钻钻孔，方向垂直1∶0.3背水坡，孔径42mm。

6.4.2 钻孔排间距的确定

结合低涵隧洞开挖情况，考虑爆破效果，确定钻孔排间距如下：

a.岩坎围堰高度为4.19m，考虑分四排布置钻孔，排距采用1.0m。

b.岩坎宽度为6.0m，上部三排孔间距采用1.0m，最下一排孔间距0.5m。

c.两侧与山体交接处，孔间距加密为0.5m。

7 岩坎石渣清理

爆破后大部分石渣抛向库区内，为防止石渣未抛出，对低涵进口采用反铲挖出，运输至弃渣场，小石渣进入岩坎后方集石坑内。

8 结 论

由于预留岩坎岩石呈弱风化，地质构造比较简单，未发现大的断裂构造和节理密集带，透水性弱，且岩坎前基本呈陡坎状；在岩坎爆破后，大部分石渣抛向库内，未发现较大粒径状，经量测，底板达到了设计高程，且两侧边坡平顺而稳定，通水状况达到预期效果；对比围堰施工，节约了资金，缩短了工期，同时开挖量小，对生态环境影响较小。

本项目利用现有山体，预留岩坎作为临时围堰，在隧洞完工后，通过水下爆破方式对岩坎围堰进行爆破拆除，克服了库水位无法降低至低涵隧洞底板高程进行开挖的难题，解决了供水与降低库水位之间的矛盾，即保障了供水的民生要求，又使工程顺利完成，对类似工程有很好的借鉴作用。