0引言
預(yù)裂爆破是水利水電工程開挖施工廣泛采用一項(xiàng)施工技術(shù)。所謂“預(yù)裂爆破”，從其爆破機(jī)理的角度而言，當(dāng)進(jìn)行預(yù)裂爆破之后，會(huì)在巖體中出現(xiàn)一道裂縫，貫穿于需要爆破的整體巖體。當(dāng)實(shí)施爆破時(shí)，主炮孔會(huì)釋放出應(yīng)力波，在裂縫中能夠?qū)?yīng)力波反射或者吸收，以起到一定程度的屏障作用，避免保留巖體受到破壞?？梢姡趲r體上形成貫穿裂縫，是達(dá)到爆破預(yù)期目標(biāo)的重點(diǎn)。預(yù)裂爆破與光面爆破的區(qū)別在于預(yù)裂爆破在巖石開挖破壞前就預(yù)先沿設(shè)計(jì)輪廓線爆出一條具有一定寬度的裂縫，在爆破網(wǎng)絡(luò)中是最先起爆的，而光面爆破是最后起爆的。
四川嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程右岸廠房高邊坡基巖主要為J2s2-5粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)，為了確保邊坡穩(wěn)定，特別是EL445m～EL425m高程段垂直開挖邊坡的穩(wěn)定，本工程邊坡開挖采用了深孔預(yù)裂控制爆破技術(shù)，改進(jìn)了采用傳統(tǒng)手風(fēng)鉆造孔進(jìn)行淺孔預(yù)裂或光面爆破的施工工藝，為類似工程施工提供借鑒和成功經(jīng)驗(yàn)。
1工程簡(jiǎn)介
嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程為嘉陵江干流廣元至蒼溪河段梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)，壩址位于廣元市嘉陵江河段下游，距廣元市區(qū)約11km。工程為河床式開發(fā)，水庫(kù)正常蓄水位472.50m，總庫(kù)容6860萬(wàn)m3，電站額定水頭13.40m，引水流量253.4m3/s，電站裝機(jī)容量30MW，貫流式機(jī)組。多年平均發(fā)電量12717萬(wàn)kW·h。電航樞紐建筑物主要包括：左岸連接壩段、船閘、13孔泄洪沖砂閘、發(fā)電廠房、開關(guān)站及右岸連接壩段組成。廠房作為攔河樞紐的一部分，布置在右岸。廠區(qū)樞紐建筑物包括進(jìn)口建筑物、主廠房、副廠房、開關(guān)站、進(jìn)廠交通及尾水渠等。其中主機(jī)間與安裝間并排布置，安裝間位于主機(jī)間右側(cè)，開關(guān)站布置在安裝間下游側(cè)岸上。進(jìn)口建筑物包括攔沙坎、上游廠閘導(dǎo)墻、進(jìn)水前池、上游右側(cè)岸墻及護(hù)坡。進(jìn)水前池上游設(shè)置攔沙坎，左側(cè)連接上游廠閘導(dǎo)墻。主機(jī)間順?biāo)鞣较驅(qū)?8.3m，沿壩軸線方向長(zhǎng)31.30m，廠房?jī)魧?4.5m；安裝間沿壩軸線方向長(zhǎng)度28.30m，順?biāo)飨?8.30m，與主機(jī)間之間設(shè)一道永久沉陷縫。開關(guān)站布置于安裝間下游，平面尺寸為26.24m×12.24m。
廠房位于漫灘與河床邊緣，覆蓋層厚9.7m～13.7m，下伏基巖主要為J2s2-5粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度0～4.5m。弱～微風(fēng)化巖體巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=71～95%，飽和抗壓強(qiáng)度6.7～9.1MPa，巖體工程地質(zhì)分類屬ⅣC1類。廠房右岸邊坡開挖高程為EL510m～EL425m，垂直開挖高度為85m，其中EL510m～EL445m開挖坡比為1：0.5，EL445m～EL425m為垂直開挖，石方開挖工程量為22.1萬(wàn)m3。
2預(yù)裂爆破技術(shù)
2.1預(yù)裂爆破的定義
預(yù)裂爆破就是事先沿著設(shè)計(jì)開挖輪廓線打一排減小孔距的平行炮孔作為預(yù)裂孔，對(duì)這些預(yù)裂孔減小裝藥量，采用不耦合裝藥，在開挖區(qū)主爆孔爆破前，首先同時(shí)起爆這些輪廓線上的預(yù)裂孔，這樣就會(huì)沿著設(shè)計(jì)輪廓線事先形成一條平整的預(yù)裂縫，然后再起爆主爆破孔組，這就是預(yù)裂爆破技術(shù)。它與光面爆破的區(qū)別在于預(yù)裂爆破在巖石開挖破壞前就預(yù)先沿設(shè)計(jì)輪廓線爆出一條具有一定寬度的裂縫，在爆破網(wǎng)絡(luò)中是最先起爆的，而光面爆破是最后起爆的。
2.2預(yù)裂爆破的作用機(jī)理
預(yù)裂爆破的作用機(jī)理是：進(jìn)行預(yù)裂爆破后，在巖體中形成一條貫穿裂縫，這一裂縫能反射或吸收隨后起爆的主爆破孔的應(yīng)力波，起到屏蔽作用，從而起到最大限度地減小對(duì)需要保護(hù)巖體的破壞程度。要達(dá)到預(yù)裂爆破的效果關(guān)鍵是形成定向的貫穿裂縫。
2.3影響預(yù)裂爆破因素
影響預(yù)裂爆破的主要因素包括以下幾個(gè)方面：
?、賻r石的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)條件的影響。預(yù)裂爆破的主要參數(shù)均與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)條件有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)取得比較準(zhǔn)確的巖石力學(xué)性能參數(shù)，以保證選取預(yù)裂爆破參數(shù)的準(zhǔn)確性。
?、诓获詈献饔玫挠绊憽２获詈献饔镁褪抢醚b藥與孔壁之間存在的間隙，降低炸藥爆破作用在孔壁上的初始?jí)毫?。?shí)踐證明，一般不耦合系數(shù)在2～4范圍內(nèi)均可獲得較理想的效果。在允許的線裝藥密度下，不耦合系數(shù)可以隨孔距的減小而適當(dāng)增大。
?、垩b藥結(jié)構(gòu)的影響。為證明細(xì)長(zhǎng)藥卷間隔裝藥起爆的可靠性，必須在炮孔內(nèi)沿孔全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索，由于炮孔孔底的夾制作用，一般孔底裝藥量可增加2～3倍。
?、芷鸨瑫r(shí)間間隔的影響。為確保減震作用，必須使預(yù)裂孔超前于主爆破孔，超前時(shí)間至少100ms。但在含水量或巖石松軟的巖體，為防止預(yù)裂縫被填充，預(yù)裂孔可超前主爆破孔50～100ms起爆。
⑤鉆孔質(zhì)量的影響。一般要求鉆孔在一個(gè)平面上，垂直于鉆孔平面偏差小于20cm，孔底落在一條線上，偏差不大于15cm。否則預(yù)裂面就會(huì)凹凸不平。
?、揞A(yù)裂孔的布置的影響。預(yù)裂縫的作用是削減應(yīng)力波的作用和地震效應(yīng)對(duì)巖壁的影響，因此預(yù)裂孔的深度一般要超過主爆破孔一定深度。
⑦堵塞長(zhǎng)度的影響。良好的堵塞長(zhǎng)度是保持高壓爆破氣體所必須的結(jié)構(gòu)，堵塞過短或裝藥過多有造成孔口形成漏斗狀的危險(xiǎn)。過長(zhǎng)的堵塞長(zhǎng)度或過少的裝藥則難以使頂部形成完整的預(yù)裂縫。堵塞長(zhǎng)度一般取孔徑的12～20倍為宜。
2.4預(yù)裂爆破的起爆
為保證預(yù)裂爆破起爆效果，采用導(dǎo)爆索起爆，并采用分段并聯(lián)法連接。由于光面爆破孔是最后，導(dǎo)爆索有可能受到超前破壞，為保證周邊孔準(zhǔn)時(shí)起爆，對(duì)光面爆破孔可采用高段位延時(shí)雷管與導(dǎo)爆索雙重起爆法起爆。預(yù)裂孔與主爆破孔組成同一網(wǎng)絡(luò)起爆，預(yù)裂孔一般超前于第一排主爆破孔50～100ms起爆。
2.5預(yù)裂爆破質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
一般根據(jù)預(yù)裂縫的寬度、新壁面的平整程度、留下的孔痕百分比以及減震效應(yīng)的百分比等來(lái)衡量預(yù)裂爆破的效果。①要求驗(yàn)收在預(yù)裂縫面上形成貫穿裂縫，表面裂縫寬度應(yīng)不小于1cm。②圍巖壁面不平整度允許差為15cm。③壁上孔痕百分比在硬巖中不少于80%，在軟巖中不少于50%。④降低爆破地震效應(yīng)是預(yù)裂爆破的重要優(yōu)點(diǎn)，一般要求減震效應(yīng)應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)和預(yù)估減震百分比的要求。
3預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)
為使開挖面符合設(shè)計(jì)輪廓線，保證坡面基巖的完整性和開挖面的平整度，在廠房邊坡開挖施工時(shí)采用梯段開挖先預(yù)裂的爆破方法施工。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，原則上采用深孔預(yù)裂爆破，不具備深孔預(yù)裂時(shí)，預(yù)裂孔深不得小于5m。
3.1預(yù)裂炮孔布置
為便于控制造孔角度，提高開挖質(zhì)量，預(yù)裂爆破孔采用阿特拉斯D9鉆機(jī)造孔，造孔直徑70mm。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)裂孔間距為60～80cm。預(yù)裂爆破深度根據(jù)巖石情況和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求綜合確定，原則上采用深孔預(yù)裂。當(dāng)巖石較差時(shí)，造孔較深會(huì)引起塌孔，影響爆破效果，此時(shí)，預(yù)裂孔鉆孔深度與每臺(tái)階梯段高度同步施工。
3.2預(yù)裂炮孔裝藥
選用？準(zhǔn)32mm巖石硝銨炸藥，采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖石情況，線裝藥密度初步擬定為250～350g/m，泥巖和強(qiáng)風(fēng)化巖體選用250g/m，較完整砂巖選用250g/m。預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)絡(luò)采用非電導(dǎo)爆系統(tǒng)，導(dǎo)爆索傳爆，起爆方式同梯段爆破。預(yù)裂孔起爆時(shí)間應(yīng)超前主爆孔100ms。預(yù)裂爆破施工流程見圖1。
3.3預(yù)裂爆破參數(shù)（表1）
4梯段爆破設(shè)計(jì)
4.1爆破設(shè)計(jì)要求
?、賴?yán)格控制爆破振動(dòng)、空氣沖擊波、飛石等危害，防止不安全事故的發(fā)生。②根據(jù)爆區(qū)地形、地質(zhì)條件和開挖要求確定孔位、孔斜、孔距、孔深等爆破參數(shù)。③根據(jù)爆破效果修改爆破設(shè)計(jì)，使爆破質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。④力求選用高效率的鉆孔設(shè)備。⑤采用技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的爆破技術(shù)。⑥裝藥前清除孔內(nèi)殘碴和積水，嚴(yán)格按照調(diào)整計(jì)算好的藥量進(jìn)行裝藥。⑦認(rèn)真做好梯段爆破炮孔堵塞，采用黃泥堵塞，禁止采用石塊和易燃材料堵塞。
4.2布孔方式
根據(jù)梯段爆破施工經(jīng)驗(yàn)，為了使爆破效果更好、盡量減少大塊徑爆碴、并有利于開挖臺(tái)階面的穩(wěn)定和整齊，爆孔擬采用斜孔形式。為了增加一次爆破工程量，采用多排孔微差爆破。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，每一梯段爆破孔布置多排孔，采用梅花型布置。
4.3梯段爆破參數(shù)設(shè)計(jì)
4.3.1梯段爆破臺(tái)階高度H
根據(jù)本工程石方開挖規(guī)模，結(jié)合本工程巖石情況，造孔太深時(shí)，會(huì)出現(xiàn)塌孔梯段爆破采用阿特拉斯D9或913D履帶式鉆機(jī)造孔，局部邊角部位輔以TY-28手風(fēng)鉆造孔。根據(jù)巖石情況，巖石較差時(shí)，每層臺(tái)階高度按5m設(shè)計(jì)，巖石較好時(shí)，每層臺(tái)階高度按6～10m設(shè)計(jì)。
4.3.2鉆孔直徑D
梯段爆破主爆破孔采用阿特拉斯D9或913D履帶式鉆機(jī)造孔，造孔直徑為60mm。
4.3.3爆破孔孔斜β
根據(jù)梯段爆破施工經(jīng)驗(yàn)，斜孔傾角取75°左右有利于改善梯段爆破效果和爆破石渣塊徑。
4.3.4超深h
設(shè)計(jì)超深是為了克服臺(tái)階地盤的夾制作用，使爆破后不留巖坎而形成較為平整的底部。
根據(jù)梯段爆破施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，超深h可按經(jīng)驗(yàn)公式確定，
h=（0.12～0.30）H，H取5m計(jì)算，因臺(tái)階高度較小，取超深h=0.12×H=0.12×5m=0.6m。
4.3.5孔深L
孔深由臺(tái)階高度和超深確定。
傾斜孔孔深L=（H+h）/sinβ=（5m+0.6m）/sin75°=5.8m。
4.3.6底盤抵抗線W1
根據(jù)梯段爆破施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，底盤抵抗線W1過大爆破根底多、大塊率偏高、后沖作用大的后果；底盤抵抗線W1過小不僅浪費(fèi)炸藥、增大造孔工作量，而且容易拋散巖塊、產(chǎn)生飛石、危及安全。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定底盤抵抗線W1：
按爆孔直徑計(jì)算：W1=nD，其中n經(jīng)驗(yàn)取值為20～40，硬巖取小值，軟巖取大值。根據(jù)招標(biāo)地質(zhì)資料，樞紐區(qū)域巖石主要粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖，巖石強(qiáng)度相對(duì)較低，n值取30計(jì)算，W1=30D=30×60mm=1.8m。
4.3.7孔距a和排距b
孔距a=m×W1，式中m為密集系數(shù)，一般經(jīng)驗(yàn)取0.8～1.4，第一排孔孔距取密集系數(shù)1.1。
則第一排孔孔距a=m×W1=1.1×1.8m=2m。第二排孔及以后孔距a=m×W1=1.2×1.8m=2.16m。
一般取a=1.25b計(jì)算，第一排排距b=0.8a=0.8×2m=1.6m。第二排孔及以后排距b=0.8a=0.8×2.16m=1.73m。
4.3.8單位耗藥量q
一般而言，巖石越堅(jiān)硬完整，單位耗藥量越高；要求破碎的塊徑越小，單位耗藥量越高。根據(jù)施工要求和巖石性質(zhì)綜合考慮，梯段爆破單位耗藥量初步擬取0.3kg/m3，開挖時(shí)，通過爆破試驗(yàn)做相應(yīng)調(diào)整。
4.3.9單孔裝藥量Q
第一排孔單孔裝藥量：Q=qaW1H=0.3kg/m3×2m×1.8m×5m=5kg；第二排孔及以后各排孔單孔耗藥量：Q=kqabH，式中k為克服前排孔巖石阻力的增加系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)一般取1.1～1.2，取k=1.1計(jì)算：
Q=kqabH=1.1×0.3kg/m3×2.16m×1.73m×5m=6kg。
4.3.10堵塞長(zhǎng)度L2
合理的堵塞長(zhǎng)度和良好的堵塞質(zhì)量，有利于改善爆破效果和提高炸藥能量利用率。過短的堵塞長(zhǎng)度會(huì)造成炸藥能量損失，且易產(chǎn)生飛石、沖炮；過長(zhǎng)的堵塞長(zhǎng)度會(huì)大大降低延米爆破方量，且容易在孔口形成大塊徑爆碴。
堵塞長(zhǎng)度L2按照經(jīng)驗(yàn)公式選取，即：
L2≥（0.75～1.0）W1或L2=（20～40）D，取L2=130cm～150cm。
梯段爆破采用Ф50mm的巖石硝銨炸藥，每條炸藥卷重400g，長(zhǎng)度為20cm。
第一排孔單孔裝藥量為5kg，采用間隔裝藥，堵塞長(zhǎng)度L2為150m。第二排孔及以后各排孔單孔裝藥量6kg，采用間隔裝藥，堵塞長(zhǎng)度L2為130cm。
4.3.11梯段爆破規(guī)模
每一梯段爆破開挖面積約為600m2，布孔15排，共165個(gè)爆破孔，每一梯段爆破開挖方量約3000m3。
4.3.12梯段爆破參數(shù)（表2）
4.3.13梯段爆破起爆方案
梯段爆破采用多排孔分段毫秒微差爆破，為減小單響藥量，可將單排爆破孔分段起爆，或采用孔內(nèi)延時(shí)的起爆方式。其工作原理是：先爆孔為相鄰的后爆孔增加新的爆破自由面，應(yīng)力波的相互疊加作用和巖體間發(fā)生猛烈碰撞，使被爆破巖體獲得良好破碎，并相應(yīng)提高了炸藥能量的利用率，同時(shí)降低了爆破地震效應(yīng)。（圖2-6）
5總結(jié)
四川嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程右岸廠房高邊坡開挖施工中，采用梯段爆破和深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，預(yù)裂后的巖石坡面不平整度控制在10cm內(nèi)，壁面上的孔痕百分比達(dá)到85%以上，特別是EL445m～EL425m高程段垂直開挖邊坡未出現(xiàn)邊坡垮塌現(xiàn)象，預(yù)裂控制爆破對(duì)邊坡的擾動(dòng)較小，施工效果較理想，確保了施工安全和施工進(jìn)度，為類似工程施工提供借鑒和成功經(jīng)驗(yàn)。
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