某除险加固工程导流隧洞堵头混凝土拆除技术

某除险加固工程导流隧洞堵头混凝土拆除技术

刘卫星

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中国水电建设集团十五工程局有限公司

[摘要]：随着我国老旧土石坝除险加固工程日益增加，需要拆除导流隧洞堵头混凝土的施工越来越多，通过对洞内混凝土堵头拆除控制爆破技术的研究，解决洞内钢筋混凝土堵头爆破效果达到预期要求，同时避免混凝土爆破拆除时的地震波对坝基、帷幕灌浆防渗体系等产生的不利影响，确保水库大坝安全。形成一套完整的堵头拆除控制爆破技术施工方法，促使洞内钢筋混凝土堵头拆除工艺进一步成熟，为后续洞内混凝土拆除工程提供相关经验。

[关键词]：除险加固    堵头混凝土拆除     控制爆破     坝体安全

一、工程概况

某水利工程是一座以补水为主，兼顾发电、防洪、养殖综合利用的中型水库总库容9091万m3，由混凝土面板堆石坝、溢洪道及引水发电系统组成。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，地震基本烈度值为Ⅵ度。最大坝高103.00m，坝顶长385.92m、宽6.5m，上游坡比为1:1.4，下游坡比 1:1.46，局部 1:2.5，设有38块钢筋混凝土面板。

本工程导流隧洞布置在左岸，穿过左坝段下方山体，断面尺寸为3.80×4.90m（宽×高）的城门洞型。导流洞全长452m，进口高程232.00m，出口高程228.50m，纵坡0.8%。导流洞进口设封堵钢闸门一座，尺寸为3.80×4.90m；钢闸门下游2.0m处设置长24m的临时堵头（0+002～0+026m），该地段为弱风化岩体，围岩条件相对较好，堵头无抗滑稳定问题；在桩号0+140～0+170m、坝基山体下方设置长30m的永久堵头，该处隧洞封堵混凝土顶部距大坝坝基8.18m，距离坝基较近，该地段为微风化岩体，围岩条件相对较好，堵头无抗滑稳定问题。两处堵头洞壁均采用钢筋混凝土进行了衬砌，衬砌厚度分别为0.5m、0.6m，衬砌后断面尺寸为3.80×4.90m（宽×高）。

根据工程加固设计方案，坝前输水隧洞新建分层放水塔、部分混凝土面板及全部表止水进行拆除更换、坝基重新进行帷幕灌浆等，在施工前需放空水库。由于水库导流洞已封堵，现状发电引水隧洞进口底板高程为245.3m，溢洪道进口堰顶高程318.0m，均不能将水库放空到最低水位；同时在坝前施工期间，由于发电引水隧洞最大下泄流量20m3/s，不满足施工导流要求；因此，坝前施工前需打通原导流洞封堵段，通过导流洞放空水库，施工期间通过导流洞导流、泄洪。

二、堵头混凝土拆除的重难点分析

①导流洞混凝土堵头拆除工程周围环境较为复杂，在混凝土隧洞内部进行拆除，距离水库大坝较近，临时堵头距导流洞闸室最近距离2.0m，永久堵头段位于大坝底部，距大坝最近距离8.18m。

②堵头拆除工期短、邻近环境较为复杂；因洞内断面较小、施工空间狭窄、临空面少，不利于机械化施工（液压破碎锤直接破碎拆除）。

③混凝土堵头采取爆破拆除时，爆破产生的爆破震动，对隧洞内部结构、坝基、大坝防渗幕体等邻近建筑物将会产生一定的影响；而大坝是一个重要的水工建筑物，大坝防渗系统更是大坝安全运行的关键，因此，堵头爆破拆除难度非常大。

④混凝土堵头采用静态爆破拆除时，静态破碎剂无膨胀空间，效果会很差，需先期开凿出一定的临空面（膨胀空间），即先期采用小导洞爆破方法，开挖出一条1.8m×2.5m的城门洞型小导洞，才能保证静态爆破取得良好的膨胀效果。

三、堵头混凝土拆除施工方案选择

临时堵头拆除断面为3.8×4.9m的城门洞型，周边50cm厚衬砌钢筋混凝土不拆除；永久堵头为瓶塞型，拆除断面为5.0×6.1m～3.8×4.9m的城门洞型，周边60cm厚衬砌钢筋混凝土不拆除。

根据导流洞堵头拆除断面特点，初拟以下三种拆除方案：

方案1：全断面爆破开挖；

方案2：小导洞（爆破）+导洞爆破扩挖；

方案3：静态爆破+液压破碎锤解小。

3.1全断面爆破开挖方案

由于导流洞永久堵头段位于大坝底部，堵头全断面爆破时距大坝最近距离8.18m，最大城门洞型断面为5m×6.1m（宽×高），断面面积27.82m2，进尺1.0m时，单次爆破装药量约40kg，钻孔数量约46个，钻孔深度1.2m。采用6个锲型孔+1空孔进行掏槽（中间1孔孔径不小于90mm，不装药），其余孔按先辅助孔、再底孔、后周边孔的爆破顺序进行爆破。

3.2分断面爆破开挖方案

堵头全断面爆破拆除规模较大，产生的爆破振动和危害相对较大，可采取分断面进行爆破开挖，即一期采用掏槽爆破法开挖出小导洞，二期对断面剩余的混凝土进行爆破拆除，减小一次爆破规模，同时，一期导洞为二期剩余断面混凝土的爆破创造了良好的临空面，有效减少炸药单耗（对于中硬岩石的隧洞扩挖，炸药单耗一般低于0.75kg/m3）和降低爆破振动。

小导洞开挖城门洞型断面尺寸为1.8×2.5m，进尺1.0m时，单次装药量6.6kg，最大单响药量1.6kg，爆破振速预计1.5cm/s；断面剩余部分进尺1.0m时，最大断面单次装药量14.2kg，最大单响药量2.0kg，爆心距10.6m，爆破振速预计1.5cm/s；最小断面单次装药量7.8kg，最大单响药量2.2kg，爆心距14.5m，爆破振速预计0.8cm/s；距坝基最近断面单次装药量11.2kg，最大单响药量2.0kg，爆心距8.18m，爆破振速预计2.6cm/s；均不会对坝基产生影响。

3.3静态爆破方案

静态爆破不会产生爆破振动，不会对邻近建筑物产生危害，因此，静态爆破循环进尺采用2.0m，采用密孔布置，孔径40～42mm，间排距不超过40cm，钻孔深2.1m；中心位置竖向布置一排辅助孔，间距20～30cm、孔径不小于90mm的空孔，孔内不装药。主爆孔内装膨胀剂，通过药剂的膨胀作用，在密集的爆破孔间形成裂缝后，采用0.6m3小液压破碎锤进行破碎解小拆除。

3.4方案选择

根据以上三种方案的比较，方案1对隧洞内部结构、坝基、大坝防渗幕体等邻近建筑物产生负面影响的风险相对较大，因此，考虑到坝基和洞身衬砌结构的安全，堵头拆除不建议采取全断面爆破方法拆除。

方案2二次扩挖爆破时在距坝基较近范围时，虽然对坝基趾板不会产生影响，但会对该部位原大坝帷幕灌浆产生一定影响。

方案3静态爆破单次循环时间较长（钻孔工程量大、药剂膨胀作用时间长，还需要破碎锤破碎解小拆除），工期长，不利于工程整体施工安排。

为保证爆区相邻建筑物的安全以及施工进度要求，拟选用方案2和方案3相结合的施工方案：小导洞（炸药爆破）+静态爆破+液压破碎锤解小，即一期采用小导洞爆破，二期（二次扩挖）采用静态爆破方案，达到安全保护坝基趾板结构混凝土、原帷幕灌浆以及满足工期要求的目的。

四、堵头混凝土拆除施工工艺方法

4.1一期小导洞爆破工艺方法

根据测量放样及爆破设计，在临时、或永久堵头混凝土先放样出尺寸为 1.8×2.5m 的导洞轮廓线，采用KQJ-100B钻一个孔径不小于90mm的掏槽预留空心孔（一次钻深6.0～9.0m），再采用YT-28手风钻钻孔，锲型掏槽孔孔深1.3m，其他孔深均为1.2m，初拟每循环爆破进尺1.0m。

孔径不小于90mm的掏槽孔不装药，其他孔内连续装药，数码雷管起爆，根据爆破设计严格控制单孔起爆装药量；掏槽孔与其他爆破孔起爆时差不小于200ms，保证掏槽爆渣充分冲出孔内，为后续爆破多创造临空面和爆破膨胀空间，以减小后续爆破振动；其他相邻起爆孔起爆时差控制在100ms以上，以避免爆破振动叠加和减小爆破振动（根据爆破振动监测数据确定合适的延时间隔时间）。

每循环爆破完成后，采用HW-926型装载机出渣（斗容0.6m3、斗宽1.6m、轮距1.54m）至导流洞出口装车，10t自卸汽车拉运至弃渣场。

①钻爆参数的计算

预计崩落炮孔深度为1.0m，L=1.0m时，适用于手风钻造孔，钻孔直径42mm，孔内匹配装φ32mm的2#岩石乳化炸药，根据厂家提供的炸药性能，φ32mm单根药卷平均密度为1243kg/m3，取q=1.0～1.6kg/m3，炮孔邻近系数m=1.1，则有：

⑴ 最小抵抗线：   

辅助孔（q=1.0kg/m3）：W=0.60m；底 孔（q=1.2kg/m3）：W=0.62m；

周边孔1（q=1.0kg/m3）：W=0.74m；周边孔2（q=1.0kg/m3）：W=0.67m；

⑵ 钻孔间距：  

辅助孔：  a=mW=1.1×0.6=0.66m（实际布孔时取a=0.6m）；

底  孔：  a=mW=1.1×0.62=0.68m（实际布孔时取a=0.6m）；

周边孔1：a=mW=1.1×0.74=0.81m（实际布孔时取a=0.8m）；

周边孔2：a=mW=1.1×0.67=0.74m（实际布孔时取a=0.7m）；

⑶ 钻孔排距：

辅助孔：  b=W=0.60m （矩形布孔）；

底  孔：  b=W=0.60m （矩形布孔）；

周边孔1：b=0.866a=0.866×0.74=0.64m，本次取b=0.6m（梅花形布孔）；

周边孔2：b=0.866a=0.866×0.67=0.58m，本次取b=0.6m（梅花形布孔）；

⑷ 单孔装药量：

掏槽孔： Q1=qabL=1.4×0.6×0.5×1.0=0.4kg；

辅助孔： Q2=qabL=1.0×0.6×0.6×1.0=0.35kg；

底  孔： Q3=qabL=1.2×0.6×0.6×1.0=0.4kg；

周边孔1：Q4=qabL=1.0×0.8×0.6×1.0=0.5kg；

周边孔2：Q5=qabL=1.0×0.69×0.60×1.0=0.4kg。

掏槽孔、辅助孔、底孔和周边孔装药量可根据现场爆破效果进行修正、调整，以取得最佳爆破效果和经济效益。

②孔位的布置

⑴ 掏槽孔

小导洞采用矩形锲型掏槽，共布置5个掏槽孔，其中矩形四个角布置装药孔，矩形中间位置布置一个不装药的空孔，掏槽孔水平间距60cm，竖直方向间距50cm，水平方向成锲型，孔深均为1.3m，孔底间距30cm。

水平掏槽孔钻孔剖面图详见图10。

⑵ 周边孔（侧面、顶部）和底孔

辅助孔距掏槽孔60cm进行布孔，孔排距60cm，共布2个炮孔；周边孔孔距69～80cm，共布置7个炮孔；底板孔孔距60cm，共布置4个炮孔。

辅助孔、周边孔和底孔共布置13个，其中周边孔和底孔造孔时因钻机结构问题不能沿设计边线钻孔，需距边线10～15cm倾斜造孔，孔底达到设计边线或可超边线5cm，即可基本保证小导洞断面尺寸。

③小导洞爆破参数

小导洞C20混凝土开挖初拟爆破参数见下表。

小导洞开挖初拟爆破参数

根据上表可知，小导洞起爆顺序为①→②→③→④→⑤→⑥；根据起爆需要，4个掏槽孔同时起爆，对比辅助孔、底孔和周边孔单次起爆药量，本次爆破最大一次单响药量为1.6kg（掏槽孔），单循环校核装药量为6.9kg。

④起爆顺序

合理的起爆顺序应使后起爆炮孔充分利用先期起爆炮孔所形成的自由面。一次起爆炮孔数越少或起爆段数越多，除能够充分利用自由面外，还能减弱震动、空气冲击波的强度和噪声。由于本次爆破断面小、炮孔数量少，考虑尽量减弱爆破振动带来的负面影响，单循环爆破采用分段爆破（分6段起爆），最大单段爆破药量为1.6kg。起爆顺序为：

掏槽孔（4孔）→辅助孔（2孔）→底孔（2孔）+周边孔1（1孔）→底孔（2孔）+周边孔1（1孔）→周边孔2（2孔）→周边孔2（3孔）。

所有孔内均采用连续装药，孔内电子雷管起爆，起爆时间分别为：掏槽孔为0ms，辅助孔为200ms、（底孔+周边孔1）为300ms、（底孔+周边孔1）为400ms、周边孔2（顶孔）为500ms、周边孔2（顶孔）为600ms，总起爆时间为600ms。

4.2二期静态爆破拆除工艺方法

由于隧洞内静态爆破膨胀剂反应速度较慢（洞内温度较低），因此，在小导洞开挖在6m以上时，可同时进行堵头剩余断面的静态爆破拆除。静态爆破时，堵头周边与原洞衬结合部分混凝土采用密孔布置（孔径42mm、间距不超过30cm），钻孔深2.1m，孔内装膨胀剂进行静态爆破拆除。通过药剂的膨胀作用，在密集的爆破孔间形成裂缝后，采用0.6m3小液压破碎锤进行破碎解小，2.0m3装载机将工作面拆除渣料运至导流洞出口装车，10t自卸汽车拉运至弃渣场。

五、主要结论

通过本项目研究，得出一套详细的、实用的洞内混凝土拆除的施工工艺和方法，提高了洞内混凝土拆除施工效率，降低施工成本，加快洞内混凝土爆破拆除施工进度，保证施工质量、安全及节点工期目标顺利实现。

六、参考文献

无