导流隧洞进口堰前引渠水下爆破施工技术

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1、工程概况

    小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河流规划八个梯级水电站中的第二级，小湾水电站导流隧洞进口围堰堰外引渠开挖参数为：1＃导流隧洞宽26.6m；2＃导流隧洞宽26.6m～38.35m，中墩保留宽20.8m；引渠底板开挖高程为988m。导流隧洞堰外引渠开挖长度（水流方向）为26～35m。2003年11月下旬实测流量为730m3/s，枯水期水位为1003.7m高程，围堰前期部分堰外引渠开挖至996～998m高程，为提供F5沟出渣通道，将围堰外侧回填至1016m高程形成出渣道路，为减少钻孔难度及工程量，根据澜沧江水位将堰外堆渣体平台高程降至1004m高程，再进行水下爆破钻孔施工。但回填石渣深度仍有3～15m左右。     导流隧洞进口1#堰外引渠ф115mm预裂孔57个，爆破孔245个，设计孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm预裂孔35个，爆破孔288个，设计孔深17.6m。设计总钻孔深度为11000米，其中回填土中钻孔深度约为5375米，水下岩石钻孔深度约为5625米。从2004年1月21日至2004年2月14日进行导流隧洞进口围堰堰外引渠预裂孔钻孔及爆破施工；2004年2月15日至2004年3月23日进行导流隧洞进口围堰堰外引渠主爆区钻孔及爆破施工，施工强度达到268m/天。     2、爆破方案选择     因进口堰外引渠爆破开挖纵深较长，达到26～35m，一次起爆药量较大，为保证围堰、预留岩埂及进水塔建筑物的安全，考虑了两种方案： 方案概述 优点 缺点 每条洞堰外引渠爆破区分两区爆破 1、有效减少一次起爆药量； 2、爆破网络连接相对简单； 3、可提供后区爆破有效及准确的临空面； 4、对周围建筑物安全影响较小。 1、前区爆破对后区爆破孔破坏防护困难，有可能造成后区爆破区前几排爆破孔无法装药； 2、施工工期长，很难保证在枯水期施工完成，对导流隧洞分流影响巨大。 每条洞堰外引渠爆破区一次爆破 1、不存在前后区爆破影响问题； 2、爆破孔网参数相对一致、简单，钻孔易于控制； 3、可通过爆破网络连接、起爆顺序及后冲方向减少对周围建筑物安全影响； 4、施工工期相对较短，满足施工工期要求，为导流隧洞分流提供有效保证。 1、一次起爆药量较大； 2、爆破网络连接复杂，网络防护困难； 3、需通过造孔记录推断爆破临空面位置； 4、对周围建筑物安全影响较大。                       根据综合考虑，最后确定每条洞堰外引渠爆破区一次爆破，既能保证工期，又能通过爆破网络减少对周围建筑物安全影响，满足工程需要。     3、预裂爆破震动前期监测     预裂孔施工采用英格索兰MZ-200及阿特拉斯PC460、HF460三台多功能钻机进行炮孔钻孔施工，人工装药爆破。根据测量放出的炮孔位置固定好地质钻机，调整钻机钻杆角度，使其满足设计要求。在回填石渣内钻孔时为防止塌孔，钻机需跟管钻进，钻孔结束后，通过钢管套管往孔内插入一根硬质PVC塑料管，将硬质塑料管引出施工平台以上30cm左右，管口采用彩条布包裹，防止石渣及杂物进入管内，引起炮孔堵塞，拔出钢管套管。PVC塑料管接口部位采用硬质接头，以防止相邻孔钻进时石渣挤压引起接口错位，影响爆破装药。炸药通过PVC塑料管进行装填，按设计爆破参数要求将炸药绑在竹条上，使药包能放置在炮孔底部。预裂孔布孔及装药参数如下：孔径ф115mm，孔距80cm，所有炮孔均超深1.5m；预裂孔装ф32mm药卷，线装药密度为0.364kg/m。1#堰外引渠ф115mm预裂孔57个，设计孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm预裂孔35个，设计孔深17.6m。     进口围堰外引渠开挖后，围堰仍需渡过一个汛期，因此，为保证围堰及预留岩埂安全渡汛，堰外预留8.0米岩埂区不清除（与围堰同时拆除），沿预留开挖线打预裂孔，预裂孔坡向江心取1：0.1角度，用以有效减少爆破质点震动对预留岩埂及防渗区的破坏，进而保证岩埂的完整性和防渗性，同时进行爆破震动安全监测，通过监测数据利用爆破振动一元回归公式可求得岩石爆破水平径向、垂直向、水平切向的K值及α值，用于堰外引渠主爆区及围堰拆除时单响药量控制计算。     为缩短工期和减少预裂孔爆破对爆破孔影响，进口堰外先进行1^# 引渠预裂孔施工，在1^# 引渠预裂孔装药爆破同时进行2^# 引渠预裂孔钻孔施工     两次预裂爆破观测测点布置图见下图：     1) 1^# 引渠预裂孔测点布置图     其中7~10^# 测点为预埋测点，测2个方向；其它均测3个方向     2) 2^# 引渠预裂孔测点布置图     其中5^# 测点为预埋测点，测2个方向。其它测3个方向。     通过监测数据显示1^# 引渠爆破振动沿水平距离衰减趋势：水平径向10.5 cm/s（堰后底，20m）~1.2 cm/s（中墩底，36m）；垂直向6.1 cm/s ~1.9 cm/s；水平切向8.6 cm/s ~2.3 cm/s；2^# 引渠爆破振动沿水平距离衰减趋势：水平径向14cm/s（灌浆区地表，距离8.3m）~2.2cm/s（中墩底，距离33m）；垂直向7.48cm/s~3.15cm/s；水平切向8.56cm/s~2.32cm/s。     根据以上数据进行的爆破振动一元回归公式：水平径向（拟用于围堰振动控制）K=54.9，α=1.47、垂直向（拟用于中墩振动控制）K=15.6，α=0.78、水平切向（拟用于中墩振动控制）K=18.7，α=0.87。     4、主爆破爆破技术     4.1爆破区钻孔及装药     主爆破区钻孔及装药方法与预裂爆破方法相同，为减小一次起爆药量，尽量减少爆破对预留岩体的破坏，采用孔内延时，孔外微差爆破网络，爆破自江边向围堰方向，一次钻爆到设计高程，采用乳化炸药、防水导爆索等防水爆破材料，且每个炮孔装四发MS15段雷管，确保一次爆破成功。为使回填石渣内大块孤石亦得到解炮，爆破孔装药需做调整，在完整岩石炮孔内连续装ф80mm药卷，回填石渣炮孔内连续装ф50mm药卷，两种炸药间采用中砂堵塞80cm，以保证岩石内炸药暴力完全作用于岩石，为解决爆破孔内两种炸药不能同时起爆，致使后爆炸药被先爆炸药压实，产生拒爆现象，在爆破孔内两种炸药装药区段绑扎一根导爆索，将爆破孔内两部分炸药联为一体。     4.2爆破区爆破孔网参数     根据以往工程经验及预裂爆破震动监测数据进行的爆破振动一元回归公式得出的岩石参数，爆破布孔参数如下：爆破孔孔径ф115mm，孔距180cm，排距180cm，所有炮孔均超深1.5m。1#堰外引渠ф115mm预裂孔57个，爆破孔245个，设计孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm预裂孔35个，爆破孔288个，设计孔深17.6m。设计总钻孔深度为11000米，其中回填土中钻孔深度约为5375米，水下岩石钻孔深度约为5625米，当最外一排炮孔位置岩石面距底板开挖988m高程大于1～1.5m时，炮孔仍需向江心方向继续延伸，直至岩石面距底板开挖面985m高程在1～1.5m时不再增设下一排相对应的炮孔。爆破网络采用孔内外微差毫秒延期复式爆破网络，为使爆破一次成功，加大起爆网络可靠性，孔外爆破网络雷管均采用双雷管，爆破孔内布置四发MS15段非电起爆雷管，以保证完全起爆。为防止孔外起爆网络雷管爆炸时飞起的石子打断起爆网络，在雷管外部用硬质塑料管包裹，尽量减少石子飞起几率。爆破装药参数：爆破孔岩石部位连续装ф80mm药卷，爆破单耗为1.76kg/m³，堆渣体部位连续装ф50mm药卷，爆破单耗为0.67kg/m³，单孔装药量为12～94kg，根据预裂爆破震动质点数据采用一元回归公式反推可求得岩石爆破水平径向、垂直向、 水平切向的K值及α值，通过计算确定最大单响药量控制在100kg以内时，周围建筑物的爆破振动质点速度满足规范要求。为尽量将预留岩埂及围堰处的爆破质点震动速度控制在允许范围内，距预留岩埂及围堰15m范围内的爆破孔均采用一孔一响，其余爆破孔为两孔一响。本次爆破单响最大药量控制在100kg以内，1#引渠爆破装药量约为11401kg，2#引渠爆破装药量约为18610kg。2＃堰外引渠一次爆破纵深较深，且一次起爆药量较大，为尽量减少爆破对围堰及预留岩埂防渗帷幕灌浆区破坏，将爆破反冲方向调整为冲向上游侧山体上。爆破网络见下图：                             4.3主爆区爆破振动监测 主爆区爆破时需要监测的重点建（构）筑物包括：围堰堰体、围堰防渗体、进水塔中墩边墩。     监测目的：监测爆破在需要保护的建（构）筑物基础或“身体”产生的质点振动速度，作为评估爆破对其产生影响程度的依据；同时，获得爆破振动沿导流洞中心线方向的传播规律，为后期的围堰拆除积累资料。     为了达到以上目的，在1#和2＃围堰堰体防渗体各布置2个内部测点，监测爆破在防渗体内部产生的质点振动速度；在1＃导流洞进水塔中墩的基础和顶部各布置1个测点；在2＃导流洞围堰内侧基础部位布置1个测点；在2＃导流洞进水塔中墩基础部位布置一个测点；沿2＃导流洞中心线方向在地板布置2个测点。同时设置摄录机对整个爆破过程进行全程录像，作为爆破效果分析一项参考资料。       1)测点布置见下图：     其中7#~10#测点为预埋测点，测2个方向；其它均测3个方向。     2）爆破振动监测成果 导流洞引水渠开挖爆破振动监测数据 部位 测点 编号 高程 仪器 编号 水平距离（m） 水平径向 垂直向 水平切向 峰值速度 （cm/s） 峰值频率 (Hz) 峰值速度 （cm/s） 峰值频率 (Hz) 峰值速度 （cm/s） 峰值频率 (Hz) 2#洞 堰后 1 EL.1105 BE8778 19.5 15 39.4 27 82 11.7 30.1 中墩底 2 EL.995 BE7483 30 2.48 68 3.76 59 3.07 76 中墩底 3 EL.995 BE8776 46 2.27 114 3.42 82 2.96 62 中墩底 4 EL.995 BE8777 61 2.31 76 2.72 79 2.3 57 1#洞 中墩底 5 EL.995 BE7485 39 3.26 82 3.87 29.7 1.92 37.2 中墩顶 6 EL.1015 BE7482 37 8.52 28.4 8.41 23.5 3.56 19.7 2#堰前  预埋 灌浆区 7 EL.992 Exp-049 9.8 46.52 500 28.55 112 ─ ─ 灌浆区 8 EL.991 Exp-048 9.8 40. 4 250 40.84 250 ─ ─ 1#堰前  预埋 灌浆区 9 EL.991 Exp-046 9.8 55 125 80 63 ─ ─ 灌浆区 10 EL.993 Exp-043 9.8 37.53 208 50 125 ─ ─ 注：1#~6#为地表传感器测点，7#~10#为灌浆区内预埋传感器测点；距离为测点到爆区边沿的最近距离。                                               3）爆破振动监测数据分析     灌浆区预埋测点：爆破在灌浆区产生的质点振动速度约为28.55~50 cm/s。Ⅱ区振速略大于Ⅰ区振速，估计与Ⅱ区爆破规模大，爆破排数多，起爆约束大有关。     围堰底部测点：垂直向振动速度略大于25.4cm/s，大于水平径向（15cm/s）及水平切向（11.7cm/s）振动，可见预裂缝明显起到阻隔水平向振动的作用，但对经孔底作用的垂直向振动减振效应较小。质点振动速度高于大体积砼抗振标准，估计与测点位于堰后深基坑边缘相关。     隔墩底部测点：1#洞、2#洞隔墩底部测点各向振速最大值3.87 cm/s，且以垂直向振速较大，与围堰底部测点振动特征一致。顶部与底部振速相比有放大效应，频率相应较低，符合相应结构体一般传播规律。     隔墩顶部测点：最大振速为水平径向8.52cm/s，1#洞中墩顶部测点振动有较大放大效应，放大倍数约2.6，且水平径向放大效应明显，这与中墩自身结构有关。该值仅可参考为胸墙砼附近的相对速度，不能与新浇砼基岩处的安全振速控制要求进行比较。     2#洞围堰后部各测点衰减趋势：水平径向15~2.48~2.27~2.31cm/s，水平切向11.7~3.07~2.96~2.3cm/s，垂直向27~3.76~3.42~2.72cm/s，频率30~114Hz。     各测点的爆破振动时间历程反映1#洞围堰爆区存在后部孔先爆现象并引起较大振动峰值，与录相过程一致，估计孔内雷管段别偏大同时延时误差较大是原因之一。爆破振动时间历程后部的峰值较均匀。     帷幕灌浆内部预埋测点：最大振动速度约50cm/s。各测点最大振速时刻约与围堰后部地表测点一致，同时表现为爆破近区振动波形特征，频率约在100~500Hz范围。可见由于帷幕区全部为基岩灌浆且上部围堰的较大压重，其抗震能力较强，较大振动下的破坏影响不致达到严重渗水的恶劣程度。     3）宏观调查及爆破效果     根据现场巡视及录相分析，爆破飞石主要来源于孔内φ80装药卡塞至孔口的部分孔，飞石主要在爆区附近20m范围内，以爆区侧向相连栈桥顶部居多，最大块度约20cm。未有孔口堵塞沙砾及水的喷射污染现象，爆后可见大部分孔口堵塞完好。     爆堆中部最大隆起高度约3m，无大面积凹陷，认为炮孔岩石段破碎效应明显。     堰体无明显破坏，施工分缝及缺陷修补表层抹面仅有局部脱皮，分缝及断层裂缝的爆破前后宽度无变化，爆后未见堰后底部基岩出现渗水浸湿点。     新浇胸墙砼（约3天龄期）抹面未见裂纹。     周围边坡喷层未见宏观破坏现象。      5、结束语     1）主爆区总装药量虽然高达30t，但采用了孔内延时，孔外微差爆破技术，仅通过4种不同段别雷管将整个爆破区进行分段起爆，最大一次起爆药量仅为94kg，通过对测点波形图分析，未发现两振动峰值重叠现象，从而达到了水下开挖爆破高单耗低单响药量控制要求，实测爆破质点振动最大速度基本满足周围建筑物爆破安全控制标准20cm/s。由此证明孔内延时，孔外微差爆破技术可通过控制单响药量来达到保护爆破区周围建筑物的安全目的。     2）根据观测爆破质点振动最大速度与理论计算值相对照，表明预裂缝起到了有效降低爆破质点振动速度作用，同时，先进行预裂爆破，并进行振动监测，通过监测数据反推爆破区岩石岩质参数，对主爆区爆破参数、孔网参数的确定，是极为有利的。     3）通过对爆破振动监测，可为后期围堰拆除提供有效、真实的参考数据，从而保证围堰拆除爆破设计做到实用、高效、易控制。对拆除爆堆形状、飞石方向预估及重点防护部位的确定，均有良好的参考作用。