深孔预裂爆破技术在水电站高边坡开挖施工中的应用

王利WANGLi

（中国水利水电第十工程局有限公司，成都610083）

（SINOHYDROBureau10Co.，Ltd.，Chengdu610083，China）

摘要：四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程右岸厂房高边坡开挖施工中，采用梯段爆破和深孔预裂爆破技术，对边坡扰动较小，确保了边坡的稳定和安全，为类似工程高边坡施工提供借鉴和成功经验。

Abstract:InthehighslopeexcavationandconstructionofSichuanJialingShangshipanpowerandnavigationintegratedprojectrightbankpowerhouse,itusedbenchblastinganddeepholepre-splitblastingtechnology,whichhadsmalldisturbancesontheslopeandensuredtheslopestabilityandsecurity,soitprovidedsuccessfulexperienceandreferenceforhighslopeconstructionofsimilarprojects.

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关键词 ：深孔；预裂爆破；水电站；高边坡；应用

Keywords:deephole；pre-splitblasting；hydropowerstation；highslope；application

中图分类号：TV542文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）21-0141-04

0引言

预裂爆破是水利水电工程开挖施工广泛采用一项施工技术。所谓“预裂爆破”，从其爆破机理的角度而言，当进行预裂爆破之后，会在岩体中出现一道裂缝，贯穿于需要爆破的整体岩体。当实施爆破时，主炮孔会释放出应力波，在裂缝中能够将应力波反射或者吸收，以起到一定程度的屏障作用，避免保留岩体受到破坏。可见，在岩体上形成贯穿裂缝，是达到爆破预期目标的重点。预裂爆破与光面爆破的区别在于预裂爆破在岩石开挖破坏前就预先沿设计轮廓线爆出一条具有一定宽度的裂缝，在爆破网络中是最先起爆的，而光面爆破是最后起爆的。

四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程右岸厂房高边坡基岩主要为J2s2-5粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩结构，为了确保边坡稳定，特别是EL445m～EL425m高程段垂直开挖边坡的稳定，本工程边坡开挖采用了深孔预裂控制爆破技术，改进了采用传统手风钻造孔进行浅孔预裂或光面爆破的施工工艺，为类似工程施工提供借鉴和成功经验。

1工程简介

嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程为嘉陵江干流广元至苍溪河段梯级开发的第一级，坝址位于广元市嘉陵江河段下游，距广元市区约11km。工程为河床式开发，水库正常蓄水位472.50m，总库容6860万m3，电站额定水头13.40m，引水流量253.4m3/s，电站装机容量30MW，贯流式机组。多年平均发电量12717万kW·h。电航枢纽建筑物主要包括：左岸连接坝段、船闸、13孔泄洪冲砂闸、发电厂房、开关站及右岸连接坝段组成。厂房作为拦河枢纽的一部分，布置在右岸。厂区枢纽建筑物包括进口建筑物、主厂房、副厂房、开关站、进厂交通及尾水渠等。其中主机间与安装间并排布置，安装间位于主机间右侧，开关站布置在安装间下游侧岸上。进口建筑物包括拦沙坎、上游厂闸导墙、进水前池、上游右侧岸墙及护坡。进水前池上游设置拦沙坎，左侧连接上游厂闸导墙。主机间顺水流方向宽18.3m，沿坝轴线方向长31.30m，厂房净宽14.5m；安装间沿坝轴线方向长度28.30m，顺水流向18.30m，与主机间之间设一道永久沉陷缝。开关站布置于安装间下游，平面尺寸为26.24m×12.24m。

厂房位于漫滩与河床边缘，覆盖层厚9.7m～13.7m，下伏基岩主要为J2s2-5粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，强风化岩体厚度0～4.5m。弱～微风化岩体岩石质量指标RQD＝71～95％，饱和抗压强度6.7～9.1MPa，岩体工程地质分类属ⅣC1类。厂房右岸边坡开挖高程为EL510m～EL425m，垂直开挖高度为85m，其中EL510m～EL445m开挖坡比为1:0.5，EL445m～EL425m为垂直开挖，石方开挖工程量为22.1万m3。

2预裂爆破技术

2.1预裂爆破的定义

预裂爆破就是事先沿着设计开挖轮廓线打一排减小孔距的平行炮孔作为预裂孔，对这些预裂孔减小装药量，采用不耦合装药，在开挖区主爆孔爆破前，首先同时起爆这些轮廓线上的预裂孔，这样就会沿着设计轮廓线事先形成一条平整的预裂缝，然后再起爆主爆破孔组，这就是预裂爆破技术。它与光面爆破的区别在于预裂爆破在岩石开挖破坏前就预先沿设计轮廓线爆出一条具有一定宽度的裂缝，在爆破网络中是最先起爆的，而光面爆破是最后起爆的。

2.2预裂爆破的作用机理

预裂爆破的作用机理是：进行预裂爆破后，在岩体中形成一条贯穿裂缝，这一裂缝能反射或吸收随后起爆的主爆破孔的应力波，起到屏蔽作用，从而起到最大限度地减小对需要保护岩体的破坏程度。要达到预裂爆破的效果关键是形成定向的贯穿裂缝。

2.3影响预裂爆破因素

影响预裂爆破的主要因素包括以下几个方面：

①岩石的物理力学性质和地质条件的影响。预裂爆破的主要参数均与岩石的物理力学性质和地质条件有直接关系，因此在进行预裂爆破设计时，应取得比较准确的岩石力学性能参数，以保证选取预裂爆破参数的准确性。

②不耦合作用的影响。不耦合作用就是利用装药与孔壁之间存在的间隙，降低炸药爆破作用在孔壁上的初始压力。实践证明，一般不耦合系数在2～4范围内均可获得较理想的效果。在允许的线装药密度下，不耦合系数可以随孔距的减小而适当增大。

③装药结构的影响。为证明细长药卷间隔装药起爆的可靠性，必须在炮孔内沿孔全长敷设导爆索，由于炮孔孔底的夹制作用，一般孔底装药量可增加2～3倍。

④起爆时间间隔的影响。为确保减震作用，必须使预裂孔超前于主爆破孔，超前时间至少100ms。但在含水量或岩石松软的岩体，为防止预裂缝被填充，预裂孔可超前主爆破孔50～100ms起爆。

⑤钻孔质量的影响。一般要求钻孔在一个平面上，垂直于钻孔平面偏差小于20cm，孔底落在一条线上，偏差不大于15cm。否则预裂面就会凹凸不平。

⑥预裂孔的布置的影响。预裂缝的作用是削减应力波的作用和地震效应对岩壁的影响，因此预裂孔的深度一般要超过主爆破孔一定深度。

⑦堵塞长度的影响。良好的堵塞长度是保持高压爆破气体所必须的结构，堵塞过短或装药过多有造成孔口形成漏斗状的危险。过长的堵塞长度或过少的装药则难以使顶部形成完整的预裂缝。堵塞长度一般取孔径的12～20倍为宜。

2.4预裂爆破的起爆

为保证预裂爆破起爆效果，采用导爆索起爆，并采用分段并联法连接。由于光面爆破孔是最后，导爆索有可能受到超前破坏，为保证周边孔准时起爆，对光面爆破孔可采用高段位延时雷管与导爆索双重起爆法起爆。预裂孔与主爆破孔组成同一网络起爆，预裂孔一般超前于第一排主爆破孔50～100ms起爆。

2.5预裂爆破质量控制标准

一般根据预裂缝的宽度、新壁面的平整程度、留下的孔痕百分比以及减震效应的百分比等来衡量预裂爆破的效果。①要求验收在预裂缝面上形成贯穿裂缝，表面裂缝宽度应不小于1cm。②围岩壁面不平整度允许差为15cm。③壁上孔痕百分比在硬岩中不少于80%，在软岩中不少于50%。④降低爆破地震效应是预裂爆破的重要优点，一般要求减震效应应达到设计和预估减震百分比的要求。

3预裂爆破参数设计

为使开挖面符合设计轮廓线，保证坡面基岩的完整性和开挖面的平整度，在厂房边坡开挖施工时采用梯段开挖先预裂的爆破方法施工。根据设计结构要求，原则上采用深孔预裂爆破，不具备深孔预裂时，预裂孔深不得小于5m。

3.1预裂炮孔布置

为便于控制造孔角度，提高开挖质量，预裂爆破孔采用阿特拉斯D9钻机造孔，造孔直径70mm。根据施工经验，预裂孔间距为60～80cm。预裂爆破深度根据岩石情况和设计结构要求综合确定，原则上采用深孔预裂。当岩石较差时，造孔较深会引起塌孔，影响爆破效果，此时，预裂孔钻孔深度与每台阶梯段高度同步施工。

3.2预裂炮孔装药

选用?准32mm岩石硝铵炸药，采用间隔不耦合装药结构，根据岩石情况，线装药密度初步拟定为250～350g/m，泥岩和强风化岩体选用250g/m，较完整砂岩选用250g/m。预裂爆破起爆网络采用非电导爆系统，导爆索传爆，起爆方式同梯段爆破。预裂孔起爆时间应超前主爆孔100ms。预裂爆破施工流程见图1。

3.3预裂爆破参数（表1）

4梯段爆破设计

4.1爆破设计要求

①严格控制爆破振动、空气冲击波、飞石等危害，防止不安全事故的发生。②根据爆区地形、地质条件和开挖要求确定孔位、孔斜、孔距、孔深等爆破参数。③根据爆破效果修改爆破设计，使爆破质量达到最优。④力求选用高效率的钻孔设备。⑤采用技术可靠、经济合理的爆破技术。⑥装药前清除孔内残碴和积水，严格按照调整计算好的药量进行装药。⑦认真做好梯段爆破炮孔堵塞，采用黄泥堵塞，禁止采用石块和易燃材料堵塞。

4.2布孔方式

根据梯段爆破施工经验，为了使爆破效果更好、尽量减少大块径爆碴、并有利于开挖台阶面的稳定和整齐，爆孔拟采用斜孔形式。为了增加一次爆破工程量，采用多排孔微差爆破。根据结构形式，每一梯段爆破孔布置多排孔，采用梅花型布置。

4.3梯段爆破参数设计

4.3.1梯段爆破台阶高度H

根据本工程石方开挖规模，结合本工程岩石情况，造孔太深时，会出现塌孔梯段爆破采用阿特拉斯D9或913D履带式钻机造孔，局部边角部位辅以TY-28手风钻造孔。根据岩石情况，岩石较差时，每层台阶高度按5m设计，岩石较好时，每层台阶高度按6～10m设计。

4.3.2钻孔直径D

梯段爆破主爆破孔采用阿特拉斯D9或913D履带式钻机造孔，造孔直径为60mm。

4.3.3爆破孔孔斜β

根据梯段爆破施工经验，斜孔倾角取75°左右有利于改善梯段爆破效果和爆破石渣块径。

4.3.4超深h

设计超深是为了克服台阶地盘的夹制作用，使爆破后不留岩坎而形成较为平整的底部。

根据梯段爆破施工实践经验，超深h可按经验公式确定，

h＝（0.12～0.30）H，H取5m计算，因台阶高度较小，取超深h＝0.12×H＝0.12×5m＝0.6m。

4.3.5孔深L

孔深由台阶高度和超深确定。

倾斜孔孔深L＝（H+h）/sinβ＝（5m+0.6m）/sin75°＝5.8m。

4.3.6底盘抵抗线W1

根据梯段爆破施工实践经验，底盘抵抗线W1过大爆破根底多、大块率偏高、后冲作用大的后果；底盘抵抗线W1过小不仅浪费炸药、增大造孔工作量，而且容易抛散岩块、产生飞石、危及安全。根据经验公式确定底盘抵抗线W1：

按爆孔直径计算：W1＝nD，其中n经验取值为20～40，硬岩取小值，软岩取大值。根据招标地质资料，枢纽区域岩石主要粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及砂岩，岩石强度相对较低，n值取30计算，W1＝30D＝30×60mm＝1.8m。

4.3.7孔距a和排距b

孔距a＝m×W1，式中m为密集系数，一般经验取0.8～1.4，第一排孔孔距取密集系数1.1。

则第一排孔孔距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计算，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单位耗药量q

一般而言，岩石越坚硬完整，单位耗药量越高；要求破碎的块径越小，单位耗药量越高。根据施工要求和岩石性质综合考虑，梯段爆破单位耗药量初步拟取0.3kg/m3，开挖时，通过爆破试验做相应调整。

4.3.9单孔装药量Q

第一排孔单孔装药量：Q＝qaW1H＝0.3kg/m3×2m×1.8m×5m＝5kg；第二排孔及以后各排孔单孔耗药量：Q＝kqabH，式中k为克服前排孔岩石阻力的增加系数，经验一般取1.1～1.2，取k＝1.1计算：

Q＝kqabH＝1.1×0.3kg/m3×2.16m×1.73m×5m＝6kg。

4.3.10堵塞长度L2

合理的堵塞长度和良好的堵塞质量，有利于改善爆破效果和提高炸药能量利用率。过短的堵塞长度会造成炸药能量损失，且易产生飞石、冲炮；过长的堵塞长度会大大降低延米爆破方量，且容易在孔口形成大块径爆碴。

堵塞长度L2按照经验公式选取，即：

L2≥（0.75～1.0）W1或L2=（20～40）D，取L2=130cm～150cm。

梯段爆破采用Ф50mm的岩石硝铵炸药，每条炸药卷重400g，长度为20cm。

第一排孔单孔装药量为5kg，采用间隔装药，堵塞长度L2为150m。第二排孔及以后各排孔单孔装药量6kg，采用间隔装药，堵塞长度L2为130cm。

4.3.11梯段爆破规模

每一梯段爆破开挖面积约为600m2，布孔15排，共165个爆破孔，每一梯段爆破开挖方量约3000m3。

4.3.12梯段爆破参数（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，为减小单响药量，可将单排爆破孔分段起爆，或采用孔内延时的起爆方式。其工作原理是：先爆孔为相邻的后爆孔增加新的爆破自由面，应力波的相互叠加作用和岩体间发生猛烈碰撞，使被爆破岩体获得良好破碎，并相应提高了炸药能量的利用率，同时降低了爆破地震效应。（图2-6）

5总结

四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程右岸厂房高边坡开挖施工中，采用梯段爆破和深孔预裂爆破技术，预裂后的岩石坡面不平整度控制在10cm内，壁面上的孔痕百分比达到85%以上，特别是EL445m～EL425m高程段垂直开挖边坡未出现边坡垮塌现象，预裂控制爆破对边坡的扰动较小，施工效果较理想，确保了施工安全和施工进度，为类似工程施工提供借鉴和成功经验。

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参考文献：

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[4]郭进平等编著.新编爆破工程使用技术大全[M].光明日报出版社.

[5]陈晓波著.爆破参数选择与质量控制.

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