水平预裂爆破在基础保护层开挖中的应用.doc

水平预裂爆破在基础保护层开挖中的应用 李样金 张贵科 摘 要 泄洪与档水大坝包括左手墙为长江三峡水利枢纽主体建筑物之一，为一等工程、I级建筑物，建基面高程由一8.00m～50.00m，建基面面积为8.8万m2，土石方开花工程量416万m3其中石方开挖工程量215万m3，具有钻爆工作量大，开花强度高，地质条件复杂，建基面开挖质量要求高的特点。鉴于以上特点，采用传统的保护层分层爆破开挖法无法满足建基面基础开挖工期和质量要求，因此三峡二期主体工程建基面保护层开挖采用水平预裂爆破辅以垂直浅孔梯段爆破法。实践证明，该施工方案工艺先进，参数确定合理，施工效率高，对按期保质完成三峡二期主体工程基础开挖起到了决定性作用。 主题词 三峡工程 基础开挖 保护层 水平预裂爆破 1 工程概况 三峡工程泄洪坝段及左厂11～14＃坝段位于长江主河床，其中泄1、2坝段位于长江主河床深槽部位为三峡大坝基础最低处，最低建基面高程为一8m，左起左厂11坝段，右至混凝土纵向围堰坝身段，自左向右依次为左厂11～14＃坝段不包括电站厂房、左导墙坝段、1＃～23＃泄洪坝段，全长675.20m，最大坝体断面宽度126.00m。左导墙垂直大坝轴线布置，上游与左导墙坝段相接，顺水流方向依次为1＃～7＃导墙，全长210.00m，最大断面宽度48.22m。 2基础开挖工程特性 泄洪坝段及左厂11～14坝段大坝基础开挖属一等I级永久建筑物的基础开挖，建筑物基础轮廓复杂，建基面高程由一8m～50m，设计建基面最大边坡高差达15m，基础开挖质量要求高。  建基面基岩为前震旦系闪云斜长花岗岩，内有细粒花岗岩脉、辉绿岩脉侵入，岩体硬度和服性较大，节理裂隙较发育。建基面以下一般为优质及良质岩体，局部存在一定的地质缺陷，主要表现为透水性较强的岩体和因断层、裂隙和岩脉影响而形成的岩体破碎带及缓倾角风化夹层，地质条件复杂。 该工程合同项目土石方开挖总量达416万m3，其中石方开挖215万m3，月最高开挖强度为32万m3，保护层开挖工程量26万m3，月开挖强度约6万m3；建基面面积8.8万m2，建基面清理月强度约3万m2。 泄洪坝段及左厂11一14坝段基础开挖工程的综合特性为钻爆工作量大，建基面基础轮廓复杂，月开挖强度高，工期短合同工期为1998年7～12月，建基面开挖质量要求高等。 3 保护层开挖方案的确定 鉴于泄洪坝段及左厂11～14坝段基础开挖工程的以上特点，采用传统的保护层分层爆破开挖法无法满足建基面开挖工期和质量要求，因此三峡二期主体工程建基面保护层开挖必须研究探索新型高效的施工工艺。 经参建各方认真研究和对LLt选择了孔底充填柔性垫层的保护层一次爆破法和水平预裂辅以垂直浅孔梯段爆破法两种方案作为大坝基础保护层开挖的主要方案。 后经现场生产性爆破试验对比，孔底充填柔性垫层的保护层一次爆破法不适于三峡地区的节理裂隙较发育、脆性较大的岩体开挖。因此决定采用水平预裂辅以垂直浅孔梯段爆破相结合的施工方案，快速开挖保护层。 该方案主要利用水平预裂缝减小梯段爆破地震效应对水平建基面的震动作用，可有效阻止梯段爆破在岩体中产生的爆破裂隙使节理裂隙面、层面的破坏延伸到建基面，从而减轻了建基面的整修清理工作量，大大加快了施工进度。 4 爆破设计与施工 4.1 保护层厚度的确定 根据招标文件的有关规定，并结合三峡地区的地质条件、岩体特性和现场生产性爆破试验成果对比分析，确定保护层厚度按上一层梯段爆破药卷直径的35倍控制，且不小于2.5m，最终确定保护层厚度为2.5～3.0m。 4.2 爆破参数的确定 4.2.1 水平顶裂参数的选择与确定 ①钻孔直径D 根据我国水利工程边坡预裂爆破一般采用孔径为80～110mm的施工经验，并结合三峡二期工程现有的钻孔机械设备的性能特点，选择KQL-100型快速钻和CM351液压钻为水平预裂孔的主要钻孔机具，钻孔直径分别为100mm和105mm两种，其次选择手风钻为辅助钻孔机具，钻孔直径为45～50mm。 ②钻于孔间距a钻孔间距a和钻孔直径D的关系可用间距系数n来表示a＝nD；n值的大小决定着钻孔的数 量，n值过大，不能保证预裂缝的形成，影响预裂效果；n值过小，将增加钻孔数量，不经济，并且影响施工进度。根据经验般认为n值取7～12较合适。 经多次生产性试验和施工总结，确定采用KQL一100和CM351钻机相应钻孔直径分别为100mm和105mm施工时，设计钻孔间距80～100cm，n值为8～10；采用手风钻相应钻孔直径45～50mm施工时，设计钻孔间距40～50cm，n值为10。 ③不偶合系数E 根据钻孔直径D的大小选择药卷直径d。不偶合系数E是指钻孔直径与药卷直径的比值，可用E＝D/d表示。用于三峡工程预裂爆破和光面爆破的药卷直径有32mm和25mm两种，钻孔直径为100～105mm时，选用32mm直径的药卷，E值为3.1～3.3，钻孔直径为45～50mm时，选用25mm直径的药卷，E值为1.8～2.0。 ④钻孔深度L 水平预裂的钻孔施工难度较大，当钻孔深度过大时孔深超过10m时，钻孔水平精度难以掌握，往往出现向下偏斜，造成孔口与孔底不在同一高程上，最大偏差达50cm，为保证建基面的开挖平整度，实际钻孔过程中除严格控制开孔孔位高程和角度外，还必须控制钻孔深度。当采用KQL一100和CM35l钻机时，钻孔深度以≤10m为宜，采用手风钻钻孔时，钻孔深度以≤3m为宜。 ⑤线装药密度⊿线 根据三峡地区花岗岩的岩性，微新岩石的抗压强度一般均在850～1 100kg/cm2以上，参照其它水利工程和三峡一期工程的经验，选择经验公式为 ⊿线＝0.034[σ压]0.63a0.38 式中 ⊿线线装药密度kg/m [σ压]岩石极限抗压强度kg/cm2 a钻孔半径m 依据上式计算的结果，并经生产性试验不断调整线装药密度，最终确定线装药密度为380～450g/m。 ⑥装药结构设计水平预裂与一般边坡预裂有着本质上的区别。一般边坡预裂爆破是在无限体中进行的，底部夹制作用较大，而水平预裂爆破是在2.5～3.0m厚的有限体中进行，类似于光面爆破，底部夹制作用小。爆破施工过程中，为方便施工，根据钻孔深度的不同，将确定的线装药密度均匀分布在孔内，孔底40cm范围内装药密度适当增加一倍，孔口堵塞长度以下50cm适当减小一半药量。典型装药结构见图l。 图1 水平预裂孔典型装药结构图 表1 爆 破 参 数 表 爆破 类型 钻孔机具 孔径D （mm） 孔距 a cm 排距b cm 孔深L （m） 布孔 型式 药卷直径 （mm） 单位耗药量 备注 水平 预裂 爆破 KQL-100快速钻 100 80～100 ≤10 32 380～450g/m 水平预裂范围超出 浅孔梯段爆破范围 的距离e取1.0～2.0m,浅段爆破孔 孔底为距水平建基面距离c为0.8～1.0m。 CM351液压钻 105 80～100 ≤10 32 380～450g/m 手风钻 45～50 40～50 ≤3.0 25 300～350g/m 浅孔 梯段 爆破 CM351液压钻 105 150～180 100～120 2.0～2.2 梅花型 50 0.55～0.6kg/m 保护层厚度为3.0m ROC848液压钻 89 150～180 100～120 2.0～2.2 梅花型 50 0.55～0.6kg/m 保护层厚度为3.0m 手风钻 45～50 100～120 50～60 1.5～1.7 梅花型 32 0.50kg/m3 保护层厚度为2.5m ⑦堵塞长度L1堵塞长度一般按经验公式上L1＝1～1.2a考虑。实践证明，孔口堵塞长度对水平预裂面的效果有一定影响，堵塞长度过短，则爆破时气体逸出，不易形成预裂缝或预裂缝宽度不够；堵塞长度过长，则在孔口附近部位易残留水平炮孔。实际施工中的堵塞长度根据爆破效果进行不断调整修正，一般取80～100cm为宜。 4.2.2 浅孔梯段爆破参数的选择 ①钻孔直径与药卷直径 根据三峡二期工程现有的钻孔机械和药卷品种规格，选用CM351和ROCC848液压钻为浅孔梯段爆破孔的主要钻孔设备，钻孔直径分别为105mm和89mm，相应使用直径50mm的药卷；手风钻作为辅助钻孔设备，钻了孔直径为45～50mm，相应药卷直径为32mm。 ②钻孔深度 钻孔深度视保护层厚度而定，但必须控制钻孔底部在距建基面0.8～1.0m处终孔，当保护层厚度为2.5m时，钻孔深度一般为1.7～1.5m；当保护层厚度为3.0m时，钻孔深度为2.2～2.0m。见图2。 ③炮孔间距 参照垂直梯段爆破的经验，当采用CM351和ROC848钻机施工时，孔距一般为1.5～1.8m，排距1.0～1.2m。当采用手风钻钻孔时，孔距一般为1.0～1.2m，排距0.5～0.6m。 ④单位耗药量 根据三峡地区花岗岩抗压强度高，脆性大的特点，单位耗药量q值一般控制在0.50～0.60kg/m3范围内。 爆破参数的确定原则，一般根据钻孔机具的性能、岩石性质，并参照以往的工程经验选定其基本参数，施工中根据爆破效果不断进行调整和修正。实际采用的爆破参数见表1，典型布孔示意图见图2。 4.2.3 施工工艺及技术要求 图2 典型布孔示意图 注图中参数取值见表1。 ①施工准备 进入保护层厚度范围内钻孔作业前，首先进行测量放样，以确定水平预裂和浅孔梯段爆破的作业范围，并用红油漆标明水平预裂孔的开孔高程线，水平预裂开孔高程线以上80～100cm处为浅孔梯段爆破孔的孔底高程。 ②钻孔作业 水平预裂爆破孔和浅孔梯段爆破孔可同时作业。水平预裂孔利用先锋槽或相邻较低的设计台阶作为施工作业面。水平预裂孔开孔误差要求不大于10cm，浅孔梯段爆破孔的孔底高程误差不大于20cm。钻孔时要根据地形变化，严格控制钻孔深度和方向。 为减小梯段爆破地震效应对水平建基面的作用，阻止梯段爆破在岩体中产生的爆破裂隙和节理裂隙面、层面的破坏延伸到建基面岩体中，要求水平预裂范围要超出梯段爆破范围1.0～2.0m。 钻孔完毕后，要对钻孔的于L位、孔深和孔斜进行认真检查，并作好记录，对未满足设计要求的钻孔，必须进行补钻欠深或充填超深。 ③装药联网 三峡二期主体工程基础保护层开挖采用1岩石乳化炸药，导爆索或导爆管传爆，毫秒微差雷管起爆。垂直浅孔梯段爆破孔一般采用自孔底向上连续装药和间隔两种装药结构。起爆顺序沿抵抗线最小的方向依次分段起爆，控制最大一段起爆药量小于100kg。 水平预裂孔采用间隔不耦合装药。为阻止预裂缝延伸至预裂范围以外的保留岩体内，在水平预裂孔两端各预留一孔不装药，作为导向孔。水平预裂一般控制最大一段起爆药量小于50kg。 水平预裂爆破和垂直浅孔梯段爆破同时按设计的装药结构分别装药，并在同一网络内联接，控制预裂爆破先于梯段爆破的起爆时差为75～100ms。 5 建基面开挖质量检查与评定 5.1 宏观检查 水平建基面的开挖质量检查参照边坡预裂检查标准进行。经对建基面残留炮孔痕迹进行检查与统计分析，在微新岩体中其半孔保存率一般为93％～98％，平均半孔保存率大于95％；在局部地质缺陷部位，其半孔保存率均在80％以上，均满足设计要求见照片。相邻水平炮孔间的不平整度最大30cm，最小5cm，一般控制在10～20cm，基本满足15cm的设计要求。 5.2 弹性波检测 鉴于基础岩体质量对三峡大坝稳定和安全的重要性，建基面岩体质量除应满足有关质量检查指标外，还必须进行弹性波测试。泄洪坝段及左厂11～14坝段的建基面岩体经弹性波测试，其波速最大达；800m/s以上，最小3700m/s。平均波速值均在5 300m/s以上，其波速满足平均波速不小于5 000m/s的设计要求。河床深槽部位典型坝段的弹性波和地震波测试成果见表2。 表2 典型坝段地震波与弹性波测试成果 部 位 地震波m/s 声波m/s 备注 声波孔 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 泄1-1 5000.5 4000.0 4343.0 5882.0 4347.0 5492.0 10个 泄1-2 5739.0 3836.0 4401.0 5714.0 4210.0 5364.0 9个孔 泄1-3 5714.0 5000.5 3600.0 3636.0 4253.0 4265.0 5882.0 5714.0 4255.0 4761.0 5455.0 5440.0 15个孔 5个孔 泄2-1 5273.0 3721.0 4189.0 5882.0 4000.0 5511.0 8个孔 泄2-2 5714.0 4000.0 4557.0 5882.0 3703.0 5456.0 12个孔 泄2-3 5125.0 3556.0 4391.0 5882.0 3921.0 5575.0 15个孔 泄3-1 4750.0 3450.0 4067.0 5882.0 4000.0 5331.0 8个孔 泄3-2 5000.5 3636.0 4288.0 5882.0 3703.0 5406.0 19个孔 泄3-3 5000.5 3636.0 4390.0 5882.0 3846.0 5394.0 19个孔 5.3 单元质量验收与评定 大坝基础开挖工程以设计图纸所确定每一坝块为质量单元，泄洪坝段及左厂ll～14坝段共计106个工程验收单元，全部合格，优良单元72个，优良率68.0％地质缺陷处理单元均评为合格。 泄洪坝段及左厂11～14坝段的大坝建基面经由业主组织的参建四方基础验收小组检查验收认为保护层开挖采用水平预裂爆破辅以垂直浅孔梯段爆破相结合的施工方案，建基面无明显的爆破裂隙，水平建基面平整度、开挖高程及轮廓边线均满足设计要求。地质缺陷已按设计要求处理合格，开挖质量满足设计要求。 6 结论 三峡二期主体工程基础保护层开挖通过应用水平预裂爆破辅以垂直浅孔梯段爆破相结合的施工人案。达到了高质量、快速开挖保护层的目的。泄洪坝段含左导墙及左厂11～14坝段合同编号TGP/CIV一412B保护层开挖量共计26万m3，建基面面积8.8万m2，采用水平顶裂辅以垂直浅孔梯段爆破的施工方案，高峰期资源投入情况为KQL一100型快速钻43台，CM351液压钻4台，ROC848液压钻8台，手风钻55台，钻爆人员120人，基础清理人员210人。保护层月最高开挖量6万m3，月完成建基面开挖面积一般为1.7～2.0万m2，建基面清理最高强度为3万m2。与传统的分层开挖保护层方法相比，该方法在资源投入上节省人力2～3倍，开挖工效可提高2～3倍，建基面质量明显优于分层开挖爆破法。三种常用保护层开挖方法的工效、质量对比分析见表3。 通过对上述资料分析对比表明采用水平预裂辅以垂直浅孔梯段爆破开挖保护层的施工方案，其建基面质量和保护层开挖速度。明显优于我国水利工程中常用的其它保护层开挖方法，具有保证建筑物基础开挖质量。加快施工进度，节省工程投资，降低劳动强度，适应大型机械化施工等诸多优点，具有极大的推广应用价值。 表3 三种常用保护层开控方法的工效、质量对比分析表 开挖方法 钻孔 次数 清渣 次数 建基面整修 建基面质量 分层开挖法 3 3 撬挖整修工作量大 建基面上残留炮 根较多，并有放射状裂隙 孔底柔性垫 层一次爆破法 2 2 部分需撬挖整修处理 建基面上有少量残 留炮根，并有少量爆破裂隙 水平预裂辅以垂直 浅孔梯段爆破法 1 1 基本不需要整修 建基面上无明显爆破裂隙 水平造孔 半孔保存 建基面无明显爆破裂隙 建基面不平整度在5～20cm以内 [作者简介] 李祥金 长江委三峡工程建设监理部大坝工程监理处主管开挖爆破副总工程师 张贵科 长江委三峡工程建设监理部大坝工程监理处监理站副站长 湖北宜昌 44313 收稿日期199912 编辑陆一芳 网页制作