導流隧洞進口堰前引渠水下爆破施工技術
朱寶凡
摘要：小灣水電站導流隧洞進口圍堰堰外引渠水下爆破開挖采用了目前國內較為先進的孔內延時，孔外微差的爆破技術，整個爆破區分為多段起爆，從而達到高單耗，低單響藥量的控制目的，將質點的最大振動速度控制在允許范圍內，有效保證了圍堰、圍堰巖埂灌漿帷幕區及進水塔等建筑物的安全，為導流隧洞順利導流提供了保證。本文對導流隧洞進口圍堰堰外引渠水下爆破方案的有關參數和震動監測等進行描述。
關鍵詞：導流隧洞 圍堰堰外引渠 水下爆破 安全振動監測
Underwater Blasting Execution Technique of Guide Ditch ahead of Water Conveyance Tunnel
Abstract: A new advanced blasting technique in China， delay in hole and sequence out hole blasting technique， was adopted in underwater blasting excavation of guide ditch ahead of water conveyance tunnel at Xiaowan Hydropower Station， thereby the controlling aim of high explosive rate and low single dynamite weight was achieved， the maximal particle vibration velocity was controlled in allowable range， guaranteed the safety of Cofferdam and rock dam and entrance water tower and so on， provided powerful guarantee for the successful guide water of the guide tunnel. The paper described the relational parameters and vibration test of the underwater blasting of guide ditch ahead of water conveyance tunnel.
Key words: Water Conveyance Tunnel， Guide Ditch ahead of Cofferdam， Underwater Blasting， Safe Vibration Test
小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，系瀾滄江中下游河流規劃八個梯級水電站中的第二級，小灣水電站導流隧洞進口圍堰堰外引渠開挖參數為：1＃導流隧洞寬26.6m；2＃導流隧洞寬26.6m～38.35m，中墩保留寬20.8m；引渠底板開挖高程為988m。導流隧洞堰外引渠開挖長度（水流方向）為26～35m。2003年11月下旬實測流量為730m3/s，枯水期水位為1003.7m高程，圍堰前期部分堰外引渠開挖至996～998m高程，為提供F5溝出渣通道，將圍堰外側回填至1016m高程形成出渣道路，為減少鉆孔難度及工程量，根據瀾滄江水位將堰外堆渣體平臺高程降至1004m高程，再進行水下爆破鉆孔施工。但回填石渣深度仍有3～15m左右。
導流隧洞進口1#堰外引渠ф115mm預裂孔57個，爆破孔245個，設計孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm預裂孔35個，爆破孔288個，設計孔深17.6m。設計總鉆孔深度為11000米，其中回填土中鉆孔深度約為5375米，水下巖石鉆孔深度約為5625米。從2004年1月21日至2004年2月14日進行導流隧洞進口圍堰堰外引渠預裂孔鉆孔及爆破施工；2004年2月15日至2004年3月23日進行導流隧洞進口圍堰堰外引渠主爆區鉆孔及爆破施工，施工強度達到268m/天。
2 爆破方案選擇
因進口堰外引渠爆破開挖縱深較長，達到26～35m，一次起爆藥量較大，為保證圍堰、預留巖埂及進水塔建筑物的安全，考慮了兩種方案：
方案概述
優點
缺點
每條洞堰外引渠爆破區分兩區爆破
1、有效減少一次起爆藥量；
2、爆破網絡連接相對簡單；
3、可提供后區爆破有效及準確的臨空面；
4、對周圍建筑物安全影響較小。
1、前區爆破對后區爆破孔破壞防護困難，有可能造成后區爆破區前幾排爆破孔無法裝藥；
2、施工工期長，很難保證在枯水期施工完成，對導流隧洞分流影響巨大。
每條洞堰外引渠爆破區一次爆破
1、不存在前后區爆破影響問題；
2、爆破孔網參數相對一致、簡單，鉆孔易于控制；
3、可通過爆破網絡連接、起爆順序及后沖方向減少對周圍建筑物安全影響；
4、施工工期相對較短，滿足施工工期要求，為導流隧洞分流提供有效保證。
1、一次起爆藥量較大；
2、爆破網絡連接復雜，網絡防護困難；
3、需通過造孔記錄推斷爆破臨空面位置；
4、對周圍建筑物安全影響較大。
根據綜合考慮，最后確定每條洞堰外引渠爆破區一次爆破，既能保證工期，又能通過爆破網絡減少對周圍建筑物安全影響，滿足工程需要。
3 預裂爆破震動前期監測
預裂孔施工采用英格索蘭MZ-200及阿特拉斯PC460、HF460三臺多功能鉆機進行炮孔鉆孔施工，人工裝藥爆破。根據測量放出的炮孔位置固定好地質鉆機，調整鉆機鉆桿角度，使其滿足設計要求。在回填石渣內鉆孔時為防止塌孔，鉆機需跟管鉆進，鉆孔結束后，通過鋼管套管往孔內插入一根硬質PVC塑料管，將硬質塑料管引出施工平臺以上30cm左右，管口采用彩條布包裹，防止石渣及雜物進入管內，引起炮孔堵塞，拔出鋼管套管。PVC塑料管接口部位采用硬質接頭，以防止相鄰孔鉆進時石渣擠壓引起接口錯位，影響爆破裝藥。炸藥通過PVC塑料管進行裝填，按設計爆破參數要求將炸藥綁在竹條上，使藥包能放置在炮孔底部。預裂孔布孔及裝藥參數如下：孔徑ф115mm，孔距80cm，所有炮孔均超深1.5m；預裂孔裝ф32mm藥卷，線裝藥密度為0.364kg/m。1#堰外引渠ф115mm預裂孔57個，設計孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm預裂孔35個，設計孔深17.6m。
進口圍堰外引渠開挖后，圍堰仍需渡過一個汛期，因此，為保證圍堰及預留巖埂安全渡汛，堰外預留8.0米巖埂區不清除（與圍堰同時拆除），沿預留開挖線打預裂孔，預裂孔坡向江心取1：0.1角度，用以有效減少爆破質點震動對預留巖埂及防滲區的破壞，進而保證巖埂的完整性和防滲性，同時進行爆破震動安全監測，通過監測數據利用爆破振動一元回歸公式可求得巖石爆破水平徑向、垂直向、水平切向的K值及α值，用于堰外引渠主爆區及圍堰拆除時單響藥量控制計算。
為縮短工期和減少預裂孔爆破對爆破孔影響，進口堰外先進行1# 引渠預裂孔施工，在1# 引渠預裂孔裝藥爆破同時進行2# 引渠預裂孔鉆孔施工
兩次預裂爆破觀測測點布置圖見下圖：
1) 1# 引渠預裂孔測點布置圖
其中7~10# 測點為預埋測點，測2個方向；其它均測3個方向
2) 2# 引渠預裂孔測點布置圖
其中5# 測點為預埋測點，測2個方向。其它測3個方向。
通過監測數據顯示1# 引渠爆破振動沿水平距離衰減趨勢：水平徑向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# 引渠爆破振動沿水平距離衰減趨勢：水平徑向14cm/s（灌漿區地表，距離8.3m）~2.2cm/s（中墩底，距離33m）；垂直向7.48cm/s~3.15cm/s；水平切向8.56cm/s~2.32cm/s。
根據以上數據進行的爆破振動一元回歸公式：水平徑向（擬用于圍堰振動控制）K=54.9，α=1.47、垂直向（擬用于中墩振動控制）K=15.6，α=0.78、水平切向（擬用于中墩振動控制）K=18.7，α=0.87。
4 主爆破爆破技術
4.1爆破區鉆孔及裝藥
主爆破區鉆孔及裝藥方法與預裂爆破方法相同，為減小一次起爆藥量，盡量減少爆破對預留巖體的破壞，采用孔內延時，孔外微差爆破網絡，爆破自江邊向圍堰方向，一次鉆爆到設計高程，采用乳化炸藥、防水導爆索等防水爆破材料，且每個炮孔裝四發MS15段雷管，確保一次爆破成功。為使回填石渣內大塊孤石亦得到解炮，爆破孔裝藥需做調整，在完整巖石炮孔內連續裝ф80mm藥卷，回填石渣炮孔內連續裝ф50mm藥卷，兩種炸藥間采用中砂堵塞80cm，以保證巖石內炸藥暴力完全作用于巖石，為解決爆破孔內兩種炸藥不能同時起爆，致使后爆炸藥被先爆炸藥壓實，產生拒爆現象，在爆破孔內兩種炸藥裝藥區段綁扎一根導爆索，將爆破孔內兩部分炸藥聯為一體。
4.2爆破區爆破孔網參數
根據以往工程經驗及預裂爆破震動監測數據進行的爆破振動一元回歸公式得出的巖石參數，爆破布孔參數如下：爆破孔孔徑ф115mm，孔距180cm，排距180cm，所有炮孔均超深1.5m。1#堰外引渠ф115mm預裂孔57個，爆破孔245個，設計孔深17.6m；2#堰外引渠ф115mm預裂孔35個，爆破孔288個，設計孔深17.6m。設計總鉆孔深度為11000米，其中回填土中鉆孔深度約為5375米，水下巖石鉆孔深度約為5625米，當最外一排炮孔位置巖石面距底板開挖988m高程大于1～1.5m時，炮孔仍需向江心方向繼續延伸，直至巖石面距底板開挖面985m高程在1～1.5m時不再增設下一排相對應的炮孔。爆破網絡采用孔內外微差毫秒延期復式爆破網絡，為使爆破一次成功，加大起爆網絡可靠性，孔外爆破網絡雷管均采用雙雷管，爆破孔內布置四發MS15段非電起爆雷管，以保證完全起爆。為防止孔外起爆網絡雷管爆炸時飛起的石子打斷起爆網絡，在雷管外部用硬質塑料管包裹，盡量減少石子飛起幾率。爆破裝藥參數：爆破孔巖石部位連續裝ф80mm藥卷，爆破單耗為1.76kg/m3，堆渣體部位連續裝ф50mm藥卷，爆破單耗為0.67kg/m3，單孔裝藥量為12～94kg，根據預裂爆破震動質點數據采用一元回歸公式反推可求得巖石爆破水平徑向、垂直向、
水平切向的K值及α值，通過計算確定最大單響藥量控制在100kg以內時，周圍建筑物的爆破振動質點速度滿足規范要求。為盡量將預留巖埂及圍堰處的爆破質點震動速度控制在允許范圍內，距預留巖埂及圍堰15m范圍內的爆破孔均采用一孔一響，其余爆破孔為兩孔一響。本次爆破單響最大藥量控制在100kg以內，1#引渠爆破裝藥量約為11401kg，2#引渠爆破裝藥量約為18610kg。2＃堰外引渠一次爆破縱深較深，且一次起爆藥量較大，為盡量減少爆破對圍堰及預留巖埂防滲帷幕灌漿區破壞，將爆破反沖方向調整為沖向上游側山體上。爆破網絡見下圖：
4.3主爆區爆破振動監測
主爆區爆破時需要監測的重點建（構）筑物包括：圍堰堰體、圍堰防滲體、進水塔中墩邊墩。
監測目的：監測爆破在需要保護的建（構）筑物基礎或“身體”產生的質點振動速度，作為評估爆破對其產生影響程度的依據；同時，獲得爆破振動沿導流洞中心線方向的傳播規律，為后期的圍堰拆除積累資料。
為了達到以上目的，在1#和2＃圍堰堰體防滲體各布置2個內部測點，監測爆破在防滲體內部產生的質點振動速度；在1＃導流洞進水塔中墩的基礎和頂部各布置1個測點；在2＃導流洞圍堰內側基礎部位布置1個測點；在2＃導流洞進水塔中墩基礎部位布置一個測點；沿2＃導流洞中心線方向在地板布置2個測點。同時設置攝錄機對整個爆破過程進行全程錄像，作為爆破效果分析一項參考資料。
1)測點布置見下圖：
其中7#~10#測點為預埋測點，測2個方向；其它均測3個方向。
2）爆破振動監測成果
導流洞引水渠開挖爆破振動監測數據
部位
測點
編號
高程
儀器
編號
水平距離（m）
水平徑向
垂直向
水平切向
峰值速度
（cm/s）
峰值頻率
(Hz)
峰值速度
（cm/s）
峰值頻率
(Hz)
峰值速度
（cm/s）
峰值頻率
(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
中墩頂
6
EL.1015
BE7482
37
8.52
28.4
8.41
23.5
3.56
19.7
2#堰前 預埋
灌漿區
7
EL.992
Exp-049
9.8
46.52
500
28.55
112
─
─
灌漿區
8
EL.991
Exp-048
9.8
40. 4
250
40.84
250
─
─
1#堰前 預埋
灌漿區
9
EL.991
Exp-046
9.8
55
125
80
63
─
─
灌漿區
10
EL.993
Exp-043
9.8
37.53
208
50
125
─
─
注：1#~6#為地表傳感器測點，7#~10#為灌漿區內預埋傳感器測點；距離為測點到爆區邊沿的最近距離。
3）爆破振動監測數據分析
灌漿區預埋測點：爆破在灌漿區產生的質點振動速度約為28.55~50 cm/s。Ⅱ區振速略大于Ⅰ區振速，估計與Ⅱ區爆破規模大，爆破排數多，起爆約束大有關。
圍堰底部測點：垂直向振動速度略大于25.4cm/s，大于水平徑向（15cm/s）及水平切向（11.7cm/s）振動，可見預裂縫明顯起到阻隔水平向振動的作用，但對經孔底作用的垂直向振動減振效應較小。質點振動速度高于大體積砼抗振標準，估計與測點位于堰后深基坑邊緣相關。
隔墩底部測點：1#洞、2#洞隔墩底部測點各向振速最大值3.87 cm/s，且以垂直向振速較大，與圍堰底部測點振動特征一致。頂部與底部振速相比有放大效應，頻率相應較低，符合相應結構體一般傳播規律。
隔墩頂部測點：最大振速為水平徑向8.52cm/s，1#洞中墩頂部測點振動有較大放大效應，放大倍數約2.6，且水平徑向放大效應明顯，這與中墩自身結構有關。該值僅可參考為胸墻砼附近的相對速度，不能與新澆砼基巖處的安全振速控制要求進行比較。
2#洞圍堰后部各測點衰減趨勢：水平徑向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，頻率30~114Hz。
各測點的爆破振動時間歷程反映1#洞圍堰爆區存在后部孔先爆現象并引起較大振動峰值，與錄相過程一致，估計孔內雷管段別偏大同時延時誤差較大是原因之一。爆破振動時間歷程后部的峰值較均勻。
帷幕灌漿內部預埋測點：最大振動速度約50cm/s。各測點最大振速時刻約與圍堰后部地表測點一致，同時表現為爆破近區振動波形特征，頻率約在100~500Hz范圍。可見由于帷幕區全部為基巖灌漿且上部圍堰的較大壓重，其抗震能力較強，較大振動下的破壞影響不致達到嚴重滲水的惡劣程度。
3）宏觀調查及爆破效果
根據現場巡視及錄相分析，爆破飛石主要來源于孔內φ80裝藥卡塞至孔口的部分孔，飛石主要在爆區附近20m范圍內，以爆區側向相連棧橋頂部居多，最大塊度約20cm。未有孔口堵塞沙礫及水的噴射污染現象，爆后可見大部分孔口堵塞完好。
爆堆中部最大隆起高度約3m，無大面積凹陷，認為炮孔巖石段破碎效應明顯。
堰體無明顯破壞，施工分縫及缺陷修補表層抹面僅有局部脫皮，分縫及斷層裂縫的爆破前后寬度無變化，爆后未見堰后底部基巖出現滲水浸濕點。
新澆胸墻砼（約3天齡期）抹面未見裂紋。
周圍邊坡噴層未見宏觀破壞現象。
5 結束語
1）主爆區總裝藥量雖然高達30t，但采用了孔內延時，孔外微差爆破技術，僅通過4種不同段別雷管將整個爆破區進行分段起爆，最大一次起爆藥量僅為94kg，通過對測點波形圖分析，未發現兩振動峰值重疊現象，從而達到了水下開挖爆破高單耗低單響藥量控制要求，實測爆破質點振動最大速度基本滿足周圍建筑物爆破安全控制標準20cm/s。由此證明孔內延時，孔外微差爆破技術可通過控制單響藥量來達到保護爆破區周圍建筑物的安全目的。
2）根據觀測爆破質點振動最大速度與理論計算值相對照，表明預裂縫起到了有效降低爆破質點振動速度作用，同時，先進行預裂爆破，并進行振動監測，通過監測數據反推爆破區巖石巖質參數，對主爆區爆破參數、孔網參數的確定，是極為有利的。
3）通過對爆破振動監測，可為后期圍堰拆除提供有效、真實的參考數據，從而保證圍堰拆除爆破設計做到實用、高效、易控制。對拆除爆堆形狀、飛石方向預估及重點防護部位的確定，均有良好的參考作用。
