精益光面爆破在大华桥水电站中的应用

张恩通，程占海

(中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130033)

0 引 言

目前，光面爆破几乎成为地下隧道爆破工程的标准工艺，是20世纪50年代后期在瑞典兴起的，随后传入美国、英国、芬兰和日本等许多国家。60年代中期至70年代初，我国许多专业、部门以及部队开始全面推广使用，在保证安全的同时，也取得了巨大的经济效益和其他综合效益，备受有关专业科技专家的重视和青睐。大华桥水电站地下洞室开挖中采用精益光面爆破施工技术，对钻孔和爆破工艺进行全面细化，并在开挖施工过程中不断改进控制手段和方法，优化爆破参数，取得了很好的爆破成型效果。

1 精益光面技术创新亮点

(1)通过细致分析影响钻孔控制精度的因素，对测量放样、钻孔方向和角度控制方法加以精细化和规范化，保持相邻2排炮保留的半孔首尾准确平顺相接，从而实现“一孔到底”的效果，有效降低光面爆破超挖值，提高开挖面平整度和观感质量。

(2)通过对光面爆破炮孔布置、线装药密度、装药结构等工艺参数的合理调整，有效组织爆破能量对岩体的作用形式，使爆破成型表面平整圆顺，半孔清晰完整。

(3)合理应用统计过程控制方法，将每排炮超挖值检测数据以图形化显示，可更加直观、全面地掌握质量指标的过程波动水平，及时发现异常的质量波动，以数据为基础，为原因分析和改进管理决策提供科学可靠的技术信息。

2 精益光面爆破实施要点

开挖施工质量主要取决于测量放样的精度、周边孔钻孔精度、装药量及装药结构适应性等技术指标控制水平。

2.1 测量放样

测量放样是开挖施工的第1道工序，放样的精度是做好总体质量控制的基础。因此，开挖过程中的测量放样工作相当重要。

(1)测量放样工序。测量放样精度不仅与设备精度、操作人员的技术水平和认真程度有关，严谨的操作程序及方法也是必要的前提。为提高精度，采用架站点和放样点二次复核的方法，以避免放样过程中产生过大的偏差。在进行后视点交会法确定架站点坐标后，通过复测第3个已知坐标的复核点，检查架站点误差合格后方可进行下一步放样操作。在对掌子面开孔点正式放样前，通过复测上排炮中轴线留下的放样标记，核对与前次放样的误差，避免放样误差过大或错误。将每排炮标注的中线点连续延伸，钻孔人员对轴线方向进行复核，让作业人员对钻孔方向做到心中有数。

(2)孔位布置。掌子面开孔点全部由测量人员根据爆破设计由洞轴线向两侧，按50 cm间距逐孔放点，每个孔位在轮廓线上的位置事先计算确定好，以准确控制每一循环开孔点的放样位置一致。后视点一般距掌子面2.0～2.5 m，采用隔孔放点方式，用油漆作为标志，以避免混淆错误引用。后视点除测设轮廓线的位置外，还必须标注该点的超挖值，以便钻孔时作业人员参照该超挖值，控制钻杆尾端与设计边线的相对位置，即控制钻孔的外插角度。

2.2 钻孔工艺

由于最终开挖面是沿周边孔中心连线破裂成型，所以在保证测量放样精度前提下，周边孔钻孔方向和角度控制是决定最终开挖成型质量的关键。

2.2.1钻孔方向控制

沿洞室轮廓线的钻孔方向应与洞室轴线平行，并通过严格控制炮孔间距与方向，爆破后在岩壁上留下分布均匀整齐的半孔，每排炮半孔沿同一直线连续延伸，如一件精美的工艺品，展示出精雕细刻的工艺魅力。实际作业过程中，各种不利因素影响较多，要想控制准确并不容易，需要作业人员具有认真精细的工艺水平，还要有一定的手段。

(1)开孔精度控制。开孔位置岩面经爆破作用往往都带有倾斜角度，钻头在这种斜面推进时会引导开孔方向，而且这种偏差钻到孔底时会被放大2倍，难以与下排炮开孔位置很好对接。因此，在开孔时由多人配合，从各个方向约束钻头移位，尽量减小偏差。

(2)钻孔方向控制。在开孔点位置准确的基础上，将钻杆尾部对应在后视点下部，以控制钻孔方向；如为无后视点的孔位，则通过与相邻带后视点的孔保持平行来控制方向角度。

2.2.2钻孔外插角控制

钻孔的最佳目标是使孔轴线尽可能符合设计轮廓线。但在实际操作过程中，因钻机上部的消音罩需占用10 cm左右的空间，钻杆尾端不可能处于设计边线。而掌子面上必须按设计边线位置开孔，这样使钻杆钻进时带有一定外插角，形成部分超挖是不可避免的。但不能因为这种误差不可避免就放任不管，而是要将影响程度控制在合理的范围内，这是现场钻孔工艺控制的关键。

(1)工艺标准的确定。为满足钻机上部所需10 cm空间的条件，按每循环进尺3.0 m的几何关系，钻孔时，钻杆需向断面外倾斜的角度应为arcsin(0.1/3.0)=1.9°，考虑其他因素影响，将两循环错台指标合格标准定为15 cm。

(2)工艺控制方法。因1.9°或2°的角度仅凭目测难以准确判断，现场采用控制相对设计边线距离的方法，在后视点超挖值基础上，按3.3 cm/m比例(即1.9°)的上倾角度确定钻杆与后视点的竖向距离。如后视点距开孔点1.6 m，所标注超挖值为5 cm时，钻杆与后视点垂直距离为5 cm+3 cm/m×1.6 m=9.8 cm。这样，能使钻机上部始终保持有10 cm左右的推进空间，钻杆在不受约束和阻碍的条件下顺利推进，避免了过大外插角造成的超挖。

2.2.3钻孔操作注意事项

理论上，按照上述控制方法操作应该能够保证钻孔质量，并使孔底超挖控制在10～15 cm。但实际并非如此，在测量放样后，检查上排炮的终孔位置偏差偶尔会超过15 cm，有时甚至是超过20 cm以上。现场仔细调查发现，这种水平或竖直方向的偏差不是开孔阶段控制问题，而是在钻杆推进一定深度后，一般认为孔内已经对钻杆形成约束，方向角度不会有太大偏差，往往疏于对钻机位置的控制。假设此时钻机控制的钻杆尾端不能与孔内钻杆保持在同一直线，在孔口及孔底的约束作用下，会使钻杆发生弯曲。

为验证这种钻杆弯曲对孔底偏移的影响程度，采用CAD作图法模拟钻杆在孔内弯曲的状态。假设在钻进1.5 m时出现钻杆弯曲，钻到3.5 m深孔底时的孔位偏差将达到16 cm，充分说明钻杆弯曲，即飘孔危害的严重性。

在对飘孔现象进行深入分析的基础上，提出了以下工艺改进与预防措施：在开孔和钻进过程中，钻机要调整好架钻气腿的横向位置和高度，即钻机、气腿与开孔点要与后视点在同一直线上，以保持钻杆在孔轴线的位置钻进。同时，还要注意控制推进压力不要太大，避免钻杆出现向下或侧向的弯曲。

2.3 周边孔装药工艺

2.3.1装药参数控制与调整

在周边孔中，采取药卷直径小于炮孔直径的不耦合装药方式，为爆轰冲击波提供一定的缓冲空间，一定程度上衰减了作用到孔壁上的爆轰波，降低爆轰时孔壁上的峰值压力，从而在炮孔内形成准静压状态，这是实现光面爆破的必要条件。通常采用的不耦合系数(孔径/药卷直径)为1.1～3.0，以1.5～3.0居多。

大华桥水电站地下厂房光面爆破孔按要求采用直径为φ25的光爆药卷，钻孔直径为42 mm，则不耦合系数为42/25=1.68。若没有光爆药卷，则将φ32的药卷分4段后纵向剖开，这时的不耦合系数可以达到1.86，相对增大了不耦合系数。

2.3.2周边孔装药量及装药结构

周边孔光面爆破装药参数主要是控制线密装药度，大华桥地下厂房开挖实际选用的线装药密度为110～130 g/m。但线装药密度只是装药量与装药长度的比值，相同的线装药密度在不同装药结构下，其爆破效果是不同的。如果孔内单个药包药量过大，爆轰能量过于集中，则会对孔壁围岩造成有害的拉伸裂隙；而单个药包的药量过小，势必增加加工难度，费工费时，这就要求选择一个较为合理的装药量和装药结构。

通过现场反复调整改进，最终选定装药结构：孔底加强药卷为1/2卷，每根光爆药卷分为4节，从中部剖切成2瓣(1/8卷，每节25 g)，根据围岩条件间隔20～25 cm，与导爆索均匀固定在竹片上，以保证药卷在孔内的位置均匀准确，竹片靠近岩体一侧放置，以增加对孔壁的保护。

3 精益光面爆破的效果

3.1 质量控制

(1)洞室开挖的周边孔应在断面轮廓线上开孔，沿轮廓线的调整范围的孔位偏差值应≤2 cm，其他炮孔孔位的偏差不应大于10 cm。DL/T 5099—2011《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》中要求周边孔孔位偏差不大于5 cm，但在实际操作中，如开孔就有5 cm偏差，按测定的后视点控制方向钻到孔底位置将会与下排炮开孔位置产生10 cm的孔位偏差，前后排炮孔不能连续衔接；按2 cm控制开孔偏差，钻到孔底偏差在4 cm左右，即不超过一个钻头直径，孔位基本可以对接。

(2)每一单元内，除因地质原因造成的超挖外，其他平均超挖≤10 cm，不允许欠挖。DL/T 5099—2011中明确，对于平洞，平均径向超挖不大于20 cm。而现场实际操作要求外插角按孔底超挖10 cm来控制，按理论计算平均超挖值应为5 cm，考虑局部节理受爆破松动掉块(但不考虑不良地质缺陷)，一般是可以达到的。

(3)在开挖轮廓面上，残留炮孔痕迹应均匀分布，炮孔首尾衔接，且基本在同一直线上，偏差值≤5 cm。炮孔在轮廓面上基本在断面同一位置，沿洞室轴线方向呈一条直线连续延伸，总体实现一孔到底。偏差值≤5 cm时，炮孔接茬处边缘基本能够对接，偏差不是很明显。

(4)除地质缺陷部位外，残留炮孔痕迹保存率完整岩石应大于85%，弱风化岩石应达到60%以上，强风化岩石应达到20%以上。DL/T 5099—2011中要求，对于完整岩石半孔率大于85%，只要合理调整装药量和装药结构等技术参数，基本可达到90%以上。

(5)相邻两茬炮之间的台阶不得大于15 cm。DL/T 5099—2011中要求，相邻两茬炮之间的台阶或钻孔最大偏斜值应小于20 cm。在实际操作中，要求钻孔孔底向断面外偏斜10 cm，再考虑5 cm的操作偏差，一般15 cm应该可以做到。

(6)光面爆破应无明显爆破裂隙，孔壁的完整程度高。孔壁的完整程度主要取决于装药量、装药结构的不耦合系数，在保证成型质量的情况下，尽量采用大不耦合系数和多点小药量的装药结构，以利于对爆轰冲击波峰值的衰减，使孔壁受力均匀，减少对孔壁和保留岩体的扰动。

3.2 质量效果

开挖后由专业测量人员对开挖断面超挖情况进行检测。检测成果见表1。从表1可知，通过对开挖工序进行精细化的工艺质量控制，2个作业面的平均超挖值仅6.2 cm，超挖值小于15 cm的测点占总检测点数的97%，小于10 cm的测点比例也达到80%以上，而以往的开挖质量控制水平一般都在20 cm左右。地下厂房、尾水调压室和主变室一层顶拱开挖平均超挖值均控制在6～8 cm，大幅优于施工规范推荐的“地下平洞开挖不宜大于20 cm”的技术要求。可以看出，推行精益光面爆破对开挖质量提升效果十分明显，显著提高了开挖成型质量。

4 结 语

采用普通的爆破方法开挖隧道，超挖量可达到10%～15%；一般的光面爆破施工方法超挖量可降低到4%～7%。而精益光面爆破施工方法则可降低到2%～3%。按中型水电站工程100万m3的石方暗挖工程量计算，可减少超挖量2万m3以上，按360元/m3的混凝土成本价，减少的超填混凝土费用可达720万元，在大幅降低工程投资的同时，也有利于环境保护。

表1 主体地下洞室顶拱平均超挖值检测成果统计

经过优化爆破参数，提高了岩面成型平整度，降低了对围岩的扰动范围，减少了爆破后附着的松动岩块，不仅对施工安全十分有利，而且减少了超喷混凝土量，既降低了成本，又提高了支护工作效率。按大华桥水电站地下厂房发电机层以上部位喷钢纤维混凝土量计算，每减少1 cm超喷混凝土厚度，就可节省近15万元。

开挖质量不仅体现作业人员工艺质量控制水平，也反映出企业质量管理的精细化程度。精益光面爆破技术的推广应用，必然会促进各类地下岩石洞室开挖工艺水平的提升，也可为施工企业带来良好的经济效益和社会效益。