浅析地质条件对预裂爆破的影响

陈 迎 宾

(中电投云南国际密松建设分公司，云南 昆明 650228)

1 工程概况

四川宝兴河水电站位于四川省雅安市宝兴县境内东河上，主要由拦河闸坝首部枢纽、引水系统和地下厂房枢纽三部分组成。地下厂房系统由主副厂房及安装间、主变室(兼尾闸室)、母线洞、尾水系统、交通洞、通风洞、出线洞(兼排风洞)、排水洞等组成。主副厂房及安装间开挖尺寸72×17.60×36.62 m(长×宽×高，下同)，布置有岩壁吊车梁；主变室开挖尺寸为68.0×14.6×6.7 m(长×宽×高)；

本区地下洞室群的岩石为非均质，软硬不均，砂岩最大饱和抗压强度为130 MPa，泥板岩的最小饱和抗压强度为40 MPa。节理密集，平均节理线密度为1～2条/m，裂隙、隐性裂隙发育，本区地下洞室群的节理、层理、裂隙、断层倾角一般为≥60°，为高倾角；走向与预裂面交角一般为30°～40°呈小锐角。

2 预裂爆破的主要特点及成缝机理

在宝兴地下厂房直立面进行深孔台阶拉槽开挖时，为保证开挖质量，减少大面爆破对岩体的影响，首先在拉槽主爆区之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，以减少爆破其对洞室预留高边墙岩体的破坏影响，避免超挖。采用预裂爆破同时对降低工程造价，保证施工安全，缩短施工工期也有较大的好处。

预裂缝面的形成是应力波和爆炸气体压力共同作用结果的理论。一般认为应力波的主要作用是在炮孔周围产生一些初始的径向裂缝，继之，在爆炸高压气体准静态应力的作用下，使径向裂缝进一步扩展，当相邻的两个炮孔爆炸时，不论是同时起爆，或是存在着不同程度的时差，由于应力集中的缘故，沿炮孔的连心线方向首先出现裂缝，并且发展也最快。在爆炸气体的压力作用下，由于最长的径向裂隙扩展所需的能量最小，所以该处的裂缝将首先得到扩展。因此，连心线方向也就成为裂缝继续扩展的最优方向，而其它方向的裂缝发展甚微。从而保证了裂缝沿着连心线将岩体裂开。预裂爆破的主要技术要点为：(1)沿设计开挖轮廓线打一排较密的孔；(2)选用低猛度、低爆速，低密度、传爆性能好，药卷直径小的炸药；(3)采用不偶合装药结构；(4)周边预裂孔同时起爆。

3 预裂爆破的设计和施工

3.1 预裂爆破设计参数确定

预裂爆破主要参数的影响因素复杂，很难从理论上得出一个完整无缺的解，有不少爆破工作者根据各自积累的经验，针对几个最主要的影响因素，归纳了一些经验计算式，在这些计算式中，主要考虑线装药密度与岩石的抗压强度，炮孔间距以及孔径之间的关系，基本的形式是：

Q线=K[σ压]α·[a]β·[d]γ

(1)

式中：Q线为炮孔的线装药密度，kg/m；σ压岩石的极限抗压强度，MPa；a为炮孔间距，m；d为炮孔直径，m。K、α、β、γ均为系数。

这类计算公式，常见的有：

(1) 长委长江科学院提出的计算式

Q线=0.034[σ压]0.63·[a]0.67

(2)

(2) 葛洲坝工程局提出的算式

Q线=0.367[σ压]0.5·[d]0.86

(3)

(3) 武汉水利电力大学提出的计算式

Q线=1.27[σ压]0.5·[a]0.84·[d/2]0.24

(4)

上述经验公式，都受到在归纳整理这些公式所处条件的限制，只能在一定的范围内使用，不能包罗万象。在宝兴水电站地下厂房直立面预裂爆破实施中采用了武水提出的计算公式，并实际试验中进行了部分参数的修正，最后采取确定为：

Q线=1.22[σ压]0.5·[a]0.70·[d/2]0.24

(5)

3.2 预裂爆破钻孔的要求

钻孔的机具根据炮孔的直径和孔深来选用，一般情况下，直径小于50毫米，深度在6米以内的孔，多采用手风钻，孔径在70 mm以上，孔深在6 m以上的深孔，则要采用潜孔钻。在宝兴电站厂房施工时采用孔径70 cm，孔深10 m。在钻孔时，进行严格的质量控制措施，允许的偏斜度控制在1度以内。由于岩面的不平整或钻进的方向不是垂直，往往容易引起孔口的偏离，此时，可以采用人工撬凿或用钻机冲击的方法，凿出孔口位置，经检测无误后，才开始钻进。

3.3 预裂爆破药包加工的要求

用于预裂爆破的药包，要能在钻孔内均匀地连续分布。在实际施工中，大多须在现场加工制备，通常采用两种方法：一是将炸药装填于一定直径的硬质塑料管内连续装药，为了顺利地引爆和传爆，在整个管内贯穿一根导爆索。另一种是采用间隔装药，即按照设计的装药量和各段的药量分配，将药卷绑扎在导爆索上，形成一个断续的炸药串。由于每个孔的深度不一致，装药量也不同，因此，对于每一个孔应当分别准备各自的药串，编上该孔的孔号，不能混淆，然后包扎好待用。经过现场试验宝兴电站地下厂房预裂爆破采用间隔装药的方式。

3.4 预裂爆破装药、堵塞和起爆的要求

为使炸药爆炸时能够获得良好的不偶合效应，药柱(或药卷串)应置于炮孔的中心。为达此目的，可采用一种塑料制的膨胀联结套将药柱固定在炮孔中央。在我国的预裂爆破中，多半将药卷串绑在竹片上，再插入孔中。对于垂直孔， 竹片应置于保留区的一侧，对于倾斜的孔，竹片应置于孔的下侧面。炸药装填好以后，堵塞之前先要用纸团等松软的物质盖在炸药柱上，堵塞过程中，应注意使药卷串保持在孔中央的位置上，不要因堵塞而将药卷串推向孔边。堵塞应密实，以防止爆炸气体冲出，影响预裂效果。在预裂爆破中，采用导爆索起爆，效果较好。为减轻预裂爆破过程中的振动影响，采用了分段起爆的方式。

1—堵塞段；2—顶部减弱装药段；3—正常装药段；4—底部增强装药段图1 装药示意图

3.5 质量评定

在进行厂房直立面预裂爆破后对爆破参数的进行评价，主要是看预裂爆破的质量如何，是否形成了所要求的裂缝，对周围的岩体有无损坏。在爆破区完全开挖清碴后，预裂面全部显露出来，实际的开挖轮廓与设计开挖轮廓的差值为12厘米。预裂面上的半孔率(钻孔的痕迹)可保留65%以上。预裂面上的岩体基本完整，没有出现明显的爆破裂隙。

4 地质条件对预裂爆破的影响

预裂爆破作为保护设计介质的一项控制爆破技术，在我国已得到广泛的应用，在预裂爆破设计和机理研究方面取得了许多成果，但是地质条件对欲裂爆破的影响研究较少。本文研究主要针对不同的地质条件对预裂爆破影响进行了有限的分析和探索。

通过在爆破前对地质条件的钻探和研究，以及爆破试验对爆破参数不断修正，对不同的地质条件采用不同的爆破参数，地下厂房直立面的预裂爆破取得了基本成功。通过分析，地质条件对预裂爆破影响有以下几个特点：

(1)岩石愈完整愈均匀则愈有利于预裂爆破，非均质、破碎和多裂隙的岩层则不利于预裂爆破，特别是岩石的层理产状、裂隙发育程度、裂隙的主要方向对预裂爆破效果的影响较大；本区地下洞室群的岩石为非均质，软硬不均，砂岩最大饱和抗压强度为130 MPa，泥板岩的最小饱和抗压强度为40 MPa，开挖后，预裂缝能形成，并贯穿到孔底，但一出碴，反铲一钩，预裂面坍塌，不稳岩块沿滑移面滑移，预裂面凹凸不平。

(2)岩石孔隙率、裂隙率大，将会使开挖岩面不平整度增加，造成超挖；岩石裂隙率大于5%时，很难形成预想得裂缝，开挖边缘的岩石遭到强烈破坏，形成超挖。当裂隙率在5%～1.5%时，采用小孔距预裂爆破可以收到较好的效果。本区裂隙率在3%～7%，从主厂房预裂开挖看，裂隙率大的地方预裂效果较差，裂隙率小的地方预裂效果较好.

(3)高倾角裂隙的预裂壁面不平整度比中等倾角(45°～60°)的裂隙小的多。走向平行于预裂缝得裂隙比横穿过预裂缝的裂隙对预裂爆破得影响要小。与预裂线平面交叉成锐角的裂隙，最有可能促使壁面不平整和超挖；本区地下洞室群的节理、层理、裂隙、断层倾角一般为≥60°，为高倾角；走向与预裂面交角一般为30°～40°呈小锐角，通过对对预裂面观察看，凹凸不平，壁面不平整，存有超挖，预裂爆破效果较差。

5 结 语

宝兴水电站地下厂房虽然规模不大，主厂房高边墙只有36 m高，但是部分区域地质条件较差，高边墙开挖还是有一定的难度。为减少大面拉槽爆破对洞室预留高边墙岩体的破坏影响，避免超挖，同时保证施工安全，在开挖实施过程中不断优化调整爆破参数，控制钻孔及装药质量，通过对不同的地质条件采用不同的爆破参数，基本上取得了预想的效果。事实表明，岩石愈完整预裂爆破效果愈好；裂隙率越小预裂爆破效果越好；高倾角裂隙的预裂壁面不平整度要小；走向与预裂线平面交叉成锐角的裂隙，预裂爆破后壁面不平整度高，容易形成超挖。通过本次地质条件对预裂效果的影响进行的有限分析和探索，为以后类似工程实施提供一些参考和借鉴。