硬梁包水电站地下厂房顶拱开挖光面爆破试验

杨玉银，郝利军，杨仕杰，李俊峰，白军平

(1.中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384；2.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

地下厂房是地下引水式发电系统最重要的建筑物之一，具有工程规模大、开挖跨度大、边墙支护高、建造难度高等特点。在主厂房的第一层开挖中，为了尽可能减少爆破对顶拱围岩的扰动，主要采用光面爆破技术。对于不同岩性、不同硬度、不同类别的围岩，周边孔间距、周边孔抵抗线、线装药密度等光面爆破参数也是不同的，合理的光面爆破参数必须通过爆破试验来确定。因此，在硬梁包水电站主厂房中导洞顶拱保护层扩挖的开始阶段，为了改进提高不尽人意的光爆效果，进行了一系列光面爆破试验。

1 工程概况

硬梁包水电站地下厂房位于四川省泸定县加郡乡桃子坪村，距泸定县城35 km。主副厂房及安装间长196.9 m，最大高度67.15 m，岩壁吊车梁以上开挖宽度为27.2 m，以下宽度为24.4 m。地下厂房最小垂直埋深约360 m，最小水平埋深约630 m，区域岩性为元古代晋宁-澄江期闪长岩，岩体蚀变不发育，较完整，地下水不丰富，围岩以Ⅲ类为主，经检测坚固系数f=5.6～6.3，以中硬岩为主。

主厂房第一层开挖高度10.5 m，开挖次序如图1所示。采用宽8.0 m、高7.0 m的城门洞形中导洞(Ⅰ部)先行贯通，顶部预留3.5 m厚顶拱保护层(Ⅱ部)；待中导洞贯通后，采用光面爆破开挖Ⅱ部，随后两侧跟进开挖Ⅲ1、Ⅲ2部至设计开挖断面，两侧宽度分别为9.6 m。

图1 主厂房第一层开挖次序Fig.1 Excavation sequence of the first layer of the main powerhouse

2 存在问题及改进思路

本文研究对象为顶拱预留3.5 m厚保护层(Ⅱ部)的开挖。截止2020年7月1日，中导洞(Ⅰ部)开挖已经结束；保护层(Ⅱ部)扩挖累计进尺22.3 m，开挖桩号：(厂横)0-054.90～(厂横)0-032.60。

2.1 方案及施工情况

从原爆破方案、现场钻孔、装药、联炮及爆后效果等方面进行了现场查验。

1)爆破方案。周边光爆孔孔深2.8 m、孔距45 cm、周边孔抵抗线35～40 cm、线装药密度80.36 g/m。

2)钻孔。从现场钻孔及爆后效果看，钻孔比较均匀，平均孔距45 cm左右，并且钻孔平行度较好，相邻两茬炮之间的台阶小于20 cm，能达到规范[1]要求。

3)装药。孔内采用竹片、导爆索绑扎光爆药串。孔底采用半只φ25 mm乳化炸药(75 g)，正常装药段采用1/3只φ25 mm乳化炸药(50 g)。

4)联炮方面。每个孔内光爆药串均采用MS10非电毫秒雷管起爆。

2.2 存在问题

从已经扩挖成形的22.3 m顶拱保护层(Ⅱ部)及随后的两茬炮来看，存在以下问题。

1)半孔率低。顶拱开挖半孔率仅50%～55%，低于规范[1]要求的较完整和完整性差的岩石半孔率不小于60%。

2)两孔间平整度差。相邻两孔间岩面平整度很差，多存在明显突起的欠挖，多处出现凸起较大部位，高出设计开挖线18～20 cm(见图2)。

3)半孔保留范围大。从保留下来的半孔看，存在很多大半孔，孔的保留范围多在120°以上(见图2)。

4)个别孔局部超挖。从孔壁情况看，局部半孔孔痕全无，存在明显超挖现象。

5)孔底出现残孔。从爆破效果看，每茬炮后多个周边孔孔底留有10～15 cm残孔。

2.3 原因分析

从以上爆破方案、现场施工情况及爆后效果看，光爆效果差的原因主要有以下几方面。

1)周边孔抵抗线偏小。由于岩石硬度不是很高，完整性、均质性一般，抵抗线35～40 cm偏小，将造成临近的外圈崩落孔起爆后直接压缩挤压光爆层[2]，压缩破碎圈甚至于抵达设计开挖线，这将造成周边孔的实际光爆层厚度过小，直接影响了周边光爆孔起爆后的初始主作用力方向，即由初始的周边孔间开裂变成直接沿抵抗线方向向洞内冲出。这既影响了半孔率，也影响了两孔间平整度。

2)周边孔线装药密度偏低。主厂房围岩属中硬岩，根据规范[1]线装药密度应在200～300 g/m；根据文献[3]线装药密度应在120～200 g/m。而原方案线装药密度仅80.36 g/m，明显偏低，过小的线装药密度导致周边光爆孔爆炸后，炸药起爆能量无法顺利击穿两孔间岩体，可能沿偏小的抵抗线方向冲出，这就造成了两孔间的欠挖和很差的平整度；同时也造成了光爆孔保留半孔的范围比较大，达120°以上。

3)周边光爆孔存在起爆时差。原方案中虽然周边光爆孔内采用了光爆药串，但每个孔起爆均采用了MS10非电毫秒雷管，延时时间是380±35 ms，从严格意义上讲，周边光爆孔并未实现同时起爆，两个孔间的最大起爆时差可能达到70 ms，这对光爆效果的影响也比较大，是造成光爆效果不好的一个重要原因。

4)光爆药串绑扎不规范。通过现场观察发现，在绑扎光爆药串时，每节炸药仅绑扎一圈胶布，很不牢固，这可能造成在向孔内推进过程中炸药松脱滑动，出现孔内有些该有炸药的部位没有炸药，有些部位炸药过于集中，从而出现个别孔局部超挖严重的现象。

5)药卷过短且绑扎工艺不细致。通过现场观察发现，正常装药段绑扎光爆药串的药卷由1只长25 cm、质量150 g的药卷手工切割成3节，每节长8.3 cm、质量50 g，在手工切割、绑扎过程中多挤压变形，可能对炸药的爆炸威力、能量造成一定损失，从而进一步降低线装药密度。

6)孔底加强装药偏小。从偶尔出现的孔底10～15 cm残孔看，原方案孔底采用半只φ25 mm乳化炸药(75 g)，加强装药偏小了。

2.4 改进思路

1)对钻爆工人进行培训教育。让钻爆工人了解光面爆破的设计方案，钻孔、装药、联炮要求及过程中应注意的要点。

2)适当提高周边孔抵抗线。对于中硬岩，周边孔间距45 cm是比较合理的；周边孔抵抗线35～40 cm对于完整性较好的坚硬岩也是可以的[4-6]，但对于较完整的中硬岩就偏小了，初步可将周边孔抵抗线增大到55～60 cm。

3)适当提高周边光爆孔线装药密度。可将线装药密度提高到100 g/m以上，具体应根据爆破试验[1]确定。

4)改变周边光爆孔联炮方式。不在孔内采用MS10非电毫秒雷管起爆光爆药串导爆索，在孔外统一采用导爆索联炮起爆孔内光爆药串导爆索，以实现周边光爆孔同时起爆。

5)规范光爆药串绑扎。教会钻爆工人按设计要求细致绑扎光爆药串，将竹片、导爆索、炸药用胶布绑扎牢固，防止向孔内装药过程中发生炸药松脱、移位现象。

6)增大正常装药段单节炸药质量。将正常装药段单节装药量由1/3只φ25 mm乳化炸药调整为半只，每节炸药长12.5 cm、质量75 g，并细致切割炸药、认真规范绑扎药串，防止药串绑扎过程中炸药严重变形。

7)适当增大孔底加强装药。初步可将孔底加强装药由原方案的半只φ25 mm乳化炸药(75 g)，增大到一只φ25 mm乳化炸药(150 g)，以保证孔底光爆层顺利脱落。

3 光面爆破试验

3.1 试验目的

1)通过中导洞顶拱保护层开挖光面爆破试验，解决当前光面爆破半孔率低、平整度差、个别孔超挖严重、孔底出现残孔的问题。

2)通过爆破试验找到与地下厂房围岩相匹配的光面爆破参数，为后续的整个厂房开挖提供可供参考的光爆参数。

3.2 爆破器材

1)炸药：主要选用四川省南部永生化工有限公司生产的2号岩石乳化炸药：崩落孔采用φ32 mm药卷、质量300 g、长33.34 cm；周边光爆孔采用φ25 mm药卷，质量150 g、长25 cm。

2)导爆索：主要选用雅化集团绵阳实业有限公司生产的中能工业导爆索(普通导爆索)[7]，外观橙色，直径5.0 ～5.4 mm，装药量12±1.5 g/m，爆速不小于6×103m/s。

3)雷管：崩落孔内及孔外网路联接主要选用MS1～MS9非电毫秒雷管；周边光爆孔内及孔外网路联接均采用导爆索，MS10非电毫秒雷管起爆；整个起爆网路采用8号普通工业电雷管。

3.3 试验条件

1)钻孔工具：选用最常用的YT28型手风钻钻孔，钻孔直径42 mm。

2)钻孔要求：顶拱周边光爆孔钻孔时，要求钻机排气口顶部紧贴顶部岩面向前推进，以减少平均径向超挖值。

3)钻孔质量：要求尽可能减小钻孔外偏角，提高钻孔平行度。

3.4 试验方案

根据对原爆破方案、钻爆施工过程、爆破效果等存在的问题进行分析，以及确定的改进思路，对中导洞顶部的3.5 m厚顶拱保护层开挖，初步拟定了4个光面爆破试验方案：具体试验方案及参数如表1所示，各试验方案装药结构如图3所示，顶拱保护层扩挖炮孔布置如图4所示。

表1 光面爆破试验方案

图3 光面爆破试验装药结构 图4 顶拱保护层扩挖炮孔布置Fig.3 Charging structures for the smooth blasting tests Fig.4 Blasthole arrangement for expanding excavation of the tunnel crown protection layer

3.5 试验结果及分析

3.5.1 试验结果

试验阶段主厂房顶拱保护层扩挖光爆效果情况如表2所示。表中光面爆破的半孔率是炮孔残留半孔数与周边孔数之比的百分数[1]。

表2 光面爆破试验结果

3.5.2 试验结果分析及说明

在主厂房中导洞顶拱保护层扩挖过程中，共进行了21茬炮的光面爆破试验(见图5)。方案1、方案2各试验了3茬炮，但光爆效果均不理想；于是开始了方案3的试验，方案3光爆效果比较理想，但循环进尺较短；接下来进行了方案4的试验，具体情况说明如下。

图5 光面爆破试验效果Fig.5 Smooth blasting testing effect

1)方案1：通过3茬炮的试验，发现光爆效果与原方案相比改进不大：两孔间平整度差，多处局部明显凸起；少量孔底仍有10～15 cm残孔；大部分半孔仍保留了图2所示大半孔(见图5a)。

2)方案2：在方案1的基础上，增大了线装药密度，由107.14 g/m直接提高到160.71 g/m，这一改变有效提高了岩面平整度，孔底不再有残孔，但半孔率明显降低(见图5b)。

3)方案3：在方案2的基础上，适当降低了线装药密度，由160.71 g/m降到133.93 g/m，这一变化取得了比较理想的光爆效果：半孔情况保留良好，半孔率提高到95.1%；相邻两孔间岩面平整度良好，孔底不再有残孔(见图5c)。

4)方案4：在方案3基础上，增大了单循环进尺，将单循环进尺由2.8 m提高到3.7 m，适当降低了线装药密度，由133.93 g/m降到121.62 g/m，这一变化仍然取得了良好的光爆效果，半孔率达95.4%，相邻两孔间岩面平整度良好，相邻两茬炮之间的台阶小于15 cm，满足规范[1]要求(见图5d)。

3.6 方案选择

根据以上试验结果及分析，方案3、方案4均为较合理的光面爆破参数，可作为后续厂房开挖光面爆破施工的主要参数。

4 结语

1)要想取得良好的光面爆破效果，首先要加强对钻爆工人的培训，使之了解光面爆破方案，同时对钻爆工人严格管理，保证钻孔、装药、联炮等作业工序严格按照爆破设计要求进行。

2)在光爆效果不理想时，应根据围岩硬度、完整性初步调整周边孔间距、周边孔抵抗线、线装药密度，并分析每茬炮光爆效果，及时调整参数。

3)通过本次光面爆破试验，有效提高了主厂房顶拱开挖的光面爆破半孔率，使厂房顶拱更加平整、规则，有效减小了爆破对顶拱围岩的扰动、破坏。

4)通过本次试验，初步确定了与主厂房围岩相适应的光面爆破参数：周边孔间距45 cm、周边孔抵抗线55～60 cm、线装药密度120～135 g/m。

5)通过爆破试验，为后续采用光面爆破施工的主厂房顶拱开挖、侧墙开挖以及岩锚梁开挖等初步奠定了基础。