大直径倾斜炮孔预裂爆破在缓倾角边坡中的应用

大直径倾斜炮孔预裂爆破在缓倾角边坡中的应用

1上水库分层开采,的工程布置张湾引水蓄能站位于河北省石家庄经义县测鱼市附近的甘陶河支流。是一座三级工程。四个单元安装了250米的线路，总安装功率为1000米。建成后，它被转移到左安县，并承担着调峰填谷、频率调相和应急事故等待的发电任务。电站的上水库位于老爷庙山顶,采用开挖与筑坝相结合的方法围成水库.坝顶轴线长2846.088m,坝顶高程812m,坝顶宽8.0～10.0m,上游迎水面坝坡开挖区、回填区坡比均为1∶1.75,开挖、回填完成后分两次铺填60cm厚碎石垫层,分两次碾压,碾压合格后表面喷洒1.5kg/m2乳化沥青进行保护,下标段进行库盆沥青混凝土防渗面板.下游回填坝坡1∶1.5,回填完成后进行30cm厚干砌块石护坡.最大坝高57m.水库正常蓄水位为810m,死水位为779m,工作水深31m.总库容789.0万m3,调节库容717.5万m3.主要工程包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理等.其中,全库盆沥青混凝土防渗面板总面积为34.5万m2.2边坡开挖的特点水库库盆边坡开挖分为两部分.其中,自ᐁ811m至ᐁ777.218m高程的开挖面积为113577m2,开挖最大边坡斜长98.1m;开挖处的岩石为长城系大红峪组石英砂岩,质地坚硬、性脆,抗压强度为81～312.7MPa;高倾角节理裂隙较发育,因层间错动而形成众多软弱夹层,其强度低,局部岩体较破碎,地质条件复杂.该处属一等一级永久建筑物的边坡开挖.与其他工程相比,该处边坡开挖具有3个突出特点:(1)钻爆工作量大,施工工期短.1∶1.75边坡砂岩开挖面积达95000m2,保护层开挖方量858600m3,而合同工期仅14个月(2004年4月1日～2005年5月31日),因而月开挖强度高.更重要的是保护层的开挖只能采用手风钻造孔,即使投入大量的手风钻机,也很难保证工期.(2)钻孔工作难度大.首先,开挖形成的边坡坡度很缓,其坡比为1∶1.75.这种边坡与陡倾角边坡不同,它不能直接采用与坡面平行的炮孔,因而不能直接通过光面爆破形成平整的坡面,而只能采用特殊措施以形成光面.其次,此处岩石硬、脆、碎,不仅爆后难以形成规整的表面,而且爆破震动容易引起围岩的破坏,给围岩的保护工作带来很大的困难.(3)开挖质量要求高.在形成永久边坡以前,要求竖直方向预留6m厚、水平方向预留宽8～10m的保护层,既不能欠挖,也不允许超挖深度大于20cm,还须避免爆破对永久边坡产生破坏和扰动作用.这些特点使得该处不能采用传统的边坡开挖爆破方法,而必须探索新型高效的边坡保护层开挖施工工艺.否则,既无法满足施工进度和工期的要求,也难以保证边坡开挖质量.3主要爆破方案的确定一般水电工程中的边坡,都属陡倾角边坡.这种边坡的开挖,只要采用光面爆破即可.即使岩石破碎,采用预裂爆破也能在形成规整坡面的同时保护围岩.但该工程边坡的坡比为1∶1.75,属缓倾角边坡,而且开挖质量和围岩保护的要求高,虽然也可以采用预裂爆破以保护围岩,但预留保护层只能采用手持式风动凿岩机钻孔,不仅设备投入量很大,而且钻孔角度难以把握,较难保证开挖所成坡面的平整性.更重要的是这种钻孔设备的工作效率低,无法保证施工进度和工期,且其爆破成本也较高.因此,边坡开挖质量和施工进度要求与施工条件之间形成矛盾.针对这一矛盾,根据已有的钻孔设备以及钻爆经验,进行了认真的分析研究.在此基础上确定了采用预裂爆破、预留保护层以保护坡面岩石的基本原则和总体爆破方案,并根据此原则进一步拟出下列两种具体钻爆方案供现场生产性试验.方案Ⅰ采用直径为102mm的炮孔进行预裂爆破,预裂炮孔与设计边坡平行,炮孔孔底到永久边坡线的水平距离为10m,铅直距离为5m,即水平方向预留10m宽的保护层,竖直方向预留5m厚的保护层.预留保护层采用手风钻造孔进行浅孔弱爆,预留保护层以外的岩体采用液压钻机或古河钻机造105mm直径的大炮孔作为主爆炮孔进行梯段大爆破.此方案的特点是对保护围岩有利,但手风钻的造孔工作量大,爆破工期难以保证.方案Ⅱ除了将方案Ⅰ中水平方向预留保护层的宽度由10m减至3m外,其余均与方案Ⅰ相同.这样做的目的是要减少手风钻的造孔工作量,加快施工进度.但此方案能否达到保护围岩的目的,尚无把握.针对上述两种爆破方案,进行了现场生产性对比试验.试验表明,水平方向若预留10m宽保护层并采用手风钻造孔爆破预留的保护层,开挖面积过大,根本无法保证施工进度.因此,只能采用方案Ⅱ,即水平方向距永久边坡线预留3m宽的保护层先进行预裂爆破,待预裂缝形成后,缝后的预留保护层采用手风钻造孔爆破,预裂缝以外的岩石则采用液压钻造直径为105mm的垂直孔进行梯段大爆破.这样,可大大减少手风钻的钻孔工作量而增加梯段大爆破的工作量,显著提高开挖工效,保证施工进度.同时,试验证明,施工预裂缝能有效地阻止预裂缝以外梯段大爆破所产生的爆破裂隙向建基面延伸或使原有节理裂隙面、层面扩张,可减少梯段爆破地震效应对边坡面的破坏和扰动,保护永久边坡.因而,此方案是可行的.4爆炸参数4.1孔道制剂密度对于该部分爆破来说,钻孔是影响爆破质量的重要因素.预留3m水平保护层预裂方案实际上是较为冒险的.实施此方案时,预裂炮孔的造孔角度偏差以及钻孔是否处于同一面上是保证建基面平整度、减少爆破震动影响的关键之一,也是钻孔施工中的质量控制重点和难点.预裂孔的线装药密度则是关系到梯段爆破在被保护岩体中产生的爆破裂隙延伸长度和原有节理裂隙面、层面等是否扩张延伸的关键.线装药密度过大,保护层下面的岩石就会产生相应的扰动和裂隙.过小,则炮孔间的预裂缝不能贯通,因而无法有效地阻止梯段爆破地震波对保护层以及建基面的破坏作用.因而它是爆破设计与装药过程中质量控制的重点和难点.4.2确定预应力梯段爆破范围为了准确确定施工预裂孔的间距、线装药密度以及梯段爆破参数,进行了两组现场对比试验,其预裂炮孔间距分别为2m和2.5m.经过第一梯段预裂炮孔倾角试验,确定梯段高度为6m,选用英格索兰ECM-580液压钻、古河HCR1200-ED钻机造孔,孔径为102mm.同时为减少预裂爆破地震效应对边坡建基面的破坏作用,阻止梯段爆破在岩体中产生的爆破裂隙向建基面的延伸,确定预裂孔装药范围超出梯段爆破范围1.0～1.5m.4.3预应力管道预裂爆破试验线装药密度先按下列经验公式进行初算:Qx=0.042[σp]0.5α0.60Qx=0.042[σp]0.5α0.60式中,Qx为线装药密度(kg/m),全孔装药量扣除底部增加的装药量后除以装药长度;σp为岩石极限抗压强度(MPa);α为炮孔间距(m).根据当时的地质条件,取σp=44.3MPa,预裂炮孔的间距α=2m,经计算得Qx=0.042×44.30.5×20.60=0.424kg/m.为验证上述计算结果的准确性,在第一梯段边坡进行了现场预裂爆破试验.试验效果表明,预裂炮孔间距分别为0.8、0.9和1.0m时,对应的线装药密度以0.35、0.375、和0.40kg/m为宜.综合考虑以上两种方法所得结果,确定预裂炮孔孔距为2m时对应的线密度0.550kg/m;孔距为2.5m时,对应的线装药密度则为0.62kg/m.有关爆破参数见表1.4.4预裂孔典型药剂结构工程边坡的开挖采用业主提供的2#岩石乳化炸药,药卷直径分为32mm、70mm、80mm3种。其装药结构因爆破炮孔的不同而异.爆破孔、缓冲孔、预裂孔的装药结构分别如下:(1)爆破孔采用直径70mm的乳化炸药卷连续装药,孔底加强装药,单位耗药量一般控制在0.63kg/m3以下,相应的单孔装药量为20～38.4kg.(2)缓冲孔采用直径为70mm的药卷连续或间隔装药,单位耗药量一般控制在0.5kg/m3以下,相应单孔装药量不超过9.5kg.(3)预裂孔所用药卷的直径为32mm,采用间隔装药.预裂孔间距2m时,底部连续装药3卷,中部各药卷间的距离为14～15cm,孔口段采用减弱装药,即按相同的间距装半卷炸药,共装2段.预裂孔间距2.5m时,将中部药卷之间的间距改为10cm,其余保持不变.预裂孔的典型装药结构如图1所示.4.5缓冲及主爆孔的孔距排距预裂分两个区,A区预裂孔孔距2m,B区孔距2.5m.缓冲孔的孔距×排距为2m×2.5m;1至3排主爆孔的孔距×排距为3m×2.5m;4、5排主爆孔增至4m×2.8m;第6排主爆孔为4m×2.5m.4.6冲孔起爆时差爆破网络采用导爆索和毫秒微差导爆管雷管传爆,电雷管起爆.各炮孔起爆次序为:预裂孔→主爆孔→缓冲孔.其中,主爆孔网络沿最小抵抗线方向依次分段起爆,一段最大起爆药量不超过150kg,施工预裂孔一段最大起爆药量不超过70kg.各炮孔起爆时差分别为:预裂孔先于最小抵抗线方向的主爆孔75ms以上.沿最小抵抗线方向依次分段的主爆孔、缓冲孔起爆时差控制在25～50ms.5主爆孔爆破参数为稳妥起见,上述爆破方案和具体爆破参数确定后,又进行了现场生产性试验.试验在库盆Ⅱ区砂岩开挖部位桩号K0+462～K0+507、平行0+120.2～0+138.3范围内进行.试爆结束后经业主、监理、设计和施工承包方联合检验,预裂孔半孔率达75%以上,预裂面和预裂孔开口后1.5m范围处无爆破新生裂隙,开挖质量满足对3m保护层和建基面的保护.鉴于现场试验的成功,监理同意在砂岩边坡开挖中采用水平方向预留3m宽保护层的预裂爆破方案,并批准采用下述爆破参数:(1)施工预裂孔孔斜1∶1.75,孔长12m,孔径102mm,孔距2m,预裂孔距设计永久边坡水平距离3m,孔内采用Φ32乳化炸药间隔15cm装药,孔口堵塞长度0.8m.(2)缓冲孔孔径105mm,孔斜1∶1.75,孔距2m,距预裂孔水平距离2.5m,堵塞长度1.0m,炸药单耗0.5kg/m3,采用Φ70乳化炸药不耦合装药.(3)第1排主爆孔孔径105mm,倾角45°,孔距3m,距缓冲孔2.5m,各主爆孔孔底距预裂孔最小距离1.1m,炸药单耗0.63kg/m3.经过一段时间的开挖实践,证明所采用的爆破方案是合理、可行的.6浅孔弱爆相结合的开挖爆破技术张河湾抽水蓄能电站上水库砂岩