大型地下水封石洞油庫工程洞室群中下層開挖爆破方案試驗(yàn)研究

周 永 力， 趙 曉， 孫 海 江， 李 鵬

(1．中國人民武裝警察部隊(duì)水電第七支隊(duì)，湖北武漢 430223;2．中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，四川成都 610036;3．長江科學(xué)院，湖北武漢 430010)

1 概述

某大型地下水封石洞油庫工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成，主洞室群洞室之間由連接巷道連通，其跨度為20m、高度為30m，為直邊墻圓拱洞，長度在475～777m之間。洞室群頂部25m處設(shè)水幕系統(tǒng)，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個洞庫上方。該工程巖石以較完整的花崗片麻巖為主，巖體呈塊狀、層狀結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較好，巖體等級以Ⅱ、Ⅲ類為主。

主洞室群中下層開挖爆破具有施工環(huán)境十分復(fù)雜(多洞室平行施工及水幕注水條件施工等)、成型效果要求高、爆破振動及損傷控制嚴(yán)格等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，輪廓面若采用預(yù)裂爆破成型，可較好地控制主爆孔對保留巖體的損傷及爆破振動影響，但其本身對洞室圍巖的損傷影響及預(yù)裂爆破在水封條件下成縫的難易程度等問題都有待進(jìn)一步研究。輪廓面若采用光面爆破成型，則主爆孔爆破對保留巖體及高邊墻的振動響應(yīng)和累積損傷較難控制。因此，在洞室群中下層爆破開挖前期，主要進(jìn)行了“深孔臺階+預(yù)裂爆破”和“水平淺孔+光面爆破”試驗(yàn)，同時結(jié)合施工進(jìn)行了“深孔臺階+光面爆破”試驗(yàn)，以驗(yàn)證在主爆區(qū)采用深孔臺階爆破開挖條件下兩種輪廓控制爆破方案對洞室群中下層開挖的適用性。

2 中下層開挖爆破方案試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)條件。

爆破開挖試驗(yàn)段方案、部位及圍巖條件見表1。

表1 爆破試驗(yàn)段方案、部位及圍巖條件統(tǒng)計(jì)表

(2)試驗(yàn)參數(shù)。

對于深孔臺階+預(yù)裂爆破方案，主爆孔孔徑為90mm，孔距為2．5 ～3m;排距為2 ～2．5m，預(yù)裂孔孔徑76mm，孔距0．7m。爆破采用孔間微差起爆，高段雷管入孔、孔外低段雷管接力分段起爆。

對于水平淺孔+光面爆破方案，主爆孔孔徑為42mm，孔距為1 ～1．5m，排距為1．4 ～1．5m，光爆孔孔徑為42mm，孔距為0．5m。采用孔間微差起爆網(wǎng)路。

對于深孔臺階+光面爆破方案，爆破參數(shù)與預(yù)裂爆破相近，主要是起爆網(wǎng)絡(luò)有所差異。

(3)爆破成型效果。

圖1為不同爆破方案條件下爆破后輪廓面成型效果。

根據(jù)爆破后的觀察和測量得知，三種爆破方案的輪廓面成型效果較好，半孔率均大于80%，部分試驗(yàn)半孔率達(dá)90%以上，3m直尺檢查平整度小于15cm。相比之下，主洞室深孔臺階+光面爆破(或深孔臺階+預(yù)裂爆破)方案的半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔+光面爆破效果。根據(jù)施工現(xiàn)場試驗(yàn)情況得知，三種爆破方案的爆破成型效果均能滿足開挖施工技術(shù)要求。

圖1 典型爆破試驗(yàn)輪廓面成型效果圖

3 不同爆破方案下洞室群開挖爆破振動特性分析

3．1 爆破振動測試成果分析

爆破試驗(yàn)過程中典型爆破振動波形圖及其頻譜圖見圖2～4。

圖2 深孔臺階+預(yù)裂爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動波形圖

圖3 水平淺孔+光面爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動波形圖

圖4 深孔臺階+光面爆破方案爆破試驗(yàn)典型振動波形圖

由圖2～4可知，在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)，三種爆破方案各段爆破振動波形分離均較明顯;在相同爆心距條件下，水平淺孔+光面爆破方案的爆破振動峰值要小于深孔臺階+預(yù)裂爆破及深孔臺階+光面爆破方案下的振動峰值。

3．2 爆破振動衰減規(guī)律分析

工程中通常采用以炸藥量和爆心距為主要影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式對質(zhì)點(diǎn)峰值振速的衰減特性進(jìn)行描述，其表達(dá)式為:式中 ρ為比例藥量;K為與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)等有關(guān)的因子;α為振動衰減系數(shù)。

將深孔臺階+預(yù)裂爆破、水平淺孔+光面爆破、深孔臺階+光面爆破三種爆破方案條件下主爆段爆破振動衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式列入表2中，并作峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線如圖5、6所示。

表2 三種爆破方案條件下爆破振動衰減規(guī)律表

圖5 不同方向的爆破峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線圖

圖6 不同爆破方案條件下峰值振速與1/ρ的關(guān)系曲線圖

由圖5、6及表2知，水平淺孔+光面爆破方案的K值和α值最小，三種爆破方案中，水平淺孔+光面爆破方案的振速最小，但衰減最慢。由于單響藥量Q一定時，1/ρ與爆心距R正相關(guān)，在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)，深孔臺階+預(yù)裂爆破、水平淺孔+光面爆破方案均為水平垂直洞軸線方向振速最大，深孔臺階+光面爆破方案為豎直向最大。從圖6中可以明顯看出，深孔臺階+預(yù)裂爆破和深孔臺階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)的峰值振速明顯大于水平淺孔+光面爆破方案。深孔臺階爆破兩種方案的水平垂直洞軸線方向的峰值振速衰減規(guī)律相差不大。而對于水平平行洞軸線方向及豎直向的峰值振動，在單響藥量Q相同的情況下，深孔臺階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)峰值振速和衰減速度明顯要大于深孔臺階+預(yù)裂爆破方案。因此深孔臺階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)引起的爆破振動最大，深孔臺階+預(yù)裂爆破方案次之，水平淺孔+光面爆破方案最小。

4 不同爆破方案下洞室群圍巖爆破影響深度分析

4．1 聲波檢測成果

(1)爆破試驗(yàn)之爆破前后聲波的檢測。

為比較深孔臺階+預(yù)裂爆破和水平淺孔+光面爆破方案對圍巖的松動影響，在爆破試驗(yàn)過程中 進(jìn)行了多次聲波測試，分別見表3和表4。

表3 深孔臺階+預(yù)裂爆破方案爆破試驗(yàn)聲波測試成果表

表4 水平淺孔+光面爆破方案下爆破試驗(yàn)聲波測試成果表

(2)生產(chǎn)性開挖爆后聲波檢測。

為了比較深孔臺階+預(yù)裂爆破和深孔臺階+光面爆破方案爆破對圍巖的松動影響，在圍巖較好(均在Ⅱ類圍巖)的區(qū)域進(jìn)行了爆后聲波測試，分別見表5和表6。

4．2 聲波檢測的洞室群開挖爆破擾動評價

根據(jù)聲波測試結(jié)果，爆破試驗(yàn)區(qū)域聲波速度VP值在2800～6000m/s之間，大部分測線平均波速集中在4000～5000m/s之間，爆破前后試驗(yàn)區(qū)域邊墻巖體的聲波曲線均變化不大，松動深度大都沒有加深。部分測孔的松動圈范圍內(nèi)波速在爆破后有所降低，而松動圈范圍外巖體波速基本無變化，這表明爆破對邊墻的影響主要表現(xiàn)在松動圈范圍內(nèi)的巖石波速進(jìn)一步降低，對松動深度范圍外的巖體沒有明顯影響。

4．3 不同爆破方案條件下洞室群爆破影響深度

比較

(1)深孔臺階+預(yù)裂爆破與水平淺孔+光面爆破方案比較。

兩種爆破方案對邊墻的影響主要表現(xiàn)在原有松動圈范圍內(nèi)巖石波速進(jìn)一步降低。深孔臺階+預(yù)裂爆破方案邊墻巖體原有松動圈內(nèi)平均波速下降最大為14．4%;而水平淺孔+光面爆破方案邊墻巖體原有松動圈內(nèi)平均波速下降最大為12．5%。兩種爆破方案下爆破后松動圈范圍內(nèi)聲波波速降低比例均未超過15%，表明爆破未造成邊墻圍巖破壞。但相比之下，水平淺孔+光面爆破爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小，且更容易控制。

(2)深孔臺階+預(yù)裂爆破與深孔臺階+光面爆破方案比較。

兩種方案聲波測試均在巖性較好(Ⅱ類圍巖)區(qū)域進(jìn)行，巖石聲波波速一般在4500～6000m/s之間。受爆破開挖及卸荷影響，深孔臺階+預(yù)裂爆破方案爆破后邊墻巖體松動深度最大為0．8m(投影到邊墻法線為0．79m);深孔臺階+光面爆破方案爆破后巖體松動深度最大為0．6m(投影到邊墻法線為0．42m)。可見，深孔臺階+光面爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小，但總體而言，兩種方案下爆破影響深度均在可控范圍內(nèi)。5

表5 深孔臺階+預(yù)裂爆破方案爆破后聲波測試成果表

表6 深孔臺階+光面爆破方案爆破后聲波測試成果表

地下水封洞室群開挖爆破方案的優(yōu)選

綜合爆破試驗(yàn)的開挖效果、爆破振動特性及爆破對圍巖深度影響分析，推薦在某大型地下水封石洞油庫洞室群中下層開挖施工中采用深孔臺階+預(yù)裂爆破和水平淺孔+光面爆破方案相結(jié)合的方式進(jìn)行開挖。具體推薦的爆破方案及孔網(wǎng)參數(shù)如下:

(1)深孔臺階+預(yù)裂爆破方案。

推薦采用全幅開挖的方式，主爆孔2～3孔一響，控制最大單響起爆藥量不大于89kg，采用孔外接力起爆網(wǎng)路。炮孔布置及爆破網(wǎng)路見圖7，爆破參數(shù)見表7。

表7 深孔臺階+預(yù)裂爆破推薦方案爆破參數(shù)表

(2)水平淺孔+光面爆破方案。

根據(jù)爆破試驗(yàn)的效果，所采用的水平淺孔+光面爆破推薦方案的炮孔布置及起爆網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，爆破參數(shù)如表8所示。

6 結(jié)語

(1)采用上述三種爆破方案，輪廓面成型效果均較好，能夠滿足開挖施工技術(shù)要求。相比之下，深孔臺階爆破的兩種方案中的半孔率、平整度優(yōu)于手風(fēng)鉆水平淺孔+光面爆破的效果。

(2)深孔臺階+光面爆破方案在近區(qū)和中遠(yuǎn)區(qū)引起的爆破振動最大，深孔臺階+預(yù)裂爆破方案次之，水平淺孔+光面爆破方案最小。

(3)“深孔臺階+預(yù)裂爆破”和“水平淺孔+光面爆破”方案對邊墻的影響主要表現(xiàn)在原有松動圈范圍內(nèi)的巖石波速進(jìn)一步降低。兩種爆破方案下爆破后松動圈范圍內(nèi)的聲波波速降低比例均未超過15%，表明爆破未造成邊墻圍巖的破壞。相比之下，水平淺孔+光面爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小且容易控制。比較深孔臺階+預(yù)裂爆破與深孔臺階+光面爆破方案下爆后的聲波測試結(jié)果可知:深孔臺階+光面爆破方案下爆破對圍巖的擾動影響略小，但總體上兩種方案爆破影響深度均在可控范圍內(nèi)。

表8 水平淺孔+光面爆破推薦方案爆破參數(shù)表

圖7 深孔臺階+預(yù)裂爆破推薦方案炮孔布置、起爆網(wǎng)路及裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖8 水平淺孔+光面爆破推薦方案炮孔布置及起爆網(wǎng)路圖

(4)深孔臺階爆破可用于某大型地下水封石洞油庫洞室群中下層開挖，但輪廓面應(yīng)采用預(yù)裂或光面爆破并嚴(yán)格控制鉆孔精度、單段起爆藥量、藥包直徑及裝藥結(jié)構(gòu);水平小孔徑光面爆破產(chǎn)生的振動較小，對圍巖的擾動影響較小，適合在巖體性質(zhì)較差或爆破振動控制相對較嚴(yán)格的開挖區(qū)域中采用;光面爆破時主爆破孔產(chǎn)生的振動大于采用預(yù)裂爆破時主爆破孔的振動，在地質(zhì)條件較好部位宜優(yōu)先采用預(yù)裂爆破方案。

［1］ 張正宇、張文煊，等，現(xiàn)代水利水電工程爆破［M］．北京:水利水電出版社，2003．