辉长岩基坑开挖复合消能爆破技术

赵银超

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

水利水电工程大坝坝基具有开挖工程量大、质量要求高的特点。经国内外长期工程实践后，目前常用的建基面开挖方法为保护层分层爆破开挖、水平预裂爆破开挖、水平光面爆破开挖、垂直孔柔性垫层微差爆破开挖[1-3]。但这些开挖方法均存在工序复杂、速度慢、效率低、成本高、管理协调难度大的缺点，如何在保证建基面开挖质量的前提下尽可能提高施工速度和效率成为了目前水利水电工程建设中亟需破解的难题。白鹤滩水电站坝基开挖过程中，卢文波[4-5]、严鹏[6-7]等学者研发了用于竖直炮孔的聚-消能复合垫层并进行了首次应用研究，后该技术成功推广应用于舟山绿色石化基地、深圳赤湾地铁项目、南公1水电站等工程。工程应用中相关研究人员对复合消能结构以及爆破参数的组合进行了多种尝试，并取得了相关研究成果。但由于不同工程的坝基地质条件不同，目前国内还没有在辉长岩建基面开挖中的研究案例。论文结合TB水电站工程坝基辉长岩地质特性，决定采用复合消能爆破技术。复合消能爆破是安装一种特殊的复合消能结构，通过特定型式的消能结构诱导爆炸冲击波能量往装药段岩体聚集，实现相邻孔间岩体的充分破碎，从而达到节省爆破成本和提高工作效率的目的。在国内已有研究成果的基础上，对复合消能爆破技术开展了现场试验及进一步的应用研究。

1 工程概况

云南TB水电站位于云南省迪庆州维西县中路乡境内，挡水建筑物采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 740.00 m，坝顶长477.00 m，最大坝高158.00 m。

TB水电站大坝河床坝段坝基高程分别为1 582、1 590 m，其中9～10号坝段坝基高程为1 590 m，11～15号坝段坝基高程为1 582 m，坝基全长134.60 m，总宽133.6 m。

坝址区出露地层为第四系(Q)覆盖层和印支期基性侵入体吉岔辉长岩(V51)及二叠系上统下段(P2a)，以吉岔辉长岩(V51)的分布范围较广。吉岔辉长岩(V51)呈灰绿、暗绿色，局部呈灰白色，细粒-中粒状，碎裂、碎粒、粒状它形-半自形粒状结构，块状构造。区内辉长岩沿澜沧江出露宽度约为3.0 km，西侧与二叠系上统下段(P2a)呈侵入接触，边界多呈波状；东侧与侏罗系中统(J2h2)地层呈断层接触。分布于坝址两岸及河床地带。坝址基岩岩性单一，均为辉长岩，其弱风化岩石饱和抗压强度平均值为69.7 MPa，微风化至新鲜岩石饱和抗压强度平均值为71.4 MPa，属坚硬岩。第四系(Q)按成因类型分为残坡积物、崩坡积物、地滑堆积物、崩积物、冲洪积物。区内崩坡积物分布较广，由块石、碎石及粉质粘土组成，厚度一般为5～25 m，主要分布在坝址两岸的缓坡地带。

2 复合消能现场试验

复合消能爆破应用前，需先选取岩性与建基面类似的非结构面或结构重要性较低的开挖面开展爆破试验，研究最有利于实现开挖快速成型并达到开挖要求和效果的爆破参数。需要确定的主要参数为：复合消能爆破层梯段高度、炮孔间排距、炸药单耗、超钻深度、复合消能结构等。

2.1 试验规划

试验区选择原则是根据临空面的岩石出露情况，选择无明显薄弱夹层或破碎带、岩体结构较为完整、原生及次生构造尽可能少的区域。TB水电站所在区域满足上述条件，故试验选择在TB水电站现场进行。

TB水电站河床坝段坝基高程为1 582、1 590 m，从设计单位提供的地质勘探数据分析，右岸坝段坝基开挖至1 600 m高程以下时，基岩基本已经整体出露，且岩性与建基面岩性较为接近，故决定在右岸1 600～1 596 m高程间设置1个爆破层，并将开挖面分为4个区块。各区块分别按照1.5 m×2.0 m、2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m进行布孔，调整单孔装药量，控制各试验块爆破单耗基本一致(为前期总结的在本工程条件下较为适宜的爆破单耗值)，并通过分段联网，保证爆破最大单响符合设计技术要求且数值接近。通过对比试验，确定出最适宜的爆破参数。规划试验区分区参数表如表1所示。

表1 规划试验区分区参数表

根据现场实际地形、地质情况和复合消能爆破试验的目的，对于不同的试验区，分别采取不同的钻孔间排距和装药结构(连续装药和间隔装药)，以控制爆破单耗基本位置一致。详细参数如表2所示。

表2 试验孔爆破参数表

2.2 试验施工流程

爆破试验施工流程为：爆破设计→技术交底→测量放样→钻机就位→造孔→验孔检查→铺设柔性垫层→安装复合消能结构→装药联网→爆破(振动数据采集)→场地清理→爆效检查(平整度检测、爆破振动测试、爆破损伤程度检测)。

2.3 试验结果

通过平整度检测、爆破振动测试、爆破损伤程度检测的数据分析，得出如下成果：

1)平整度上，试验Ⅰ区(3.0 m×3.0 m)在平整度不佳，超欠挖较严重，试验区2、3、4的在平整度检查时效果佳，在建基面的允许超欠挖量内且数值相近；

2)爆破质点振动速度测试中，试验区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的测量值均满足设计要求(<10 cm/s)；

3)爆破损伤程度检测中，试验区Ⅰ爆破损伤衰减率6.28%≤10%，损伤最低，试验Ⅱ区(2.5 m×2.5 m)爆破损伤衰减率6.4%≤10%，试验Ⅲ区(2.0 m×2.0 m)爆破损伤衰减率7.19%≤10%，试验Ⅳ区(1.5 m×2.0 m)爆破损伤衰减率8.98%≤10%，各试验区爆破损伤衰减率均满足设计要求但试验区Ⅳ区(1.5 m×2.0 m)爆破损伤衰减率接近临界值，难以控制，因此不予选取。

根据以上成果数据分析，结合爆后效果、爆破损伤、施工进度、成本等因素，试验区Ⅱ、Ⅲ的爆破参数都满足要求。因此建议在基坑建基面大面积开挖时，爆破参数按表3选用。

表3 建基面复合消能爆破参数

3 TB水电站建基面开挖复合消能爆破

3.1 复合消能爆破参数

TB水电站河床坝段坝基高程为1 582、1 590 m，其中右岸9～10号坝段建基面高程1 590 m，左岸11～15号坝段建基面高程1 582 m，10号坝段与11号坝段之间存在一道坡比1∶1，根据复合消能爆破试验成果，结合现场实际开挖情况，并咨询了白鹤滩水电站复合消能爆破专家意见，综合考虑后，确定左岸11～15号坝段预留保护层厚度5 m，即开挖高程1 587～1 582 m，右岸9～10号坝段预留保护层厚度6 m，即开挖高程1 596～1 590 m。采用复合消能爆破，分块一次性开挖完成。11～15号坝段保护层因无临空面，故在13～14号坝段之间先开挖一道先锋槽，槽深4.8 m，槽底高程1 582.20 m，底宽8 m，顶宽10 m。最终确定的建基面复合消能爆破保护层开挖分块图如图1所示。考虑右岸9～10号坝段保护层厚度更厚，选用2 m×2 m间排距布孔，左岸11～15号坝段选用2.5 m×2.5 m间排距布孔，其余爆破参数、消能结构均与爆破试验参数一致。

图1 建基面复合消能爆破保护层开挖分块图

3.2 复合消能爆破质量控制要点

1)现场钻孔。在钻孔前，由测量队利用施工测量控制网，按照爆破设计图进行现场测量放样，并根据实际开孔面高程确定钻孔孔深，控制孔位的间排距误差满足设计技术要求。钻孔前将放样点周围清理干净，在钻机就位后，严格按照放样的参数(孔径、间距、孔深、角度)进行钻孔，爆破钻孔直径为φ115 mm。在造孔过程中，重点控制钻杆角度，必须垂直钻孔，采用吊锤线或测量角度仪进行测量校正，以保证孔深便于测量精度。钻孔时开孔点与孔位标识误差不大于5 cm。孔深不允许欠钻，超深不大于0.15 m。当孔深达到设计孔深后，应尽可能进行多次冲洗，确保孔壁无泥渣，以便在放置消能钢球时不受阻。已完成的钻孔，孔位的岩粉和积水予以清除，孔口应加以保护；因堵塞无法装药的钻孔，予以扫孔或重新钻孔。

2)铺设柔性垫层。根据记录的放样数据和验孔数据，确定复合消能结构的安装高程(确保在同一高程面)，并相应计算各个爆破孔实际需要铺设的缓冲层厚度。缓冲层材料可以使用人工砂、河砂或钻孔岩屑，采用与孔径相同的容器盛放缓冲层材料倒入孔内以便于厚度控制。

3)安装复合消能钢球。本工程爆破钻孔直径为φ115 mm，选用的消能钢球为φ100 mm，消能钢球要求在柔性垫层上放置，同时需要保证复合消能结构的中心在建基面高程。

4)装药联网和起爆。各造孔验收合格和安装复合消能结构完成后，按照爆破设计进行装药和联网，爆破网路采用毫秒微差起爆系统，网路总起爆采用电子雷管。联网时采用根据最大单响要求控制联网分段(见图2)，本工程按照设计技术要求，控制最大单响药量不超过50 kg。

图2 爆破网路联网分段图

3.3 复合消能爆破效果

爆破基础面清理后，按坝段进行了爆破建基面平整度以及预留岩体爆破损伤深度(声波衰减)的爆破效果检测。

1)平整度检测。由表4的检测数据分析，建基开挖面起伏差较小，能满足设计不大于15 cm的要求。

表4 9～15号坝段平整度检测成果表

2)爆破损伤程度检测。大坝建基面以Ⅲ1类及以上岩体为主，Ⅲ1类岩体孔深1.0～15.0 m声波平均波速不小于4 400 m/s、孔深0～1.0 m声波平均波速不小于3 900 m/s。通过对爆前、爆后波速变化率及变化率的范围大小，判断分析爆破对预裂坡面保留岩石的影响深度和影响程度。检测成果如表5所示。结果表明，平均波速满足设计要求，建基面声波衰减率满足设计要求(≤10%)。

表5 建基面岩体爆破影响声波测试成果表

TB水电站建基面的开挖总开挖量约17.61万m3，主爆孔总钻孔量约34 580 m，实际累计耗时16 d(含先锋槽开挖)，相比水平预裂爆破节约工期19 d。综合分析可得：复合消能爆破开挖速度为水平预裂爆破的2倍以上，具有明显的施工进度优势，能极大缩短基坑开挖的施工工期，为实现大坝基础垫层混凝土如期浇筑提供有利条件。

3.4 辉长岩复合消能爆破分析

由表2分析可知辉长岩的爆破中，试验孔的孔距和排距等参数对爆后效果的影响极大，其中孔距和排距在2.0～2.5 m之间，单耗在0.72～0.75 kg/m3之间效果最好。

分析表5中的数据，在建基面0.00～1.00 m以内，辉长岩的爆前波速在4 260～4 940 m/s内变化，而爆后波速在4 020～4 452 m/s内变化。在声波速度>4 100 m/s下，岩体呈块状或次块状结构，结构面轻微发育-中等发育，延展性差，多闭合，岩体呈微风化-新鲜状态。岩体力学特性各方向的差异不显著[8]。可知辉长岩在复合消能爆破后波速变化范围小，且平均波速满足设计要求。

4 结 语

1)辉长岩硬度比一般岩石更硬、强度更高，钻孔过程中对钻头磨损更大；且辉长岩较脆，爆破质量更难控制。

2)复合消能爆破技术的关键点在于垂直炮孔底部布置的复合消能结构，其由球形消能垫块和柔性垫层组成。通过球形消能垫块上、下表面反射应力波、柔性垫层变形缓冲以及球形消能垫块自身的变形破坏过程，消耗爆轰能量，减小爆破对垂直孔孔底的影响。

3)采用复合消能爆破技术，能有效控制孔底损伤即基岩内部的振动，有利于保护建基面岩体，且可获得与水平光爆或水平预裂爆破相当的建基面开挖成型效果。

4)采用垂直孔复合消能爆破技术进行TB水电站建基面的开挖，开挖速度为水平预裂爆破的2倍以上。复合消能爆破技术加快了开挖施工进度，直接和间接经济效益明显。