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      特大型斷面洞室開挖應(yīng)用爆破研究

      2010-12-31 13:21:56劉峰春趙全超劉月明
      東北水利水電 2010年3期
      關(guān)鍵詞:中導洞梯段洞室

      劉峰春,趙全超,劉月明

      (中國水利水電第六工程局有限公司,遼寧 丹東 118002)

      1 工程概述

      金沙江溪洛渡水電站,是我國西電東送中線的骨干電源之一,是金沙江下游梯級開發(fā)的第三級水電站。溪洛渡電站是以發(fā)電為主,兼有防洪、擋沙和改善下游航運條件等巨大的綜合效益,具有不完全年調(diào)節(jié)能力的特大型水電站,是金沙江流域?qū)嵤拔麟姈|送”的第一期工程。

      溪洛渡水電站施工期,于壩址兩岸各布置了3條導流洞,自左向右,左岸為1~3號導流洞,右岸為4~6號導流洞,其中左、右岸各有2條與廠房尾水洞結(jié)合。另外,電站于左、右岸各設(shè)置1條獨立尾水洞,左岸為1號尾水洞,右岸為6號尾水洞。導流洞和尾水洞斷面型式均為城門洞型,導流洞開挖斷面為21.6m×23.6m,尾水洞開挖斷面為18.6m×23.6m,開挖斷面均超過了400m2,屬于特大型斷面洞室。

      2 特大斷面洞室開挖施工思路

      依據(jù)以往總結(jié)的施工經(jīng)驗,特大型斷面洞室開挖,需采用分層分部的開挖方法進行施工。以溪洛渡水電站左岸導流洞和左、右岸尾水洞為例,開挖共分成上層、中層、下層三層,上層又分成中導洞和左右兩側(cè)邊墻進行,按照自上而下,自內(nèi)而外的順序,依次進行施工。

      洞室上層為水平孔爆破開挖層,開挖高度一般控制在8.0~10.0m之間,從安全角度以及方便施工角度著想,中導洞開挖寬度又控制在9.0~11.0m之間,剩余左、右側(cè)墻再一次擴挖到位,洞室上層開挖,現(xiàn)多采用手風鉆配備鉆爆臺車,鉆設(shè)水平孔裝藥爆破。

      洞室下層為底板保護層,開挖高度一般控制在3.0m左右,主要為了防止中層開挖施工期間,大藥量爆破對洞室底板基巖的破壞,現(xiàn)多采用水平孔爆破法施工或小梯段淺孔爆破法施工。

      洞室中層為中間梯段層,即為洞室上層和下層中間的部位,開挖高度一般控制在10m以內(nèi),超過10m的易分成兩層進行開挖。為了加快施工進度保證施工質(zhì)量,現(xiàn)多采用兩側(cè)墻預裂,中間深孔梯段爆破的方法進行施工。

      3 分部施工順序

      特大型斷面洞室開挖,根據(jù)附屬施工支洞和道路的布置情況,以主洞和支洞的平交部位為節(jié)點,從平面上劃分成幾個區(qū)段進行施工,各區(qū)段之間的施工順序按工程總體的規(guī)劃情況,統(tǒng)一安排布署,同區(qū)段內(nèi)的洞室從斷面上劃分成幾個施工部位,各部位之間開挖施工順序為:洞室上層中導洞施工→洞室上層兩側(cè)墻擴挖施工→洞室中層開挖施工→洞室下層開挖施工。

      4 開挖爆破形式應(yīng)用

      當爆破在有臨空面的半無限介質(zhì)表面附近進行時,爆破后會形成一個如倒立圓錐狀的爆破漏斗,爆破漏斗的底面半徑r與藥包最小抵抗線W的比值為爆破作用指數(shù),用n表示,即n=r/W。工程中依據(jù)n值的大小對爆破進行分類:當n=1即r=W時,為標準拋擲爆破;當n>1即r>W(wǎng)時,為加強拋擲爆破;當0.75≤n<1時,為減弱拋擲爆破;當0.33≤n<0.75時,為松動爆破;當n<0.33時,為隱藏式爆破。

      而實際工程運用中,此爆破作用指數(shù)常直接反應(yīng)為炮孔間排距的比值,即炮孔間距a與炮孔排距b的比值a/b,用m表示,通常按m=n進行試算。

      根據(jù)以上劃分標準,特大型斷面洞室上層和下層的水平孔爆破法開挖施工中,所有的二臺孔、抬動孔、底板孔和上層中導洞的掏槽孔爆破均屬于加強拋擲爆破,所有的崩落孔、光爆孔爆破均屬于減弱拋擲爆破;中層梯段爆破法開挖施工中,所有梯段孔爆破屬于加強拋擲爆破,所有預裂孔爆破屬于隱藏式爆破。

      5 爆破設(shè)計參數(shù)研究

      (1)水平孔孔深的確定

      特大型斷面洞室的上層和下層,一般采用手風鉆鉆設(shè)水平孔裝藥爆破的方式進行開挖施工,其水平鉆孔孔深根據(jù)開挖圍巖類別情況及選用的鉆孔機械確定,圍巖條件好時循環(huán)進尺加大(孔深加大),圍巖條件差時循環(huán)進尺減小(孔深減?。?,并且為了減小堵塞長度占總孔深的比例,使鉆孔的利用率最大化,在圍巖條件允許,鉆孔機械可以達到的情況下,應(yīng)盡可能地加大孔深。

      (2)單位耗藥量的擬定

      炸藥單位耗藥量根據(jù)要開挖巖體的地質(zhì)條件確定,硬巖單位耗藥量大,軟巖單位耗藥量小,在工程施工之前,要詳查工程地質(zhì)資料,確定工程地質(zhì)巖性,根據(jù)以往類同工程經(jīng)驗,初步比選一個炸藥單耗,進行爆破試驗,從而確定一個合理的炸藥單耗。合適的炸藥單耗對爆破效果的好壞影響至關(guān)重要,選定的單耗過大,在炮孔間排距和孔深不變的情況下,則炮孔的單孔裝藥量增大,孔內(nèi)炸藥爆破后產(chǎn)生的爆破漏斗底面半徑比設(shè)想的擴大,爆破形式隨即發(fā)生質(zhì)的變化,松動爆破可能變?yōu)閽仈S爆破,造成工程事故,反之炸藥單耗選定過小,則會出現(xiàn)爆破缺力現(xiàn)象,達不到設(shè)想的爆破效果,影響工程施工質(zhì)量和施工進度。

      (3)炮孔間排距的確定

      炮孔間排距的確定影響因素較多,如根據(jù)巖石地質(zhì)條件選定的單位耗藥量,炮孔的裝藥利用率,擬定裝藥結(jié)構(gòu)的線裝藥密度,根據(jù)炮孔爆破作用類別確定的爆破作用指數(shù)以及開挖斷面的規(guī)格尺寸等。

      初擬炮孔間排距,按下式進行試算式中 l1—炮孔裝藥長度;l2—炮孔堵塞長度;(取l2=0.8b);L—炮孔孔深,L=l1+l2,根據(jù)圍巖類別情況和鉆孔機械擬定;q—單位耗藥量,根據(jù)爆破圍巖類別情況初擬定;ql—選用炸藥卷的連續(xù)線裝藥密度。

      a=mb,因此 式(1)又可改寫成:

      根據(jù) 式(2)試算出炮孔排距后,按a=mb求出相應(yīng)的炮孔間距。

      (4)炮孔布孔方式的選取

      炮孔的布孔方式主要分為兩種,一種為矩形布孔,一種為三角形布孔又叫梅花形布孔。在炸藥單位耗藥量和炮孔間排距一樣的情況下,兩種布孔方式爆破后產(chǎn)生的爆破效果截然不同,其爆破作用機理分析見圖1。

      圖1 爆破作用機理分析圖

      由圖1對比可以看出,當采用矩形布孔形式進行爆破施工時,前排相臨2個炮孔爆破產(chǎn)生的爆破漏斗中間,產(chǎn)生一塊爆破死角區(qū)域B區(qū),第二排的炮孔爆破時,其最小低抗線值等于兩排炮孔的排距,即W=B,所以,進行第二排炮孔爆破時,對前排爆破死角區(qū)域B區(qū)的爆破修整力度有限,同時產(chǎn)生爆破交集區(qū)域C區(qū),致使B區(qū)極易產(chǎn)生大塊的孤石,爆破后渣堆的石渣粒徑不均一,不易開采生成塊度相差較小的有用石料,且不利于進行裝載出渣;采用梅花形布孔爆破時,在間排距和炸藥單耗不變的情況下,第一排的爆破效果和采用矩形布孔時效果一樣,關(guān)鍵在于第二排炮孔爆破時作用效果發(fā)生變化,受前排炮孔爆破時中間產(chǎn)生的爆破死角B區(qū)影響,后排最小低抗線值變?yōu)閮膳排诳椎目组g凈值,即W>B,最小低抗線值發(fā)生變化致使爆破作用半徑擴大,且爆破漏斗底半徑減小,對前排爆破產(chǎn)生的爆破死角區(qū)域B區(qū)進行二次爆破修整,同時使兩相臨炮孔的爆破交集隨之減小,使爆破后整體爆堆的石渣粒徑比較均勻,便于開采生成塊度均一的有用石料,且更便于裝載出渣施工。

      6 洞室分層開挖及爆破設(shè)計

      特大型斷面洞室開挖,按照擬定的施工方案,分區(qū)段分部位有序進行組織施工,以溪洛渡水電站左岸1號尾水洞為例,對特大型斷面洞室的分部開挖方案和爆破設(shè)計進行介紹。溪洛渡水電站左岸1號尾水洞,最大開挖斷面為18.6m×23.6m,總共分成上、中、下三層,上層層高9.0m,頂拱為半徑R=11.175m的圓弧,中導洞寬10.0m,兩側(cè)墻各寬4.3m;中層層高9.3m,為18.6m×9.3m矩形;下層層高5.3m,兩底角為半徑R=4.3m的圓弧,爆破分區(qū)如圖2所示。

      圖2 開挖斷面炮孔分布圖

      6.1 上層和下層水平孔爆破開挖

      以人工持YT-28型手風鉆,在鉆爆臺車上鉆孔,上層中導洞首先采用大角度楔形掏槽,然后崩落孔毫秒微差分段跟進爆破,擴槽至設(shè)計斷面;兩側(cè)擴挖施工利用中導洞形成的臨空面,直接鉆設(shè)崩落孔爆破擴挖至設(shè)計邊線;下層開挖施工利用中層開挖形成的上部臨空面,直接抬動爆破開挖至設(shè)計底板,為了保證設(shè)計邊線處的施工質(zhì)量和設(shè)計面平整度,洞室設(shè)計邊線處均采用光面爆破施工。上層中導洞開挖,設(shè)計每循環(huán)進尺3.0m,實際平均每循環(huán)進尺2.7m;上層兩側(cè)邊墻擴挖和洞室下層開挖,設(shè)計每循環(huán)進尺3.0m,實際平均每循環(huán)進尺2.8m。

      (1)水平孔爆破設(shè)計

      根據(jù)爆破作用類別不同,炮孔分掏槽孔、崩落孔、周邊孔、二臺孔(抬動孔)及底板孔等。鉆孔直徑均為φ42mm,上層中導洞掏槽孔炮孔設(shè)計參數(shù)如表1中所示;上層擴槽崩落孔取間距a=0.9m等間距布置,所有周邊孔的孔距以10d~14d控制,最小抵抗線與孔距之比均按W/a≈1.2控制;所有二臺孔及底板孔取間距在1.2~1.0m之間等間距布孔,最小抵抗線與孔距之比按W/a≈0.8控制。炮孔裝藥選用RJ2號巖石高威力乳化炸藥,除周邊孔選用導爆索作為連線,綁扎φ22mm藥卷間隔裝藥外,其余炮孔均采用φ32mm藥卷連續(xù)裝藥,孔口堵塞長度均以不小于0.8倍抵抗線控制。

      各類炮孔之間采用非電毫秒導爆管串并連成爆破網(wǎng)絡(luò),導火索引爆火雷管后傳爆爆破網(wǎng)絡(luò),毫秒微差分段起爆,起爆順序為:掏槽孔→崩落孔→二臺孔(抬動孔)→周邊孔→底板孔的順序。

      洞室上層和下層各部位炮孔分區(qū)布置如圖3所示,上層中導洞大角度楔形掏槽孔布置如圖4。

      圖3 掏槽孔布置平面示意圖

      (2)爆破設(shè)計參數(shù)

      特大斷面洞室上層和下層各類炮孔爆破設(shè)計

      圖4 掏槽孔布置剖面示意圖

      參數(shù)如表1所示。

      表1 洞室上層和下層水平孔爆破設(shè)計參數(shù)表

      6.2 中層爆破開挖

      洞室中層開挖,采用梯段爆破法進行施工,采用YQ-100B輕型風動潛孔鉆鉆設(shè)豎直孔裝藥爆破。為了保證設(shè)計開挖面的光整度,及減小爆破對洞室圍巖的擾動,首先在中層兩側(cè)邊墻設(shè)計邊線處進行預裂爆破,然后再進行中間梯段爆破。中層開挖施工以10m為一段,循環(huán)進行,后序循環(huán)爆破利用前一循環(huán)形成的臨空面,進行水平方向拋擲爆破。

      (1)爆破設(shè)計

      尾水洞中層開挖,在兩側(cè)墻設(shè)計邊線處布置預裂孔,孔距0.8m,孔徑為φ90mm,裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥,中間用φ32mm藥卷間隔裝藥,底部用2~3支φ32藥卷綁到一起2~3倍加強間隔裝藥,各個炮孔之間采用導爆索串聯(lián)成整體,連接到主爆破網(wǎng)絡(luò)上。

      梯段爆破每次起爆長度為10m,炮孔按矩型或是梅花形布孔,排距2.0m,每排兩側(cè)炮孔至設(shè)計邊線距離不小于1.2m,中間等間距布置6~7個炮孔,炮孔間距在2.4m左右,鉆孔直徑為φ90mm。炮孔裝藥采用RJ2號巖石高威力乳化炸藥,φ60藥卷柱狀裝藥,爆破采用塑料導爆管串并聯(lián)形成爆破網(wǎng)絡(luò),然后與兩側(cè)墻預裂爆破網(wǎng)絡(luò)連接,采用導火索引爆火雷管后傳爆,控制最大單響藥量在100kg以內(nèi)。

      (2)爆破設(shè)計參數(shù)

      特大斷面洞室中層各類炮孔爆破設(shè)計參數(shù)如表2,表3所示。

      表2 裂爆破鉆爆設(shè)計參數(shù)表

      表3 梯段爆破設(shè)計參數(shù)表

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