水利工程施工中爆破技术的应用

摘要：水利工程项目的施工规模较大，在施工中需要清除施工障碍物，传统的土方开挖技术很难保障施工效率，且需要投入大量的人力和物力，施工效益较差。而爆破施工技术则可在较短的时间内将影响水利施工的建筑物全面清除，且资源消耗量较少，表现出了较好的经济效益。但爆破施工的危险系数较高，很可能对一些已有构筑物带来不利影响，应引起施工人员的重视。因此，本文在分析了爆破技术的应用机理后，对常见的爆破施工技术进行梳理，并探究其在水利工程中的具体应用。关键词：水利工程；爆破技术；围堰爆破技术水利工程施工中普遍面临较为复杂的地质和地形条件，尤其是在掘进施工中，如遇到坚硬的岩层会对掘进速度带来较大影响，通常需要借助爆破技术对岩层进行破碎处理，以达成特定的施工要求。但同时不可忽视爆破施工对已有构筑物的不利影响，为能保护已有构筑物，需要对爆破施工方案和爆破参数进行科学调整，确保在不影响已有构筑物的基础上进行爆破施工。前期的大量施工实践均表明爆破施工具备良好的经济效益和施工效益，对爆破施工技术在水利工程施工中的应用研究具有重要意义。一、爆破技术的应用机理爆破过程可被分为两个阶段：第一阶段为炸药先在围岩中产生应力波，致使围岩结构在应力作用下产生裂缝，进而达成破碎岩石的目标；第二个阶段是由于爆破时产生的强大气流会将破碎的岩石抛出。因此，可以明确的是爆破施工中的应力主要集中在围岩变形能量和气流中。相关研究数据显示，爆破过程中的能量主要涉及50%的爆炸气体膨胀能量，10%的冲击波能量和20%～30%的无用能量[1]。根据能量守恒定律，冲击波能量消耗越大爆破效果越好，因此在实际施工中，通常是通过调整冲击波能量消耗的方式来达成不同的爆破施工需求。水利工程的竖向掘进施工中，因只有一个自由面，会对爆破效果产生直接影响，爆破岩石的作业难度较大，在进行炮孔布设时，要考虑形成第二个自由面以提升爆破效果。二、水利工程施工中常用的爆破施工技术水利工程不但能够有效保证当地水土的安全，而且还能够有效促进地方经济的发展，因而，水利工程进行爆破开挖施工时，要综合地对爆破地区的地质特征、地形的特征以及工程项目的基础设计方案进行了解，并严格地遵循爆破开挖施工的具体工艺流程进行施工，对工程进行爆破开挖研究能够有效避免施工过程中事故的发生。（一）预裂爆破技术预裂爆破技术在水利施工中的应用取得了较好的成效，实际作业中，需要按照前期的爆破要求，放样出轮廓线，并沿着轮廓线密集打孔，且在孔内少量安放炸药，先炸出裂缝，再于需要爆破的部位安放一定量的炸药进行爆破处理。此种爆破作业手段的施工优势在于可以降低爆破作业对周边已有建筑物的破坏影响，这主要是由于通过预裂处理能够有效控制爆破影响范围，避免出现欠挖和超挖的状况，既可减少土方开挖量，又能保障爆破质量。该项技术在葛洲坝水电站施工中取得了较好的应用成果，此后被逐步应用于各个水利工程的爆破施工中。（二）光面爆破技术主要作业方法为先在需要开挖的部位周边布设间距较小的平行炮孔，之后在炮孔内少量放置炸药，引爆之后，可以将应力集中在开挖区域内，对于开挖区域以外的岩石起到较好的保护作用，使岩石结构整体处于稳定状态，爆破之后的边缘断面相对完整。目前，该项技术已经在我国的水利施工中得到广泛应用，其技术优势为能很好地控制开发面，且周边的围岩结构也相对稳定，省去了围岩支护的作业环节，很大程度上提升了作业效率。如三峡工程的开挖爆破作业中，便采用了光面爆破技术，爆破之后的壁面不仅完整且光滑，为后期的施工作业创造了良好的条件。（三）围堰爆破技术大型水利工程项目建设中，涉及拆除已有临时建筑物和影响水利项目建设的围堰结构等作业，为了保障施工效率，可以采取爆破技术将围堰结构一次性拆除。围堰爆破技术可以被划分为临水爆破作业范畴，实际施工中可选择无水区作为爆破面，该项技术对爆破工艺的要求偏高，不仅要保障一次炸通，还需同时满足泄洪和进水需求，因此需要对炸药用量和安置位置等进行科学确定。如周围分布有已经建成的建筑结构需要在爆破前做好对已有建筑物的保护措施，尽可能降低爆破作业影响。在前期的施工实践中已经总结了一系列施工经验，但在具体施工中还会面临很多施工安全威胁，为能保障爆破施工的可靠性和安全性，要结合现场实际施工状况，制定完善的安全施工标准，尽最大可能降低施工安全影响。（四）隧道掘进爆破技术水利工程施工中需要对地下空间进行开发，隧道掘进爆破技术的应用可以有效提升地下空间的开发效率，较为常见的地下工程包括引水洞、灌浆洞和斜竖井等，采取隧道掘进技术进行隧道施工不仅施工效率高，且成本相对低廉，对于地质条件也具有较好的适应能力。隧道工程中，掘进施工是十分关键的作业环节，不仅影响施工效率，还对水利工程的后续施工可靠性具有一定程度的影响。特别是在隧道掘进爆破施工中，会受到噪声和照明等多种施工因素的影响，因地下施工条件较为复杂，隧道掘进开挖的难度偏大[2]。此外，由于爆破自由面较少，对炸药的爆破力量造成了直接影响，为能提高爆破作业效率和质量，可以对现场施工状况进行全面调查，并制定标准化的爆破施工方案，充分分析爆破能量需求的基础上切实满足隧道掘进需求，尽可能避免因超挖问题带来的结构或者设施损坏状况。因此，该项技术的应用的要点是发挥好围堰作用，将不破坏围岩为前提进行掘进爆破施工。（五）定向爆破技术定向爆破技术主要被应用于水利工作的坝体施工环节中，截至目前，已经有几十个水库工程成功应用此项技术。主要技术优势表现如下：第一，对施工道路的质量没有较高的要求，在一定程度上节省了道路施工成本，且施工中很少依赖机械设备，还省去了部分设备应用成本；第二，在应用该项技术时，可以依次完成采石、运输和填筑等作业，很大程度上提高了施工效率，且工程量较少，能够有效提升水利施工的整体经济效益；第三，借助该项爆破技术能够在较短的时间内快速筑起堤坝，可尽快发挥截水作用，使水利工程施工作业顺利度过汛期。（六）岩塞爆破技术在20世纪70年代该项技术就已经被应用于水利施工中，属于水下爆破的一种。实际施工中，是先对岩塞位置进行确定，通常处于水库底部或者隧洞末端，在洞内的施工任务全部完成之后便可将岩塞炸除，有效打通洞库。岩塞爆破的优势体现如下：首先，对施工环境和条件的适应性较强，不会受到水位变化的影响；其次，爆破作业中的影响范围较小，无需建设围堰工程，有效降低了施工成本，且施工效率也相对较高；最后，施工中不会对水库的正常运行和其他施工作业产生影响。我国现行的水利施工中，该项技术的应用频率较大，根据装药方式的不同可以将其分为炮孔爆破和洞室爆破两种，而根据爆渣处理方式的不同又可将其分为泄渣和留渣两种。在水利工程的爆破施工中，结合现场施工条件选择正确的爆破手段有助于提升爆破效果和施工效率[3]。三、水利工程中爆破技术的具体应用（一）工程概况某工程为集供水灌溉和防洪抗灾为一体的水利工程，主要包括溢洪道、拦河堤坝、水库等工程。在对水利工程施工范围内的地质状况进行全面勘察后发现，施工区域内的岩体结构较为完整，需开挖隧洞作为进水口，根据水利工程的施工设计要求，边坡开口线的高度应为120m，而台阶坡度比应控制在1：0.65～1：0.25之间。分析现场的施工条件来看，采取爆破措施可能会对闸门段和进口段的结构稳定性产生影响，因此要遵循安全施工和降低对周边结构扰动影响的原则进行爆破施工方案设计。（二）爆破方案设计中应遵循的基本准则爆破施工属于危险系数较高的一类作业内容，除会对施工人员的人身安全构成影响以外，还会对爆破现场已有的构筑物构成影响。在本次工程中，爆破施工段距离闸门段和进口段较近，很可能遭受爆破施工的影响。为能将影响降至最低，做好已有构筑物的保护工作十分必要。此外还需遵循特定的爆破施工准则，要重点控制爆破过程中飞石的方向与距离，主要方法为根据施工区域岩石结构的特点和发育特点选择适宜的爆破技术手段，为能降低飞石影响，可以采取手风钻解炮，对于钻孔孔径进行科学控制，一般采取缩小孔径的方式减少炸药分装用量，可在保障爆破效果的前提下，降低对其他构筑物的影响。此外，还需结合水利工程的现场施工条件（如地质条件）合理选用爆破工艺，并对装药结构进行科学设计。（三）施工方案设计在现场施工中发现，施工部位的地质状况较为特殊，既包括整版岩石，又包括土夹石，针对此类现象，要正确区分岩石结构后，选择对应的爆破施工手段。结合以往的施工经验，如开挖时发现整版岩石，就可能伴随出现土夹石状况，此时要优先选用深口台阶微差挤压爆破技术，即先将大块岩石翻出之后，再利用收风钻钻孔爆破。这里需特别注意的是，要将台阶高度控制在5m～10m的范围之内，且钻孔孔径应为138mm，采取密集布孔方式来控制装药单耗。对于土夹石区域，考虑到粘土夹杂着块石覆盖物，如继续向下挖掘可能出现包裹孤石的状况，对结构稳定性带来不利影响，因此可以采取分层爆破措施。同时，采取明挖措施将石块抛出，形成满足隧道施工需求的隧洞。水利工程的隧道施工难度较大，需要面临较为复杂的地质情况，在施工中要根据地质情况选择对应的爆破施工技术，其中对于复杂地质条件要优先选用硝铵炸药，并将乳化炸药作为辅助炸药，对于地下水分布较为丰富的区域则需全面应用乳化装药措施，保障炸药爆破效果的有效发挥。（四）科学设计爆破施工参数鉴于进水口的开挖高度较大，可以采取爆破措施提升开挖作业的效率，爆破施工中需要遵循分层爆破原则，且自上而下的布设炸药，这里要注意将台阶高度控制在5m～10m之间，因此，将松动爆破台的高度控制在6m左右。主要布孔形式为多排梅花形，爆破孔均为垂直孔，如爆破过程中发现存在土夹石状况，则需适当增设爆破孔。在设计爆破参数时，要将台阶施工需求作为重要的参考，单位消耗炸药量的确认需综合考虑岩石性质、炮孔直径、炸药类型和台阶高度要求等。对于本次研究的水利工程而言，为能达到较为理想的爆破施工效果，可以将单位炸药的消耗量控制在0.45kg/m3～0.6kg/m3之间，且炮孔直径设计为138mm，孔深为台阶高度和超钻深度之和，这里的超钻深度在50cm～150cm范围内。底盘抵抗线以施工现场的施工状况为标准进行动态调整，一般在250cm～320cm之间。如将孔深控制在5m～10m之间，则孔距应为2.8m～4.2m。排距应设计为2m～2.4m，堵塞长度3.2m左右，对于现场地质条件较为复杂的状况优先选择上述参数的最大值施工。进行装药结构设计时，要尽量考虑爆破施工对周边建筑物的影响因素，采取分层耦合装药的措施，这既可减少装药量，也能控制爆破影响范围[4]。（五）做好爆破保护措施为能进一步提升爆破施工的安全作业水平，还需采取有效的爆破防护措施，将爆破影响范围进行有效控制，特别需要关注对抵抗线长度的控制工作，对飞石方向进行合理控制，降低对闸门段和进口段结构安全的影响。在进行爆破设计时，便要将安全因素考虑在内，通过对爆破方式和爆破参数的合理设计能够很大程度上提升作业安全水平。但在现实施工中很可能出现偏差，这则要求相关施工设计人员对爆破施工方案进行详细梳理，做好细节把控工作，确保能够对爆破作业进行明确指导，并在现场安排监理人员参与施工，对爆破作业的整个过程进行严格监管，全部操作符合设计要求的基础上方能点燃炸药，进行爆破作业，反之则要根据爆破施工方案做好纠正和调整，直至与方案要求相符。此举能够有效提升爆破作业安全，且保障