深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用

深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用

深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用赵根，吴新霞，周先平，黎卫超，胡英国，吴从清（长江水利委员会长江科学院，武汉430010）摘要：为实现深水条件下的岩塞钻孔爆破贯通与成型，系统研究深水条件下岩塞钻孔爆破的贯通机理。提出结合隧洞开挖的岩塞爆破试验方法，对岩塞钻孔爆破参数的合理性、爆破器材的防水抗压性能以及起爆网路的可靠性、施工工艺等进行现场试验；对岩塞在库区与隧洞内外不同水压差下的爆破石渣运动形态进行水工模型试验，解决了高水压条件下的岩塞钻孔爆破贯通成型、石渣运动控制等技术难题，并成功应用于长甸水电站扩机工程的岩塞爆破中。可为类似岩塞爆破工程提供参考与借鉴。关键词：岩塞爆破；电子雷管；模型试验；爆破效应1 引言基于国家“十三五”规划提出的水资源高效利用的方针，对部分水库增建水工隧洞进行二次开发是大势所趋。增建的水工隧洞进口常位于水面以下数十米甚至百米深处，如采用常规挡水围堰方案，其爆破风险及费用将成倍增加，尤其在界河流域上，由于保密和国家安全因素的影响，不允许修建围堰。在此情况下，水下岩塞爆破成为解决问题的重要途径。水下岩塞爆破不受水位消涨和季节条

件的影响，可省去工期长、成本高的围堰工程，施工与水库的正常运行互不干扰，是一种适合深水条件下的引水洞进口施工方法。岩塞爆破技术在挪威应用较早，JAEGER 等﹝1﹞早在1979年便对岩塞爆破的基本理论和方法进行了介绍。我国上世纪60年代开始应用岩塞爆破技术，基于大量的工程实践，国内岩塞爆破技术在设计方法、进水口成型、爆后岩渣处理措施以及对附近建筑物的影响等方面都有所创新。杨朝辉﹝2﹞、杨建红﹝3﹞、冯立孝﹝4﹞、刘美山﹝5﹞、任焕强﹝6﹞等基于不同的工程背景，研究了岩塞爆破的具体实施技术；赵根等﹝7﹞研究了电子雷管起爆系统在岩塞爆破中的应用；李江等﹝8﹞研究了刘家峡岩塞爆破的水工模型试验技术。受爆破器材和施工设备的限制，以往的水下岩塞爆破大多采用硐室爆破的方法，后逐渐发展为在岩塞体中部用集中药包、周边扩大部分用钻孔爆破。由于硐室爆破振动影响大，不确定性影响因素高，如今多数工程不允许或放弃采用硐室爆破的方式。相比之下，全排孔爆破有其独到的优点，在雷管延时精度逐渐提高以及钻孔施工质量明显进步的前提下，可以有效地控制单响药量，减少爆破对保留岩体以及近区建筑物的影响，安全性显著提高。然而，我国完全采用钻孔爆破仅用于岩塞直径小于6 m（印江岩口）的岩塞爆破，在大直径厚岩塞的条件下实施全排孔岩塞爆破尚未尝试和探索，未来

采用全钻孔的岩塞爆破技术可能成为关注的重点。岩塞爆破技术虽在不少工程中已得到成功应用，但已有文献大多涉及岩塞爆破施工工艺，鲜有对深水条件下的岩塞钻孔技术进行系统的阐述和总结。2 岩塞钻孔爆破贯通成型机理岩塞爆破成功的判别标准可分为：①爆后轮廓面质量满足设计要求，包括洞口形状、尺寸符合预定的设计要求，且洞壁光滑稳定、损伤小；②爆破块度、爆渣堆积满足设计预期；③周围环境安全，包括洞内结构、洞外结构及周围建筑物安全。岩塞爆破贯通成型是岩塞爆破的核心，针对深水条件下的岩塞钻孔爆破，开展贯通成型机理的研究显得尤为重要，图1为深水条件下岩塞爆破力学环境示意图。图1 深水条件下岩塞爆破力学环境示意图

Fig.1 Schematic diagram of rock plug blasting under deep water condition 进水口岩塞采用钻孔爆破时，一般围绕岩塞的中轴线依次布置掏槽孔、崩落孔和周边孔。当掏槽孔起爆时，炮孔周围岩石在爆炸能量的作用下产生强烈的压剪与拉裂破坏，并向空孔和两端临空面区域移动并抛掷，形成圆柱形的临空面；崩落孔由内而外依次起爆，破碎的岩石向掏槽孔形成的临空面做径向运动，向两端临空面进行轴向抛掷；最后，周边孔形成平整轮廓面。与此同时，在岩塞体内外水压差的作用下，库区水体经岩塞口快速涌入，并将爆渣冲入集渣坑，至此，岩塞体消失，形成贯通

的进水口。以上是岩塞爆破过程的定性描述，要顺利实现这一过程，掏槽爆破效果至关重要，如果掏槽效果不好，径向不能形成良好的临空面条件，崩落孔破碎的岩石只能向两端临空面进行轴向抛掷，可能造成岩塞体两端爆除而中部却出现残留的后果。因此，需要研究岩塞爆破的掏槽效果及影响因素，进而提出改善岩塞爆破效果的解决方案。从表观层面看，岩塞爆破与常规的隧洞掘进开挖类似，通过合理地布置掏槽孔、崩落孔以及周边孔，实现开挖成型；但需要指出的是，常规隧道掘进一个循环的爆破进尺为3～5 m，而岩塞爆破的一次爆破成型厚度一般为10 m左右，有的甚至达15～18 m。在深孔条件下，沿炮孔轴线长度方向的岩体夹制作用可能对爆破效果产生决定性的影响。图2为基于动力有限元仿真的岩塞掏槽爆破损伤分布。图2 岩塞掏槽爆破效果示意图

Fig.2 Schematic diagram of blasting effect for rock plug 从图2中可以看出，两端掏槽爆破效果较好，而中部效果略差，这表明在岩塞厚度较大时，掏槽效果首先在岩塞体中部变差。如上所述，掏槽效果是岩塞爆破的关键所在，中部掏槽效果变差必然影响该区域的贯通效果。图3为崩落孔与周边孔之间区域沿岩塞体轴线的损伤程度分布情况。岩塞两端的破碎程度较高，而在中部的损伤程度降低。为避免掏槽孔深度过大，出现炮孔中部掏槽效果不理想的情

形，可设法减少掏槽孔的深度，于是预先开挖中导洞的爆破方案应运而生（见图4）。中导洞的存在将显著改变岩塞的贯通效应，主要体现在以下两个方面。首先针对邻近中导洞部分的岩体而言，一方面很大程度解除了岩体的夹制作用；另一方面，由于中导洞的壁面为该区域岩体的破碎提供了临空面，爆炸应力波传播至临空面时反射产生拉应力波，可以加强岩体的破碎。其次，中导洞掏槽实际上减小了岩塞一次贯通的厚度。当一次贯通深度降低时，沿岩塞轴线方向的夹制作用将减弱。基于常规的施工条件和施工设备，中导洞的直径一般在3～4 m，因此，需要确定中导洞的深度。图5给出了岩塞贯通效果评价指数与中导洞深度的对应关系。图3 崩落孔与周边孔区域的损伤程度分布曲线

Fig.3 Damage distribution of position between caving holes and contour holes 图4 带中导洞的岩塞钻孔爆破示意图Fig.4 Schematic diagram of rock plug with middle drift 图5 中导洞深度与爆破贯通效果评价指数的对应关系

Fig.5 Relationship of blasting effect and the depth of middle drift 从图5中可以看出，随着中导洞掘进深度的增加，岩塞爆破效果评价指数增大，但增大趋势逐渐平缓。但在岩塞体中进行爆破开挖，形成中导洞，无疑会影响其稳定性。随着中导洞掘进深度的增加，岩塞体的安全系数降