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天池抽水蓄能电站地下洞室群爆破方案比选

2021-05-10黄建全董平杨盛喆肖林斌

水利水电快报 2021年4期
关键词:装药水压厂房

黄建全 董平 杨盛喆 肖林斌

摘要:河南省天池抽水蓄能电站地下洞室群光面爆破中频繁出现炸药能量利用率低、爆破后轮廓面平整度差、围岩损伤及超欠挖现象严重等问题,为了提高洞室群光面爆破效果,优化光面爆破方案及爆破参数设计。针对天池抽水蓄能电站尾水洞的爆破开挖,采取施工现场试验手段,分别监测常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破产生的爆破振动,并对各爆破方式现场爆破效果进行观测,分析不同爆破工艺的参数对现场爆破效果的影响,对方案进行比选、优化。研究结果表明:与常规光面爆破相比,水压光面爆破和聚能水压光面爆破效果更佳,且采用聚能水压光面爆破产生的半孔率最高,其也能进一步提高隧道轮廓平整度、解决炸药能量无法充分利用而导致原材料浪费降低对周边围岩的损伤等问题。研究成果可为类似水利水电工程地下厂房洞室群爆破的设计与优选提供借鉴。

关键词:爆破振动;地下洞室群;聚能水压光面爆破;轮廓平整度;天池抽水蓄能电站;河南省

中图法分类号:TV743文献标志码:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.006

文章编号:1006 - 0081(2021)04 - 0035 - 07

1 研究背景

目前在建的天池抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县马市坪乡境内,主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。该电站地下厂房洞室群爆破开挖过程中,出现了炸药能量利用率较低、爆破后轮廓面极不平顺、围岩受扰动破坏及超欠挖现象严重等问题。这些问题亟待解决,采用常规爆破手段难以克服。

地下厂房洞室群开挖是抽水蓄能电站工程中的重中之重,其开挖质量的好坏直接影响周边环境质量、施工人员的身体健康以及地下构筑物的质量。因此,爆破开挖方案的优选与制定在水利水电工程等领域尤其重要[1]。地下洞室施工采取光面爆破开挖可对洞室的超欠挖、轮廓线完整度、周围围压的损伤等进行控制,确保隧道施工安全[2]。近年来,许多学者针对光面爆破机理以及光面爆破参数的选取开展了大量研究[3]。水压光面爆破技术相对于常规爆破有降低爆破振速和提高炸药利用率等优势[4-5],目前国内外隧道工程中采用的水壓爆破技术,主要分为炮眼灌水加炮泥封堵[6]和水袋加炮泥封堵[7]两种技术。聚能水压光面爆破技术就是将聚能爆破技术、水压爆破技术与光面爆破技术3者优势组合而成的一种全新的爆破技术[8-9],这项爆破技术在地下洞室开挖中逐渐得到推广。

本文采取施工现场试验手段,分别监测常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破产生的爆破振动,并对各爆破方式现场爆破效果进行观测,分析不同爆破工艺的参数对现场爆破效果的影响,对方案进行比选、优化。

2 工程概况

河南省天池抽水蓄能电站的地下厂房系统建筑物主要由主厂房、主变洞、母线洞、排风洞、500 kV 电缆出线平洞、500 kV 电缆出线竖井、进厂交通洞、主变运输洞、通风兼安全洞、排烟竖井、电缆交通洞、排水廊道、自流排水洞等洞室组成。地下厂房开发方式系尾部式开发,主厂房轴线方向为 N69°W,机组纵轴线距上库进出水口水平距离约 3 000 m,距下库进出水口水平距离约 450 m。地下厂房三维立体图如图1所示。

主厂房由主机间、安装间和副厂房组成,呈“一”字形布置。安装间和副厂房分别布置在主机间的左、右两端,洞室断面为城门洞型,主厂房洞室开挖尺寸为156.50 m×23.50 m×51.80 m(长×宽×高)。主厂房与主变洞之间由4条母线洞、1条电缆交通洞和1条主变运输洞连接。

3 爆破试验方案

本文对尾水洞施工分别进行常规光面爆破、水压光面爆破及聚能水压光面爆破现场试验,试验过程中须考虑新型布孔及装药结构产生的爆破振动影响,爆破孔位置可根据现场实际情况调整。

3.1 常规光面爆破

常规光面爆破技术原理为:炮眼中的炸药爆炸后,在岩石中传播应力波产生径向压应力和切向拉应力,由于炮眼相邻互为“空眼”,所以在炮眼连线两侧产生应力集中度很高的拉应力,超过岩石抗拉强度,炮眼之间的岩体形成的初始裂缝要比其他方向严重;除此之外,由于炸药爆炸生成的高压气体膨胀,产生了静力作用促使初始裂缝进一步延伸扩大。

3.1.1 炮眼布置

爆破试验以尾水洞开挖段进行试验,炮孔起爆网络如图2所示。为了进一步控制爆破振动造成的影响,具体炮眼及其引爆连线方式为:6发雷管用于孔外联网,32发雷管用于孔内联网。

3.1.2 爆破参数

结合河南省天池抽水蓄能电站尾水洞开挖参数条件,钻孔内装药量计算公式为

式中:Q为线装药密度,kg/m;q为单位体积耗药量,g/m3;a为周边眼间距,m;B为光爆层厚度,m。通过现场试验和施工经验数据,可确定Q=0.12~0.25 kg/m。单孔药量依据线装药密度Q进行计算,最后计算出总药量。拟定常规爆破试验的爆破开挖参数如表1所示。

3.1.3 爆破结构

常规隧道爆破采用不连续装药,炮眼间距炮眼中仅装炸药而无回填堵塞,其装药结构如图3所示。

3.2 水压光面爆破

水压光面爆破原理为:往炮眼中一定位置注入一定量的水,并用专用的炮泥回填堵塞炮眼,利用在水中传播的冲击波对水的不可压缩性,使爆炸能量经过水传递到围岩中,几乎不产生能量损失;同时,水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应,有利于岩石破碎。水压光面爆破技术布孔方式与常规光面爆破技术完全相同,不同之处在于炮孔的装药结构,以实现爆破开挖防尘降尘效果。

3.2.1 爆破参数

水压光面爆破参数如表2所示。

3.2.2 爆破结构

(1)辅助炮眼。首先往炮眼最底部装填水袋,必须把水袋捅到底,随后装填药卷,药卷数量要比常规爆破少1卷,药卷与最底部水袋靠紧,炮眼深度的1/2为装填水袋的累计长度(图4)。

(2)掏槽炮眼。装药顺序与辅助眼装药顺序一致,只是在装药卷的数量上比常规爆破少2卷(图5)。

(3)周边炮眼。先在炮眼底部装入1条水袋,随后装入1卷药卷,然后间隔60~70 cm装入半节药卷,距炮眼口80 cm停止装药,装入2条水袋、2节炮泥封口(图6)。

装药作业需注意以下6个要点:水袋要饱满挺拔、炮泥要软硬适中、底部水袋要到底、炮泥要封到孔口、炮泥捣固用炮棍、3种材料要紧贴。

3.2.3 水袋及炮泥制作

炮泥采用PNJ-A型炮泥机加工而成,制作炮泥可就地取材,节约成本,按照土∶砂∶水=0.75∶0.10∶0.15的比例制作。根据线装药密度、堵塞长度、药卷直径等参数选定合适的水袋规格。

3.3 聚能水压光面爆破

聚能水压爆炮是集水压爆破和聚能爆破为一体的爆破方式,其原理是通过聚能管产生的高温高压“气刃”作用,水袋在爆破作用下形成“水楔”效应。炸药的爆生气体与气液多相介质有机结合、相互作用且共同作用于裂缝,促进岩石破裂和裂缝贯通。同时,水渗入掌子面岩体中,防止岩爆发生。聚能光面爆破技术布孔方式与常规光面爆破技術相同,不同之处在于周边眼的间距。聚能光面爆破需严格控制爆破参数,以实现在不同地质条件下精确控制开挖范围。聚能水压光面爆破技术与水压光面爆破技术的装药结构完全相同,不同之处在于聚能水压光面爆破技术增加了聚能管装置。

3.3.1 爆破参数

水压光面爆破参数如表3所示。

3.3.2 聚能管装置

聚能管装置由聚能管、炸药、传爆线和起爆雷管4部分组成。聚能管是定型PVC管,委托工厂生产,长度可根据需要调整。聚能管由特制的PVC管加工制作,是具有抗静电阻燃的一种特种塑料,结构形式主要有双M型,D型等,如图7所示。根据不同围岩类型选择相应断面尺寸。

D型聚能管一般为瓦斯矿井专用,河南省天池抽水蓄能电站所处岩层地质条件较好,故选用双M型聚能管。双M型聚能管由两个相似的半壁管组成,管壁厚2 mm,聚能管的长度根据炮眼深度决定,半壁管中央的凹槽为“聚能槽”。聚能管尺寸:聚能槽顶角70°,聚能槽顶部距离17.27 mm,半壁管宽度24.18 mm,两半壁管相扣成的聚能管宽度为28.35 mm。为使聚能槽对准开挖轮廓面,两半壁管可调聚能方向8°~10°。

4 爆破效果分析

4.1 爆破振动监测

4.1.1 测点布置及现场监测

爆破振动监测测点布置于尾水洞开挖掌子面后方一定距离边墙位置处,每间隔10 m布置一个测点,共布置2个测点(图8~9)。在爆破试验时布置振动安全测点进行爆破振动监测,对比离掌子面相同距离下的质点三向振动速度大小,分析水压及聚能对爆破振动的影响规律。

4.1.2 监测数据分析

本文进行3组爆破试验,每组试验均含常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破3种方式,爆破振动监测数据见表4。

根据《爆破安全规程实施手册》中相关规定[10],同时考虑围岩参数和周边建筑物与隧道的相对位置关系,发现已开挖的地下洞室洞壁质点振动速度小于10 cm/s。结合表4实测数据可知,3种爆破方案爆破振动产生的质点振动速度均控制在10 cm/s以内,监测区测点振动速度满足有关安全爆破控制标准。常规光面爆破产生的爆破振动主频率明显高于水压光面爆破及聚能水压光面爆破,且爆破振动引起质点垂直方向的振动更加明显。

由于文章篇幅限制,只列出爆破试验三的典型监测波形图(图10~11)。结合两图可知,距爆源中心距离越大,质点振动速率明显越低。对比图10~11中由3种不同爆破方式测得的波形图可知,水压光面爆破和聚能水压光面爆破产生的爆破振动明显弱于常规光面爆破。

从经济指标分析角度来看,聚能水压光面爆破单孔药量、炮眼数量及总药量等爆破参数均低于常规光面爆破和水压光面爆破。

4.2 爆后效果观测

由图12~14可看出:相对于常规光面爆破,采取水压光面爆破和聚能水压光面爆破进行爆破开挖后,隧洞轮廓面更加平整,而聚能水压光面爆破更有利于提高“半孔率”。因此,从技术指标、经济指标及爆破效果等角度考虑,建议工程中后续洞室爆破方案选取为聚能水压光面爆破。

5 结 语

针对天池抽水蓄能电站尾水洞的爆破开挖,采取施工现场试验手段,分别监测常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破产生的爆破振动,并对各爆破方式现场爆破效果进行观测,分析不同爆破工艺的参数对现场爆破效果的影响,对方案进行比选、优化。试验结果表明:聚能水压光面爆破技术可以很好地解决隧洞爆破炸药能量利用率低、隧道轮廓平整度差、对围岩损伤严重、爆破振动影响大等难题。本文结合实际工程案例试验,验证聚能水压光面爆破技术在地下洞室群的良好效果,在实际工程中有广阔的发展空间。聚能水压爆破是传统爆破技术的升级与创新,还有很多环节需要通过现场实践检验,以进一步完善并推广应用该技术。

参考文献:

[1] 张正宇,张文煊,吴新霞. 现代水利水电工程爆破[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2003.

[2] 巩中江, 柴敬尧, 杨长庚. 铁路隧道光面爆破施工技术与管理实例[J]. 隧道建设(中英文), 2017,37(12):1593-1599.

[3] 刘赶平. 大断面隧道光面爆破设计[J]. 爆破, 2019,36(2):65-71.

[4] 王威. 地铁隧道节能环保水压爆破施工技术[J]. 隧道建设, 2015(增2):143-146.

[5] 张卫国. 水压爆破技术在隧道掘进施工中的应用[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2013,26(2):46-50.

[6] 吳晓亮, 路洁心, 李贺. 水压爆破技术的应用[J]. 山西焦煤科技, 2011,35(6):38-39.

[7] 欧阳艳, 付杨果. 隧道掘进中的水压爆破技术[J]. 北方交通, 2011(8):59-61.

[8] 李伟, 袁绍国, 高文磊. 聚能水压光面爆破在岩巷掘进中的研究[J]. 煤炭技术, 2019,38(6):25-27.

[9] 王军. 聚能水压光面爆破技术在崤山隧道施工中的应用研究[J]. 铁道建筑技术, 2017(5):81-84.

[10] 汪旭光,于亚伦,刘殿中. 爆破安全规程实施手册[M]. 北京:人民交通出版社, 2004.

(编辑:江 文)

Comparison and selection of blasting schemes for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station

HUANG Jianquan1,DONG Ping2,YANG Shengzhe1,XIAO Linbin2

(1. China Gezhouba Group First Engineering Co. Ltd., Yichang 443002, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract:  In smooth blasting for underground cavern group of Tianchi Pumped Storage Power Station,the problems such as low explosive energy utilization rate, poor contour surface flatness after blasting, serious damage to surrounding rocks, and serious over or under excavation occurred frequently. In order to improve blasting effect,  smooth blasting schemes and blasting parameters should be optimized. Aiming at blasting excavation of the tailrace tunnel of Tianchi Pumped Storage Power Station, construction field test was conducted. In the test, blasting vibrations generated by conventional smooth blasting, hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting were monitored and according to blasting effect of the blasting methods, the influence of different blasting parameters on the blasting effect was analyzed and the schemes were compared and optimized. The results showed that: compared with conventional smooth blasting, hydraulic smooth blasting and energy-concentrated hydraulic smooth blasting had better effects, and the half-hole rate generated by energy-concentrated hydraulic smooth blasting was the highest,which also could solve the problems such as raw material waste caused by insufficient utilization of explosive energy, improve tunnel contour flatness, and reduce the damage to surrounding rock. The research results can provide reference for design and optimization of blasting of underground powerhouse cavern group in similar water conservancy and hydropower projects.

Key words: blasting vibration;underground caverns; energy-concentrated hydraulic smooth blasting;flatness of contour;Tianchi Pumped Storage Power Station;Henan Province

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