建基面保护层开挖爆破技术新进展

刘 亮，蔡联鸣，张玉柱，胡浩然，刘 磊，余 伟

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070；2.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

在我国水利水电工程建设中，大坝坝基、高陡边坡、导流隧洞、地下厂房、溢洪道及渠道开挖等均离不开爆破施工技术[1]。钻爆法施工具有施工灵活、安全高效、作业简单等优点，已成为当前水利水电工程领域岩石开挖中最为常用的施工手段。传统的钻爆法施工具有开挖效率高、开采量大、施工方便等优点，但同时也存在着诸多问题，比如施工管理水平不高、钻孔作业精度偏低、爆破作业质量差等，这会引发诸如爆破超欠挖严重、爆破安全事故频发、施工质量不合格等不利后果，甚至会增加工程投资、拖延施工工期。

随着爆破理论和爆破技术的飞速发展，爆破开挖正在由传统的粗放型作业向现代化、精细化作业方向发展，炸药能量的精细控制成为可能。精细爆破技术在我国工程爆破行业已经被逐步推广应用，在基坑开挖、厂房开挖、矿山开采、高陡边坡开挖等方面已取得不错的工程效果。张冬[2]结合精细爆破技术在水利水电工程岩石边坡爆破开挖中的应用，重点研究了保留岩体的精细爆破参数的设计方法，在工程中取得了良好的施工效果。周祥洋等[3]在乌东德水电站高陡边坡开挖中应用精细爆破技术，通过差异化的爆破参数设计、个性化的装药结构及可靠的网路优化，实现了边坡一次性爆破成型，确保了整个大坝的开挖进度与安全。刘美山等[4]在溪洛渡水电站拱肩槽建基面开挖中，对爆区进行合理分块，对爆破技术和设备进行改进，边坡开挖效果达到了精细爆破的技术要求。丁银贵等[5]针对大规模岩土爆破施工，采用等边三角形布孔斜线起爆网路、径向耦合-不耦合装药轴向孔底空气间隔定向卸压爆破装药技术、预留孔底保护层缓冲爆破等施工关键技术，提高了岩石破碎效果，有效地保护了边坡和建基面岩体。

对于大型水利水电工程，高库大坝的建基面是坝体和基岩衔接的关键部位，一旦出现问题将会造成难以估量的损失。对于建基面保护层的开挖，一方面要注意对岩体的损伤控制，尽可能降低对建基面岩体的损伤扰动，另一方面又要提高爆破作业效率，节约施工成本。随着精细爆破理论研究的不断深入，岩石基础开挖精细爆破施工技术得到了极大的发展，并在工程中逐步进行推广。针对建基面保护层开挖爆破技术的发展现状，笔者将系统介绍几种常用的岩石基础开挖爆破成型技术，具体包括传统的分层爆破开挖技术、预裂爆破和光面爆破相结合的轮廓爆破开挖技术、以及垫层爆破开挖技术，并详细介绍一种最新的聚-消能复合垫层爆破技术。

1 传统爆破开挖技术

1.1 建基面开挖步骤

在水利水电工程中，对于岩石建基面的开挖通常包含如下几个步骤(见图1)：①清除表层风化岩体；②采用常规爆破开挖保护层以上部位岩体；③岩石建基面保护层开挖；④建基面的清理和保护。在以上步骤中，保护层岩体的开挖是整个施工方法中的重中之重。根据爆破施工规范，保护层的厚度应通过现场试验损伤监测成果确定，如果现场不具备爆破试验监测的条件，建议根据保护层以上开挖时的药卷直径大小来确定[6]，具体的确定方法如表1所示。而根据已有的工程经验，建基面保护层厚度通常为3～6 m[7]，具体的保护层厚度应根据保护层顶面爆破的损伤深度来确定，爆破损伤区越大预留的保护层厚度越大，国内部分大型水利水电工程的坝基保护层厚度取值如表2所示。在传统的爆破作业中，对建基面的开挖通常采用“预留基岩保护层，浅孔爆破分层开挖”的方法。

图1 建基面保护层爆破开挖方法Fig.1 Blasting excavation method of foundation protective layer

表1 规范建议的保护层厚度和药卷直径的比值

表2 部分大型水利水电工程的坝基保护层厚度

1.2 分层爆破开挖

传统的岩石建基面开挖中，保护层分层爆破开挖技术目前依然是最为稳妥可靠的开挖方法。根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》[6]，一般将保护层分为3层进行开挖，并严格控制各层爆破参数，典型的分层爆破开挖方法如图2所示。

图2 保护层分层爆破开挖Fig.2 Layered blasting excavation of protective layer

第1层开挖采用浅孔台阶爆破，台阶高度、炮孔直径、单孔药量等参数都比常规爆破要低，台阶高度一般为3～4 m，药卷直径应不大于40 mm。第1层开挖后，剩余保护层厚度应不小于1.5 m。第2层开挖采用倾斜孔爆破，钻孔倾角应不小于60°，装药直径不大于32 mm。第2层爆破开挖之后剩余保护层厚度由岩性决定，当岩性较好时剩余厚度不小于0.5 m，岩性较差时不小于0.7 m。第3层开挖采用手风钻钻孔爆破，对于较为完整的岩体，钻孔不能超过建基面；对于节理岩体以及裂隙较为发育的岩体，钻孔底部距离建基面的距离不小于0.2 m，最后预留0.2 m的撬挖层。

浅孔分层爆破开挖法采用低台阶、小装药的爆破方法，能够极大地减小爆破损伤区的范围，保证建基面岩体的完整性。然而，这种分层开挖方法工序繁琐、效率低下，大大降低了保护层开挖的施工速度，在大规模开挖中仍然存在着诸多问题。

2 轮廓爆破一次成型技术

轮廓爆破一次成型技术是当前建基面保护层开挖中应用最为广泛的施工技术。该技术在进行建基面开挖时，采用光面爆破或者预裂爆破，通过严格控制径向不耦合爆破装药参数、提高预裂或者光面孔的钻孔精度等方法，对开挖轮廓面进行一次爆破成型，同时降低对基岩的损伤，提高工程施工效率。随着我国水利水电事业的发展，众多学者和工程师在工程应用中不断改进轮廓爆破技术，逐步提出了水平预裂爆破、水平光面爆破、双层水平光面爆破以及预裂、光面组合爆破技术。

2.1 轮廓爆破损伤机理

预裂爆破和光面爆破的成缝原理相似，均是利用不耦合装药爆破产生的气仞效应，将小间距炮孔之间的岩体劈裂成缝，进而与基岩面分离，形成平整的开挖轮廓面，其不同之处主要是起爆顺序(见图3)。预裂爆破起爆顺序为“轮廓(预裂)孔→主爆孔→缓冲孔”，光面爆破起爆顺序为“主爆孔→缓冲孔→轮廓(光面)孔”。预裂爆破中，预裂孔率先起爆，在主爆孔和缓冲孔起爆之前先形成一个预裂面，从而很好地起到隔振效果；而光面爆破中，光面孔在主爆孔和缓冲孔起爆之后起爆，由于临空面的存在，能够形成更加平整的开挖面。由于起爆顺序不同，其对基岩面的损伤破坏程度也不相同[8]。

图3 预裂爆破和光面爆破起爆顺序Fig.3 The steps of pre-split blasting and smooth blasting

为了研究预裂爆破和光面爆破2种轮廓爆破技术对基岩面的损伤情况，并分析其对不同岩石条件下的适用性，胡英国等[9]基于ANSYS有限元动力分析软件进行岩石爆破累计损伤效应的二次开发，通过自定义岩石爆破拉压损伤模型，对光面爆破和预裂爆破2种不同爆破方式下的开挖损伤全过程进行数值仿真，重点分析2种爆破开挖方式对围岩的损伤机制，研究结果表明：预裂爆破孔先于主爆孔和缓冲孔起爆，能够预先形成一条预裂缝，很好地起到隔振效果，进而降低主爆孔和缓冲孔对围岩的损伤，但是预裂爆破孔由于没有临空面，炸药能量完全作用在基岩上，爆破本身会形成一定范围的的高度损伤区；而光面爆破孔由于最后起爆，主爆孔和缓冲孔爆破时会对保留岩体造成明显的累计损伤，从而形成大片的轻度损伤区，主爆孔累计损伤最严重，同时光爆孔在起爆时已经形成了爆破临空面，抵抗线小，其本身对基岩造成的损伤反而较小。通过对预裂和光面爆破的损伤机理分析，可以根据岩石的特性及对基岩面的要求，在不同的工程条件下组合选择合适的轮廓爆破方法。

2.2 水平预裂爆破法

水平预裂爆破开挖方法是一种在建基面高程布置水平预裂孔的施工方法，保护层通过浅孔台阶爆破配合水平预裂爆破一次开挖成型[10]。水平预裂爆破法的典型结构如图4所示，包括水平预裂孔和垂直主爆孔。水平预裂爆破可以在建基面预先形成一条预裂缝，降低主爆孔对基岩面的损伤，起到保护基岩的作用。水平预裂爆破方法自首次应用于东江水电站坝基开挖以来，在三峡引水隧洞、岩滩水电站等水电工程中得到了广泛的应用。

图4 水平预裂爆破施工方法Fig.4 The method of horizontal pre-split blasting

水平预裂爆破法适用于岩石结构完整性较好的基岩面，通过预先形成的预裂缝进行隔振，同时获得较为平整的地基表面。但是，水平预裂爆破法在施工时要安装水平预压孔钻机钻设水平孔，必须要有完整的临空面。因此，要事先开挖先锋槽，在进行下一次爆破时，也要清理出完整的临空面。

2.3 水平光面爆破法

水平光面爆破开挖方法是保护层开挖的另一种轮廓爆破一次成型技术，典型施工方法如图5所示。水平光面爆破法包括3种水平钻孔，即主爆孔、缓冲孔和光爆孔。与预裂爆破法不同，光面爆破法的起始顺序是“主爆孔→缓冲孔→光爆孔”。

图5 水平光面爆破施工方法Fig.5 The method of horizontal smooth blasting

水平光面爆破方法已被证明能够控制爆破引起的破坏，并获得平坦的地基表面。然而，工程实践表明，水平孔的钻进效率要比垂直孔低得多，如果控制不好，水平孔的钻杆很容易漂移。有些项目也采用与预裂爆破相似的钻孔工艺，将主爆孔采用竖直钻孔的方法。水平光面爆破法在施工时同样需要开挖先锋槽。

2.4 双层水平光面爆破法

已有的研究表明，预裂爆破依然会对基岩面产生一定程度的损伤，而光面爆破由于不具有隔振效果，主爆孔会对基岩造成累计损伤。这种损伤对于完整性较好的基岩面可以忽略，而对于裂隙较为发育的岩体，这种损伤依然不容忽视。对此，已有学者提出改进方法——双层光面爆破法，并在溪洛渡水电站工程中进行了应用[11]。该方法针对坝基底板建基面薄层角砾熔岩，提出预留5.5 m保护层，并分为2层开挖，上层3.5 m首先采用浅孔台阶爆破开挖，之后下层2 m保护层采用垂直孔配合双层光面爆破孔开挖。第一层光面孔位于底板建基面，第二层光爆孔距离建基面0.5 m，垂直孔距离第二排光爆孔0.8 m。该方法在溪洛渡水电站河床坝基底板保护层开挖中得到了成功的运用，薄壳状角砾熔岩基本完整地保留下来，建基面岩体完整性较好。

2.5 预裂-光面组合爆破法

为做到保护层一次开挖成型，针对裂隙较为发育的建基面，有学者提出预裂-光面组合爆破开挖方法[12]，该方法采用在建基面布置1层水平光面爆破孔，第2层为水平预裂孔，距离光面爆破孔0.5 m，上部为浅孔台阶爆破层。该方法首先起爆预裂孔，由于预裂孔距离建基面仍有一定的深度，可以减小对基岩面的损伤。之后起爆主爆孔，由于预裂孔预先形成一条预裂缝，可以阻断爆破振动向基岩面传播，减小主爆孔的累计损伤。最后起爆光爆孔，形成平整的基岩面。该方法在白鹤滩水电站坝基开挖中得到成功的应用，有效地解决了柱状节理玄武岩的开挖问题。

3 垫层爆破开挖技术

轮廓爆破在用于岩石基础开挖一次成型时，往往需要开挖先锋槽创造工作面，同时由于预裂孔或者光爆孔的数量多，钻孔精度要求高，钻设水平孔操作复杂，施工的成本和效率仍难以令人满意。对于岩石基础开挖，往往采用台阶爆破，柱状药包起爆时产生的冲击波在到达孔底时会产生应力波的透射和反射，增大对炮孔近区岩石的破碎作用；在炮孔远区，爆炸应力波迅速衰减，由于孔底夹制作用较大，往往容易产生爆破根底。对于岩石钻孔爆破，通过调整柱状药包炮孔底部的装药结构，增加保护措施，能够有效地提高炸药能量利用率，改善孔底岩体的破碎效果。随着柱状药包轴向不耦合技术的发展，众多爆破工程师逐步提出了空气垫层爆破、水垫层爆破、柔性(软弱)垫层爆破、以及一种最新的聚-消能爆破技术，用以改善爆破效果，提高对岩石基础开挖面的保护。

3.1 空气垫层爆破

对于深孔台阶爆破，为了克服孔底岩石的夹制作用，往往要进行钻孔超深，装药药柱重心往往偏向于炮孔下部，容易造成炸药能量分布不均。林德余等[13]认为，通过调整装药结构能够有效地改善炸药能量的分布，进而提高岩石爆破效果，并提出了炮孔底部空气垫层装药结构，通过空气间隔器将柱状药包与孔底岩石隔离开(见图6)，孔底垫层的高度一般等于钻孔超深。根据爆轰波理论，柱状药包起爆时，爆炸冲击波不会直接作用在孔底岩石上，而是会先剧烈压缩孔内空气柱，从而降低爆破峰值压力，同时波阵面在通过空气段到达孔底岩石面时会发生反射形成反射冲击波，波阵面显著增强，增强的压力对孔底岩石产生剧烈的压缩作用，从而破坏岩石。由于空气柱的存在，爆轰压力更加均匀地作用在炮孔壁上，爆破作用时间也会增加，从而提高炸药能量的利用率，降低大块率，改善岩石破碎效果。该技术在赤峰平庄矿山进行了工程应用，取得不错的爆破效果[14]。

图6 空气垫层装药结构Fig.6 The charge structure with air cushion

3.2 水垫层爆破

深孔台阶爆破在遇到地下水或雨季时，往往在炮孔内会存有积水，从而形成水耦合爆破。针对这一情况，宗琦、林德余等[15-16]认为炮孔内水的存在会对爆破冲击波起到缓冲作用，同时由于水的可压缩性远小于空气，水中冲击波压力要高于空气，同时作用时间也长于空气。根据这一原理，林德余等[16]提出一种水垫层爆破装药结构，该结构与空气垫层装药结构类似，将其中空气垫层换成水垫层，深孔台阶爆破水垫层的高度一般为1.0～1.5 m。在工程应用中，对于不透水炮孔，可在孔底放置间隔器，并注水至设计深度；对于有裂隙的透水炮孔，一般采用中通的竹筒代替间隔器并在竹筒中装满水或者采用密封的水袋子。

3.3 柔性(软弱)垫层爆破

柔性垫层爆破是近些年根据炸药与岩石的波阻抗理论而提出的一种新型爆破装药结构(也有学者称之为软弱垫层)，相比于空气垫层和水垫层，该方法在工程应用中的可操作性更强。根据波阻抗理论，一般认为炸药与岩石的波阻抗相匹配时，炸药在岩石界面上冲击波的入射和反射效应更强，能量利用率最高。而柔性垫层爆破的基本原理就是在炮孔底部填充波阻抗小于炸药爆轰产物的材料作为缓冲垫层，以降低孔底的爆炸峰值压力，同时利用爆炸应力波在垫层与岩石之间的透射和反射，增强反射波的压力，改善孔底岩石的破碎效果[17]。王学兵等[18]在防城港核电项目的核岛爆破开挖中，采用预留保护层孔底设柔性垫层爆破技术，浅孔台阶一次爆破成型，建基面未产生裂隙，岩体质量完好，取得了良好的爆破效果。根据工程经验，常用的垫层缓冲材料有泡沫、锯末、竹筒、岩屑等，软弱垫层的厚度、布置位置和材料选择要根据保护层厚度、岩石强度以及炸药特性等多方面因素共同确定。

3.4 聚-消能复合垫层爆破

传统的空气垫层、水垫层以及柔性垫层爆破方法，能够通过应力波的透射和反射增强孔底岩石面反射应力波的压力，有效地改善孔底岩石的破碎效果，但是对保留基岩的保护仅仅通过垫层的缓冲作用来实现，保留基岩仍然会受到有较大的损伤。卢文波、胡浩然等[19-20]在深入研究坝基开挖方法的基础上，提出一种在竖直炮孔中设置聚-消能复合垫层的装药结构，形成一套基于损伤控制理论的聚-消能爆破开挖一次成型技术。

根据应力波理论和波阻抗匹配理论，在爆轰作用面上2种介质的波阻抗对透射波与反射波的强弱起着重要作用，胡浩然等[19]由此提出一种在竖直炮孔中设置聚-消能复合垫层的装药结构(见图7)。该结构由以铸铁或高波阻抗混凝土为材料的圆锥形聚-消能装置和以松砂为材料的柔性垫层组合而成。当爆轰作用发生时，爆炸冲击波首先会在高波阻抗材料的锥形界面发生一次反射和透射，反射波将会呈水平向，从而加强对孔底水平向岩体的破碎作用，有利于形成平整的开挖面；透射波穿过锥形高波阻抗材料后到达低波阻抗的柔性垫层界面时，将会发生强烈的二次反射，仅有少量能量透射入垫层。爆炸冲击波的能量经过多次透射和反射，大部分被高波阻抗材料、孔底松砂垫层以及水平向岩石吸收，从而改善孔底岩石的破碎效果。该技术能够充分利用爆炸冲击波在高波阻抗材料界面之间的反射，将爆炸应力波能力导向水平向，并利用松砂垫层吸收透射的冲击波，从而实现对岩石基础的快速开挖以及对基岩面的保护。

图7 聚-消能复合垫层结构应力波透、反射Fig.7 Transmission and reflection of stress wave in the energy shaped and dissipation composite cushion

为验证聚-消能复合垫层爆破技术的可行性，该技术在白鹤滩水电站坝基开挖中得到了大规模推广应用[20]。经过对开挖过程的跟踪监测、开挖后的岩石损伤声波监测以及建基面平整度测量、超欠挖测量，结果显示，各个坝段的平均爆破损伤深度、平整度及超欠挖情况均满足设计要求。利用该技术进行白鹤滩水电站建基面的开挖，加快了施工进度，直接和间接经济效益明显。

4 结语

精细爆破在水利水电工程岩石基础开挖中应用越来越广泛。预留保护层开挖是保护建基面最有效的方法。传统的保护层开挖方法将保护层分为3层，采用浅钻孔、小装药的施工方法，这种方法存在着工序繁琐、效率低下等诸多问题。工程中最为常用的是轮廓爆破一次成型技术，该方法采用预裂爆破、光面爆破以及二者的组合使用，充分利用预裂缝的隔振作用以及光面爆破成型平整的优点，高效快速地完成基础面的开挖。对于垂直孔爆破开挖，通常采用垫层爆破开挖技术，该方法包括空气垫层、水垫层柔性垫层爆破技术，以及最新的聚-消能复合垫层爆破技术。聚-消能复合垫层爆破技术利用应力波在不同介质面的透射和反射原理，在炮孔底部安装聚-消能座和柔性垫层，充分利用爆炸冲击波在高波阻抗材料界面之间的反射，将爆炸冲击波能量导向水平向，从而实现对岩石基础的快速开挖以及对基岩面的保护。随着爆破损伤控制理论和爆破施工技术的发展，有关岩石基础开挖的精细爆破施工技术会越来越多地应用到工程实践中去。