水下岩塞爆破及其在水利工程中的应用

焦忠帅

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 引 言

为了达到泄洪、灌溉、取水、发电等目的，需要在天然形成的湖泊或已建成的电站水库中修建泄洪隧洞或者引水隧洞。但是，若按常规方法施工，因泄洪隧洞或者引水隧洞的进水口多位于水下数十米深处，须在进水口处修筑围堰将进水口围住，并利用水泵将围堰内水抽干达到旱地施工条件后，再进行进水口的开挖、支护、混凝土浇筑等施工。然而，在天然湖泊或已建水库内水位较深的情况下修筑水下围堰时，施工较为困难，又不经济，特殊情况下甚至不可能施作水下围堰。经过工程实践，在进水口利用预留一块貌似瓶塞子的岩体来挡水，直至后部岩体隧洞建好、完成挡水任务后，再利用爆破方式将预留岩体炸掉来开挖水下进水口的爆破技术便是水下岩塞爆破[1]。随着爆破技术的不断应用和发展，水下岩塞爆破在越来越多的水利工程中被广泛地应用，并取得了十分显著的效果。水下岩塞爆破是一个施工速度快、节省工程占地、节省工程投资、不受施工季节影响且切实可行的水利工程施工方法。

2 水下岩塞爆破发展和应用

在国外，水下岩塞爆破技术发展和应用得比较早。在天然湖泊引水中，智利在1877年最早公布了水下岩塞爆破技术的应用情况。瑞士、挪威、法国等国在20世纪也利用水下岩塞爆破来开发天然湖泊。起初，这些国家采用水下岩塞爆破开发天然湖泊时，仅应用在小洞径的工程上。直至20世纪60年代，加拿大才将水下岩塞爆破技术应用到大直径的休德巴斯水电站引水隧洞进水口的开挖。休德巴斯水电站引水隧洞进水口位于水下15m左右，岩塞直径18m，厚度21m，石方爆破量约10000m3，总装药量为27000kg，是当时应用水下岩塞爆破技术规模最大的工程。1970年，引水洞进水口位于水下85m的挪威阿斯卡拉水电站爆破通水成功，是当时水下最深的岩塞爆破工程。意大利、秘鲁、英国等国在水利工程修建水下进水口时也采用过水下岩塞爆破技术[2]。

在国内，从20世纪70年代开始，水下岩塞爆破技术也逐步发展起来。经大量的工程实践，在爆通进水口成型、设计方法、药室布置、爆破药量及爆后岩渣处理措施等方面水下岩塞爆破技术都有所创新和应用，并取得令人满意的效果。1971年7月18日，辽宁省清河热电厂供水隧洞进水口爆破成功，标志着水下岩塞爆破技术成功地应用到我国水利工程施工中[3]。随后，1972年11月施工爆破成功的七一水库引水及泄洪洞、1979年1月施工爆破成功的香山水库泄洪洞、1979年5月施工爆破成功的丰满水库泄水洞、1984年9月施工爆破成功的横锦水库放空隧洞、1994年10月施工爆破成功的密云水库泄水洞、1995年4月施工爆破成功的汾河水库泄洪洞进口、1997年4月施工爆破成功的贵州印江岩口应急工程、1999年8月施工爆破成功的响洪甸抽水蓄能电站、2011年5月施工爆破成功的塘寨电厂取水口、2014年6月施工爆破成功的长甸水电站改建工程、2015年9月施工爆破成功的刘家峡水电站洮河口排沙洞等工程都应用了水下岩塞爆破技术[4]。其中，水下岩塞爆破规模最大的丰满水库泄水洞进水口岩塞直径11m，岩塞进水口位于水下20m，土石方爆破量4419m3，总装药量4075.6kg；长甸电站改建工程进水口岩塞直径10～14.6m、岩塞段厚度12.5m，岩塞进水口位于水下约60m，是目前国内最大的全排孔岩塞爆破工程；刘家峡水电站洮河口排沙洞岩塞直径10～21.6m，岩塞最小厚度12.3m，岩塞进水口位于水下约70m且岩塞体上部被平均厚度27m的淤泥沙层覆盖着，塞体爆破方量约2606m3，是国内外首例高水头、大直径、厚淤沙层覆盖的水下岩塞爆破工程。国内水下岩塞爆破技术的应用，不仅收集了极有价值的资料，而且积累了丰富的应用经验，为日后水下岩塞爆破技术发展和应用奠定了坚实的基础。

3 水下岩塞爆破设计原则及设计方法

3.1 水下岩塞爆破设计原则

常年在水下运行工作的岩塞进水口，须保证有一个良好的运行条件。这样就需要充分考虑水下岩塞爆破设计方案，经工程应用实践总结出设计原则如下：

a.岩塞爆破不得出现爆破不完全或者出现拒爆现象，必须一次爆破成型。

b.岩塞爆破后岩塞开口处要具有良好的水力学条件，满足岩塞顶部和底部的进水流态的要求。

c.岩塞爆破后岩塞周围不得发生坍塌、滑坡等，须保证围岩的稳定性和完整性。

d.岩塞厚度要满足爆破施工安全要求，保证在水压力作用下岩塞体的稳定性，同时要确保岩塞爆破周边建(构)筑物的安全性。

e.岩塞爆破不得发生洞内瞬时堵塞事故，须合理设置集渣坑的大小和形状，保证爆落岩渣顺畅下泄，并减轻下泄的岩渣对泄洪洞或引水洞产生的磨损和影响。

3.2 水下岩塞爆破设计方法

3.2.1 炮孔布置

在通常的水利工程爆破过程中仅存在一个临空面，而水下岩塞爆破存在两个临空面，这两个向前向后的临空面同时爆破。根据普氏公式计算炮孔数目，并结合炸药性能、爆破方量、岩塞体形状、岩石性质、岩塞断面等因素综合考虑确定炮孔位置[5]。为了使开挖面上形成一个狭窄的临空面，便于掏槽孔爆破时石渣能被抛掷出来，岩塞爆破一般采取在岩塞中心开挖面上布设较大直径的中心空孔的掏槽方式。根据爆破装药结构要求，每一圈爆破孔数依次增加，结合岩塞形状均匀布置，每一圈爆破孔按每隔50～100cm间距布置，并参照爆破试验参数及时调整炮孔数量。在开挖的作业面上布置掏槽孔和周边孔，然后在两者之间均匀地布置辅助孔和主爆孔。掏槽孔用于岩塞爆通、掏槽揭顶；周边孔不仅可以维护围岩稳定、减少震动，而且可形成一个预裂面保证岩塞爆后成型；主爆孔又称扩大孔，主要用于爆去岩塞体内石方、扩大爆破成型形成过水断面。

3.2.2 孔径和孔深

为了提高爆破效果，一般采用大孔径的炮孔进行岩塞爆破。岩塞爆破的掏槽孔、辅助掏槽孔、中心空孔、主爆孔的炮孔直径一般采用90～100mm。周边轮廓孔多采用光面爆破方式，周边轮廓孔的炮孔直径D≥40mm[6]。

根据地质条件、爆孔直径和岩塞厚度等因素确定钻孔深度。经工程实践发现，岩塞爆破效果的好坏与孔底距岩面的距离息息相关。结合工程实践经验并分析地质条件合理确定孔底距岩面距离，一般情况下，孔底距岩面距离可在50～100cm之间选取，当地质条件较好时可适当减少。因此，每个炮孔的孔深比岩塞体厚度小50～100cm左右[7]。

3.2.3 药量计算

3.2.3.1 总药量计算

岩塞爆破总药量计算公式为

Q=KV

式中Q——岩塞爆破总药量，kg；

V——岩塞爆破体积，m3；

K——单耗药量，一般取1.1～1.8kg/m3。

3.2.3.2 掏槽孔装药量计算

通常情况下，先根据集中药包公式计算出掏槽揭顶总药量，再进行分配获得每个掏槽孔的药量[8-9]。集中药包公式为

Q=KW3f(n)

式中Q——掏槽孔集中药包装药量，kg；

W——最小抵抗线，m；

K——单耗药量，kg/m3；

n——爆破作用指数，n=0.5～1.0(下部药包时),n=1.5～1.8(上部药包时)；

f(n)——爆破作用指数函数，f(n)=0.4+0.6n3。

3.2.3.3 周边孔药量计算

周边孔炮孔间距在30～45mm之间，炮孔直径在40～55mm之间。为避免岩塞爆破孔底岩层夹制作用的影响，可适当增加孔底一定范围内的装药量。一般情况下，周边孔装药量控制在270～300g/m。

3.2.3.4 主爆孔装药量计算

每个主爆孔装药量根据公式计算，主爆孔装药长度按钻孔深度的0.5～0.7倍考虑。计算公式为

q=K′WaL

式中q——每个主爆孔装药量，kg；

W——最小抵抗线，m；

K＇——松动爆破单耗量,kg/m3，一般为K的1/3～2/3；

a——钻孔间距，m,一般为最小抵抗线的0.5～0.7倍；

L——钻孔深度，m。

4 水下岩塞爆破应用实例

4.1 工程概况

桓集隧道工程位于吉林省通化地区集安市境内，进水口布置在秋皮河水库库区右岸。桓集隧道工程主要包括隧洞贯通爆破试验段、隧洞连接段、锁口段、集渣坑、岩塞爆破专项试验、岩塞爆破及附属工程等。桓集隧道工程进水口位于水下40m左右，岩塞开口断面采用倒圆台形(爆破漏斗形)，岩塞直径7.3～13.2m，岩塞体厚度11m，岩塞中心线倾角为55°。为了获取合理的爆破参数和爆破技术以使正式岩塞爆破施工时达到预期的应用效果，预留30m未贯通隧洞段作为爆破试验段。爆破试验段岩塞体采用小圆台形状，岩塞直径7.3～8.1m，爆破试验段长度11m，采用爆破一次成型、双向贯通的方式。

4.2 贯通爆破试验段施工

4.2.1 贯通爆破试验分段

贯通爆破试验段为预留的未贯通的30m洞段，洞径8m。根据贯通爆破试验段考虑进行3次爆破试验。其中，爆破试验段长度分别考虑5.5m、5.5m、11m，剩余的试验段采用钻爆法开挖。

4.2.2 贯通爆破试验炮孔布置

贯通爆破试验炮孔布置特性见表1，岩塞爆破试验炮孔布置见图1。

图1 岩塞爆破试验炮孔布置示意图(单位：m)

表1 爆破试验炮孔布置特性

4.2.3 贯通试验段起爆网络

主爆孔及掏槽孔采用连续装药，选用直径40mm的药卷，采用数码电子雷管、高精度雷管起爆；轮廓孔采用药卷直径32mm炸药间隔装药，导爆索传爆。选用双发雷管，并形成复式起爆网路。贯通爆破试验起爆网路设计共布设6圈炮孔，孔外接力雷管选用9ms延时的高精度导爆雷管。

贯通爆破试验起爆网路各圈炮孔孔外网路布置特性见表2，岩塞爆破试验起爆网路见图2。

表2 各圈炮孔孔外网路布置特性

图3 岩塞爆破施工程序框图

图2 岩塞爆破试验起爆网路示意图

4.3 岩塞爆破施工方案

4.3.1 岩塞爆破施工程序

岩塞爆破施工程序见图3。

4.3.2 岩塞体钻孔施工

钻孔前采用脚手架管搭设施工平台，采用全站仪等仪器放样布孔，并用自喷漆清晰标识每个炮孔的精确位置、统一编号等。严格按照要求进行钻孔，采用YQ100B风动钻机钻直径为90mm的炮孔。严格控制孔径的变化，孔底偏斜误差控制在±10cm，开孔误差小于3cm，在不透水条件下孔深误差小于20cm。炮孔施钻完成后要进行验孔，满足要求后要重新统一编号、清孔，并做好孔口保护。装药前采用高压水洗孔，吹干后验孔装药。岩塞爆破钻孔见图4。

图4 岩塞爆破钻孔示意图

4.3.3 岩塞爆破装药结构设计

岩塞爆破选用全排孔爆破方案，采用设置空孔层的直线掏槽方式。岩塞爆破设置1个中心孔、6个空孔、39个主爆孔、8个辅助掏槽孔、8个掏槽孔、45个轮廓孔，共107个钻孔。

4.3.3.1 掏槽孔装药

岩塞掏槽孔选用φ60乳化炸药，每卷药卷的重量约1.5kg，长度约45cm。岩塞掏槽孔采用连续装药，孔口堵塞长度为1.45m，掏槽孔单孔装药28.5kg，总装药量约256.5kg。

在掏槽孔孔口处布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用正向起爆；在爆孔孔底处同样布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用反向起爆。

4.3.3.2 辅助掏槽孔装药

岩塞第H圈：辅助掏槽孔选用φ60乳化炸药，采用连续装药方式，连续装药5.4m时改用φ32乳化炸药(每卷药卷的重量约0.2kg，长度约20cm)，孔口堵塞长度为1.4m，辅助掏槽孔单孔装药21.2kg，总装药量约169.6kg。

在辅助掏槽孔孔口处布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用正向起爆；在爆孔孔底处同样布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用反向起爆。

4.3.3.3 主爆孔装药

岩塞第J圈、K圈：主爆孔选用φ60乳化炸药，连续装药，孔口堵塞长度为1.45m，单孔装药28.5kg，39个主爆破孔总装药量约1111.5kg。

在主爆孔孔口处布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用正向起爆；在爆孔孔底处同样布置高精度导爆管雷管1发、电子雷管1发，选用反向起爆。

4.3.3.4 周边轮廓孔装药

周边轮廓孔采用光面爆破方式，以控制爆破拉裂作用和减小爆破震动。周边轮廓孔选用φ32乳化炸药，孔口堵塞长度为0.8～1.2m。周边轮廓孔距离孔底1.0m范围内连续装药采用两节一捆的φ32乳化炸药，当装药至距离孔底1.0m时改用单节φ32乳化炸药继续连续装药4.0m，然后间隔一节装药至堵塞段。周边轮廓孔单孔装药7.9～8.1kg，总装药量约359.9kg。

经统计，岩塞爆破需385.5kg的φ32乳化炸药、1512kg的φ60乳化炸药，共需炸药总量1897.5kg。

岩塞爆破各圈炮孔药量及单耗情况见表3。

表3 岩塞爆破各圈炮孔药量及单耗

4.3.4 岩塞爆破起爆网路设计

岩塞爆破起爆网络系统延时情况见表4。

表4 岩塞爆破起爆网络系统延时

续表

5 岩塞爆破效果检查

在岩塞爆破后，以岩塞口中心点为基准，选取 1∶100 的测量精度量测40m×40m水域范围内岩塞爆破前后地形变化、检查爆破后岩塞口成型效果等，以此来检验岩塞爆破的效果和质量。

6 结 语

a.在不修建水下围堰的情况下，采用水下岩塞爆破技术开挖泄洪洞或引水洞进水口，不仅有利于减少施工资源投入、减少附加工程量、节省工程投资，而且有利于缩短施工工期、保证施工质量、保护当地的自然环境。

b.通过贯通段全排孔岩塞爆破试验，检验了复式起爆网路的可靠性，并为正式岩塞爆破提供了爆破器材、爆破起爆网路设计、装药结构及合理的爆破参数。

c.经过多次爆破试验研究，桓集隧洞工程水下岩塞爆破成功实施，验证了岩塞爆破技术在大断面隧洞环境下的应用效果，达到了预期的目的，并为国内如火如荼的水利工程建设提供了宝贵的施工经验。