廖成林，楊玉銀

（1.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，深圳518100；2.中國水利水電第五工程局有限公司，成都610066）

1 工程概況

某水電站尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8705.505m，2#尾水洞長8609.625m， 開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.60～15.20m，高13.45～15.05m。其出口圍堰距尾水隧洞出口112.5m， 堰頂長132.8m， 堰頂寬11.4m，主要作用是防止河水流入尾水出口基坑和尾水隧洞，為尾水出口施工創(chuàng)造干地施工條件，同時保障尾水隧洞內(nèi)施工安全。 圍堰是在原河岸邊利用洞渣填筑，其防滲結(jié)構(gòu)為黏土心墻。圍堰按照25年一遇洪水設(shè)計， 設(shè)計水位高程為▽963.6m， 考慮安全加高，尾水出口圍堰頂高程為▽964.1m。 圍堰典型斷面如圖1。

圖1 尾水出口圍堰典型斷面圖

圍堰設(shè)計拆除范圍▽953.5m～964.1m，拆除期間河水位高程▽961.0m。 上部土石圍堰采用反鏟挖裝自卸汽車，下部基巖開挖采用控制爆破拆除。下部基巖為強風化～弱風化花崗片麻巖，屬IV～V類圍巖，巖性較軟。

2 周圍環(huán)境及爆破難點

2.1 周圍環(huán)境

圍堰左端距左側(cè)貼坡混凝土1.5～1.8m； 右端距右側(cè)貼坡混凝土2.0～2.5m； 上游側(cè)距尾水出口底板齒墻混凝土33.5m， 距尾水出口1#，2#閘門混凝土112.5m；下游側(cè)緊臨河道，如圖2。

圖2 圍堰周圍環(huán)境平面示意圖

2.2 爆破難點

尾水出口圍堰拆除爆破主要針對圍堰底部基巖，如圖1，對應(yīng)于▽953.5～958.8m高程段，其上部土石圍堰開挖采用反鏟直接挖除。 爆破拆除工作存在以下難點：

（1）圍堰的主要爆破巖體均處于河道水位以下，鉆孔爆破難度比普通露天爆破技術(shù)難度大。

（2）圍堰距離尾水出口左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土過近，爆破振動控制難度大。

（3）圍堰上下游水位高差大，下游側(cè)河道水位高程▽961.0m，上游側(cè)尾水出口底板高程▽953.5m，高差7.5m， 爆破后會有大量渣體在水頭差作用下涌入圍堰上游尾水出口內(nèi)，涌入渣體難于清理。

（4）基巖水下鉆孔在浮渣上進行，成孔難度大，易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，造成廢孔或裝藥困難。

（5）飛石控制要求高，基巖爆破時產(chǎn)生的飛石，既不能進入下游河道內(nèi)，也不能進入上游尾水出口。

（6）水下爆破基巖，要求一次爆破到設(shè)計開挖高程，避免底板高程不夠進行二次爆破。

（7）國外施工，爆破器材受限，主爆孔內(nèi)非電毫秒雷管的腳線長度最長僅10m，而主爆孔深度在9.5m以上，腳線長度無法滿足聯(lián)炮要求。

3 關(guān)鍵爆破技術(shù)問題的處理

針對以上圍堰拆除爆破施工技術(shù)難點， 項目部技術(shù)團隊對現(xiàn)場進行了詳細勘查， 對逐個問題進行了分析研究，并征得監(jiān)理工程師同意，決定在拆除爆破施工中采取以下措施：

（1）水下基巖拆除爆破采用水上鉆孔爆破作業(yè)。上部土石圍堰開挖到河水位以上0.5m， 即開挖到▽961.5m后，停止水上土石圍堰拆除，將▽961.5m平面作為水下基巖開挖鉆孔、裝藥作業(yè)平臺。

（2） 以液壓破碎錘為主預(yù)拆除左右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近的圍堰體。 鑒于下部基巖為強～弱風化巖，巖性較軟，為了減輕爆破對尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土的爆破振動， 決定采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟， 開挖左右兩側(cè)墻貼坡混凝土一定范圍內(nèi)的基巖，必要時局部輔以手風鉆鉆孔、小藥量爆破。

（3）上游側(cè)尾水出口內(nèi)充水。在主體圍堰開始拆除以前， 尾水出口1#、2#檢修井閘門已經(jīng)安裝并充水調(diào)試完畢，具備擋水條件。為了避免下部基巖爆破拆除時，渣體涌入上游尾水出口，在開始下部基巖開挖鉆孔作業(yè)前，上游側(cè)尾水出口內(nèi)先充水至▽961.0m，保持圍堰上下游水壓平衡。

（4） 圍堰下部基巖開挖鉆孔作業(yè)采用下套管的方法。由圖1看出，在下部基巖開挖鉆孔作業(yè)時，從鉆孔作業(yè)平臺▽961.5m到下部基巖面， 至少有2.7m以上土石渣體覆蓋， 成孔難度較大， 為了確保成孔質(zhì)量，在鉆爆破作業(yè)孔時，采用跟管技術(shù)在孔內(nèi)下直徑φ90mm的PVC套管， 以確保鉆孔、 裝藥作業(yè)順利完成。

（5）選擇合理的爆破方向并增加孔口填塞長度。為了控制孔口飛石， 首先將爆破方向選在沿圍堰軸線方向，并加大孔口填塞長度。對于下部基巖開挖爆破，除了下部基巖段填塞長度外，上部還有2.7m以上的土石渣體覆蓋層， 因此孔口填塞長度可達5.0m以上，可有效控制垂直方向爆破飛石。

（6）每茬炮爆破時前部覆蓋渣體。 為了提高爆破破碎效果并防止水平方向飛石， 每茬炮爆破時，前部預(yù)留上茬炮渣體覆蓋，以防止爆破后水平方向飛石。

（7）設(shè)置孔底超深。根據(jù)文獻［1］，為了確保底板開挖高程一次到位， 基巖開挖鉆孔可設(shè)置較大的超深。

（8）采用低段位雷管孔內(nèi)接長保證聯(lián)炮長度。為了保證孔內(nèi)非電毫秒雷管腳線長度滿足聯(lián)炮需要，主爆孔孔底采用MS16段雷管，并在其腳線末端采用MS1段雷管在孔內(nèi)接長后延伸到孔外。

4 爆破設(shè)計

4.1 爆破拆除方案

4.1.1 圍堰主體爆破前的準備工作

（1） 上游側(cè)圍堰預(yù)拆除。 在圍堰主體開挖爆破前， 首先要采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟挖除上游圍堰前的堆渣體和下部基巖，如圖3。

圖3 圍堰上游側(cè)預(yù)拆除示意圖

（2）兩側(cè)墻貼坡混凝土附近圍堰預(yù)拆除。經(jīng)爆破安全距離驗算，在距離左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土14m范圍內(nèi)，不能采用爆破法進行開挖，只能采用液壓破碎錘結(jié)合反鏟預(yù)先挖除。挖除后堰體剩余寬度10m左右，為了保證圍堰拆除安全，開挖前需對下游河道側(cè)圍堰進行加寬、加固。

4.1.2 爆破方案

圍堰開挖以▽961.5m為界，分為上、下兩部分。上部開挖為水上開挖，采用1.2m3反鏟直接挖裝25t自卸汽車。 下部開挖為水下開挖，主要針對▽958.8m以下基巖，采用深孔爆破技術(shù)，鉆孔作業(yè)在▽961.5m工作平臺上進行， 鉆具穿過2.7～5.0m的土石圍堰填筑體進入下部基巖，為保證成孔質(zhì)量，鉆孔采用跟管技術(shù)，孔內(nèi)設(shè)φ90mm的PVC套管。 下部基巖爆破后，出渣采用長臂反鏟挖裝25t自卸汽車， 渣料運往棄渣場。

4.2 爆破器材

由于圍堰拆除處于工程的尾工階段， 尾水隧洞的主體開挖爆破已在兩年前全部完工， 圍堰拆除爆破器材需重新申購，具體規(guī)格如下：

（1）炸藥：主體圍堰拆除采用φ60mm乳化炸藥，重1000g，長30cm。

（2）導爆索：選用塑料導爆索［2］，藥芯主要為太安，外觀紅色，直徑5.0 ～5.4mm，裝藥量10g/m，爆速不小于6×103m/s。

（3） 非電毫秒雷管： 孔內(nèi)及網(wǎng)路聯(lián)接主要選用MS1～MS16非電毫秒雷管， 相鄰兩段雷管時差均為25ms。 孔內(nèi)裝藥采用MS1，MS16段，腳線長10m；其他孔外聯(lián)炮采用雷管MS2，MS3，MS4，MS5段， 腳線長6m。 非電毫秒雷管延時情況如表1。

表1 非電毫秒雷管延時情況 單位：ms

（4）電雷管：主要用于起爆整個非電毫秒雷管爆破網(wǎng)路，主要選用8#普通工業(yè)電雷管。

4.3 主爆孔設(shè)計

4.3.1 鉆孔直徑鉆孔直徑100mm。 由于上部覆蓋層為土夾石，為了保證成孔、裝藥質(zhì)量，孔內(nèi)套入了外徑90mm的PVC塑料管，管壁厚4.3mm，計算鉆孔直徑取D=81.4mm。

4.3.2 爆破基巖厚度

根據(jù)圍堰上游側(cè)基坑出露的基巖情況， 基巖平均高程在▽958.8m，設(shè)計開挖高程為▽953.5m，則上游側(cè)爆破拆除基巖厚度H1=5.3m；根據(jù)圍堰下游側(cè)鉆孔探測的情況，基巖平均高程▽957.3m，則下游爆破拆除基巖厚度H2=3.8m。

4.3.3 鉆孔超深［1］

本次基巖拆除開挖屬于水下開挖， 為了保證不留根坎，同時考慮水下爆破欠挖時補充爆破難度大、效率低，采用了較長的超深值，取h=1.5m。

4.3.4 主爆孔鉆孔傾角

為控制向上飛石，考慮到巖石硬度不高，所有鉆孔均與爆破方向垂直，即與圍堰軸線方向垂直。但同一排鉆孔橫斷面上， 靠近河道側(cè)鉆孔按一定角度向河道側(cè)傾斜，如圖4。

4.3.5 主爆孔孔深

以垂直孔為例，上游側(cè)L1=H1+h=6.8m；下游側(cè)L2=H2+h=5.3m，由于圍堰底部基巖不是平面，應(yīng)根據(jù)實際鉆孔過程中基巖出露情況測定孔深， 并據(jù)此確定實際裝藥量。

4.3.6 基巖段最小填塞長度［1］

l2=（20～30）D，取l2=20D=1.63m，除了最小填塞長度外， 基巖上部還有2.7～5.0m的圍堰土石渣體覆蓋層。

4.3.7 最大裝藥長度

上游側(cè)l1=L1-l2=6.8-1.63=5.17m；下游側(cè)l1=L2-l2=5.3-1.63=3.67m。

4.3.8 炸藥單耗

水下爆破由于爆破介質(zhì)同時承受著上覆渣體和水體的壓力， 同時爆破介質(zhì)的破碎亦須克服渣體和水體的阻力， 因此水下爆破的炸藥單耗較陸地露天爆破為大，通常比陸地臺階爆破增加30～50%［1］。爆破基巖為強～弱風化花崗片麻巖，巖性較軟，露天爆破可取0.35～0.45kg/m3，本工程結(jié)合文獻［1］國內(nèi)外的統(tǒng)計資料，取炸藥單耗q單耗=0.65kg/m3。

4.3.9 孔內(nèi)每米裝藥量

主爆孔炸藥選用乳化炸藥，藥徑φ60mm，單管長30cm，重1000g，孔內(nèi)每米裝藥量：q米=3.33kg/m。

4.3.10 主爆孔單孔爆破控制最大面積

按照式（1）計算［3，4］。

式中 q米為孔內(nèi)每米裝藥量，q米=3.33kg/m；l1為孔內(nèi)最大裝藥長度， 取上游側(cè)l1=5.17m；q單耗為炸藥單耗，取q單耗=0.65kg/m3；H為基巖厚度，取上游側(cè)基巖厚度H1=5.3m，則Smax=5.0m2。

4.3.11 孔距、排距

水下炮孔布置，原則上越簡單、越規(guī)則越好。 根據(jù)以上計算及同類工程水下鉆孔布置參數(shù)［2，3］：①本工程主體爆破采用方形布孔，取孔距a=2.0m，排距b=2.0m，孔網(wǎng)面積S=a·b=4.0m2＜5.0m2；②鑒于左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近受單響藥量控制， 在距離14m時，單響藥量應(yīng)控制在12.76kg內(nèi)，可取孔距a1=2.0m，排距b1=1.5m，并采用逐孔起爆技術(shù)。

4.3.12 典型主爆孔布置

典型主爆孔布置橫斷面如圖4。

圖4 主爆孔橫斷面圖

4.3.13 裝藥結(jié)構(gòu)

（1）單孔藥量。主體上游側(cè)Q1=q單耗abH1=13.78kg，實際施工可取Q1=14.0kg； 主體下游側(cè)Q2=q單耗abH2=9.88kg，實際施工可取Q2=10.0kg；兩側(cè)墻貼坡混凝土附 近Q3=q單耗a1b1H1=10.33kg， 實 際 施 工 可 取Q3=10.5kg。

（2） 實 際 裝 藥 長 度。 主 體 上 游 側(cè)l1-1=Q1/q米=4.20m；主體下游側(cè)l1-2=Q2/q米=3.0m；兩側(cè)墻貼坡混凝土附近l1-3=Q3/q米=3.15m。

（3）實際填塞長度。 主體上游側(cè)l2-1=L1-l1-1=6.8-4.2=2.6m＞1.63m； 主體下游側(cè)l2-2=L2-l1-2=5.3-3.0=2.3m＞1.63m；兩側(cè)墻貼坡混凝土附近l2-3=L1-l1-3=6.8-3.15=3.65m＞1.63m。 以上炮孔除了基巖段填塞長度外，還有上覆2.7～5.0m的土石圍堰覆蓋層。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)。圍堰拆除主爆孔均采用孔內(nèi)連續(xù)裝藥，孔底裝入MS16段非電毫秒雷管，在靠近孔口部位1.0m左右采用MS1段非電毫秒雷管接長并延伸到孔外，以圍堰主體上游側(cè)炮孔為例，裝藥結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 掏槽孔設(shè)計

圍堰主體拆除爆破方向沿堰體軸線方向， 為了給主爆孔創(chuàng)造臨空面， 必須在圍堰合適位置設(shè)置掏槽。 為了加快拆除進度，決定采用從中部開始爆破，向兩側(cè)雙向開挖的施工順序，因此，掏槽設(shè)置在圍堰中部。 掏槽采用深孔楔形掏槽，如圖6，由內(nèi)掏槽孔、主掏槽孔、4級輔助掏槽孔組成。鉆孔直徑同主爆孔，計算鉆孔直徑取D=81.4mm； 孔距2.0m、 排距1.44～1.5m；鉆孔傾角60°～85°，由內(nèi)向外逐排擴大；掏槽孔裝藥采用φ60mm乳化炸藥，單管長30cm，重1000g，裝藥長度按照孔深的60%～70%， 但須確?；鶐r段填塞長度不小于1.63m。

圖6 圍堰掏槽結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 炮孔布置

圍堰拆除工作從中部向兩側(cè)退行雙向爆破開挖。 掏槽布置于圍堰的中部， 然后向兩側(cè)布置主爆孔。 具體炮孔布置如圖7。

圖7 炮孔布置示意圖

4.6 起爆網(wǎng)路

主爆孔典型起爆網(wǎng)路如圖8。圍堰主體開挖起爆網(wǎng)路采用孔外單排分組， 組間微差結(jié)合排間延時的起爆技術(shù)。 同一排爆破孔，靠近上游側(cè)垂直孔每3孔為一組；靠近河道側(cè)傾斜孔，每4孔為一組?？變?nèi)起爆均采用MS16段非電毫秒雷管， 組間采用MS2段非電毫秒雷管聯(lián)炮，排間采用MS5段非電毫秒雷管聯(lián)炮，整個孔外網(wǎng)路采用普通電雷管起爆。靠近左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土部位，采用逐孔起爆技術(shù)。

圖8 圍堰主體起爆網(wǎng)路示意圖

4.7 安全驗算

4.7.1 最大單響藥量計算

圍堰拆除爆破時， 為了保證對尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的爆破振動在允許范圍內(nèi)，必須嚴格控制最大單響藥量。最大單響藥量可按式（2）計算［1，5］。

式中 R為爆破點與被保護對象間的距離 （m）；v為被保護對象能承受的安全允許振速（cm/s）；K，α分別為與爆破點至保護對象間的地形、 地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土及尾水出口底板齒墻混凝土的齡期均超過28d， 根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》［5］安全允許振速取10cm/s；圍堰爆破基巖屬軟巖，取K=300，取α=1.9。經(jīng)過預(yù)拆除，爆破點距離尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土最近14.0m； 爆破點距離尾水出口底板齒墻混凝土最近33.5m。

根據(jù)式（1），尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土控制最大單響藥量Qmax=12.76kg； 尾水出口底板齒墻混凝土控制最大單響藥量Qmax=174.92kg。

4.7.2 安全分析

（1）尾水出口左右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近。采用逐孔起爆技術(shù)，單孔藥量Q3=10.5kg＜Qmax=12.76kg。

（2）圍堰主體爆破。主要是控制爆破振動對尾水出口底板齒墻混凝土的影響。 采用單排分組爆破，3孔一組，根據(jù)圖8（b）主爆孔起爆網(wǎng)路，最大單響藥量出現(xiàn)在靠上游側(cè)3孔， 計算單響藥量可取3Q1=3×14.0=42.0kg＜Qmax=174.92kg。

（3）圍堰中部掏槽爆破。同樣是控制爆破振動對尾水出口底板齒墻混凝土的影響。 根據(jù)圖6，最大單響藥量應(yīng)出現(xiàn)在主掏槽孔，即圖8（a）中左側(cè)第二排靠上游側(cè)3孔和右側(cè)第二排靠上游側(cè)3孔，共6個主掏槽孔同時起爆。 經(jīng)計算， 主掏槽孔上游側(cè)基巖段厚6.8m，根據(jù)圖6可計算出主掏槽孔基巖段孔長7.68m，主掏槽孔裝藥長度按照70%計算［4］，單孔裝藥量：Q主掏=7.68×0.7×3.33=17.90kg， 則同時起爆的6個主掏槽孔裝藥量為6Q主掏=107.4kg＜Qmax=174.92kg。

（4）主爆孔3孔一組同時起爆與左右兩側(cè)墻貼坡混凝土最小允許安全距離確定。 按式（3）計算［1、5］。

則R=（300/10）1/1.9×421/3=20.82m。

（5）主爆孔2孔一組同時起爆與左右兩側(cè)墻貼坡混凝土最小允許安全距離確定。

根據(jù)式（3），R=（300/10）1/1.9×281/3=18.19m。

通過以上安全驗算分析， 該爆破設(shè)計滿足安全要求，當圍堰主爆孔與左、右兩側(cè)墻貼坡混凝土的距離R主＜18.19m時，必須采用逐孔起爆技術(shù)；當18.9≤R主＜20.82m時，可采用2孔一組同時起爆；當R主≥20.82m時，可采用3孔一組同時起爆。

5 爆破效果

尾水隧洞出口圍堰爆破拆除工作全部結(jié)束后，順利通過了監(jiān)理驗收。圍堰拆除爆破期間，每茬炮爆破時，前部均覆蓋有上茬炮爆破渣體，水平方向由于較厚渣體覆蓋，基本不飛石；孔口飛石高度基本控制在3.0m以內(nèi)。 左右兩側(cè)墻貼坡混凝土表面未發(fā)現(xiàn)爆破振動裂隙， 未發(fā)生個別飛石砸壞貼坡混凝土表面需要修復(fù)現(xiàn)象， 爆破振動對左右兩側(cè)墻貼坡混凝土的影響控制在了允許范圍內(nèi)。 尾水出口圍堰的順利爆破拆除， 為水電站首臺機組發(fā)電奠定了堅實的基礎(chǔ)。 圍堰拆除后的尾水出口，如圖9。

圖9 圍堰拆除后的尾水出口

6 結(jié)語

在水電站尾水隧洞出口圍堰拆除爆破施工中，通過采用孔內(nèi)接長雷管解決了雷管腳線長度不足的問題； 通過左右兩側(cè)墻貼坡混凝土附近一定范圍內(nèi)巖體及圍堰上游側(cè)巖體預(yù)拆除， 解決了爆破振動對混凝土的影響問題； 通過每茬炮前部預(yù)留上茬炮渣體覆蓋，解決了水平方向爆破飛石問題；通過圍堰上游側(cè)的尾水出口內(nèi)充水， 解決了爆破后石渣涌入尾水出口的問題；孔內(nèi)下套管，解決了上覆渣體內(nèi)鉆孔成型及裝藥困難問題；加大孔底超深，解決了圍堰底部欠挖問題。 實踐證明：在爆破施工中，通過分析爆破施工中存在的問題， 綜合利用現(xiàn)有爆破技術(shù)和當?shù)刭Y源條件，順利完成爆破施工任務(wù)。