大型地下洞庫深孔垂直預裂與水平光面相結合爆破掘進技術

溫新亮，趙康林

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

深孔預裂爆破技術在水電［1］、礦山開采［2］、鐵路和公路路塹［3］等工程中得到較為廣泛的應用。該法不僅可以提高開挖工程成形質量，還最大限度地減少了爆破振動對周圍巖體的損傷破壞，進而形成平整穩定的邊界，在提高開挖效率和經濟效益等方面有著較大的優越性。

唐海等［4］闡述了預裂爆破的裝藥結構和炮孔間距等重要爆破參數。王者超等［5］、李術才等［6］介紹了國內某地首座大型水封石油洞庫工程，利用流固耦合理論對大型洞庫施工過程中的力學響應進行了大量研究，總結了分層開挖的經驗。李鵬等［7］介紹了某地大型地下水封石油洞庫的2種爆破方案:深孔臺階爆破+預裂爆破和深孔臺階爆破+水平光面爆破，對比分析發現均符合開挖設計要求，但各自有各自的優缺點和應用條件。隨著深孔鑿巖設備的不斷改進，深孔爆破技術在爆破工程中占有越來越重要的地位。地下洞庫開挖工程由于受作業空間、施工機械等限制，制約了該技術的推廣應用。

本文以某地大型洞庫洞中下臺階爆破施工為工程背景，通過設計合理的預裂爆破參數并結合底板水平光面爆破技術，提出深孔垂直預裂爆破+底板水平光面爆破相結合的爆破方案。在實際施工過程中，有效解決了預裂爆破易產生大巖塊、底板不平順等問題，使得深孔預裂爆破技術在大斷面地下洞室內得以順利應用，有效提高了開挖成形質量，加快了施工進度，節約了工程成本。預裂爆破由于提前起爆預裂孔使得洞室邊墻形成一定寬度的預裂縫，從而減小主爆區爆破時對洞室圍巖的擾動，進而可放寬對開挖區爆破規模的限制，提高了效率。綜上所述，該新方法不僅提高了單循環開挖方量和爆破成形質量，而且可實現垂直打眼與出渣平行作業，加快了施工進度，節約了工程成本。

1 工程概況

某國家地下大型石油儲備庫工程采用水封油庫。該油庫斷面跨度和高度分別為19 m和24 m，洞型為三心拱直墻型、底部做適當切角、斷面面積為436.1 m2(見圖1)。

圖1 主洞室開挖順序(單位:mm)Fig.1 Excavation sequence of main cavern(mm)

儲油洞庫所在區域圍巖為微風化花崗巖、中粗粒結構、雜色－淺肉紅色;主要礦物成分為石英、長石及少量的黑云母、角閃石等，礦物成分基本未變;節理組數一般1～2組、裂隙較發育－不發育;巖芯以長柱狀為主，局部為短柱、碎塊狀，RQD值為75% ～90%;部分地段夾微風化輝綠巖、花崗細晶巖和閃長玢巖巖脈，巖脈厚度和展布無明顯規律性。巖石的單軸抗壓抗拉強度以及變形參數見表1。

2 洞庫中臺階爆破設計方案

2.1 洞庫開挖總體施工方法

本洞庫斷面為19 m×24 m，分3層開挖。上層設計施工高度為8 m，由于洞庫底部有3 m高的倒角，故中層設計高度為13 m，下層高度為3 m，其施工順序為Ⅰ1—Ⅰ2—Ⅱ—Ⅲ［8－11］(如圖 1 所示)。上下層均采用水平光面爆破技術，本文主要介紹該洞庫中層的爆破施工技術。

表1 巖石單軸抗壓抗拉強度及變形參數Table 1 Mechnical parameters of rock

中層最初采用單一垂直深孔預裂爆破施工，但該法存在著在開挖斷面中部產生大巖塊以及底板不平順等問題，進而給后續出渣作業帶來極大不便，嚴重影響施工進度。結合現場施工存在的實際問題，經研究，采取了垂直深孔預裂爆破(先于主爆區1～2 d起爆)修邊+底板水平光面爆破清底相結合的爆破方案。

2.2 鉆孔孔徑確定

綜合本工程地質條件結合現場施工機械水平，垂直孔、傾斜孔采用潛孔鉆機施工，鉆頭直徑為89 mm，成孔直徑為95～100 mm;水平孔采用Sandvik DT1130芬蘭三臂鑿巖臺車，成孔直徑D1為50 mm。

2.3 鉆孔深度

沿底板水平向上布置2排光面孔(見圖2和圖3)，依據炮孔所在位置不同分為上部的二臺眼和底板的底板眼，設計孔深均不小于8.0 m(循環進尺為7.5 m)，底板眼為下向傾斜孔，傾斜角度為3°～6°。

圖2 爆孔布置俯視圖(單位:mm)Fig.2 Planform of blasting hole layout(mm)

圖3 炮孔布置正視圖(單位:mm)Fig.3 Elevation of blasting hole layout(mm)

光面孔抵抗線為0.8 m，考慮底板夾制作用較大，二臺眼布置在距底板0.7 m處為水平孔，因此主爆孔垂直深度為11.5 m。主爆區為傾斜孔，傾斜角度60°～75°、炮孔斜長為 11.9 ～13.2 m。預裂孔為垂直孔，其深度等于中臺階全斷面高度，為13 m。

主爆孔和預裂孔間設置一排垂直緩沖孔，緩沖孔為傾斜孔，垂直深度為11.5 m。主爆孔、預裂孔和緩沖孔孔徑D2均為95～100 mm。

2.4 孔距和排距的確定

孔距a是指同排相鄰2個炮孔中心線間的距離;排距b是指相鄰2排炮孔中心線間的距離。兩者參數設置合理與否，對爆破效果均會產生重要的影響。

炮孔密集系數m是指炮孔間距a與排距b的比值，即m=a/b;根據中硬巖體的爆破經驗:保證最優爆破效果的孔網面積(a·b)是孔徑斷面積(π·d2/4)的函數，兩者之間比值是一個常數，其值為1 300～1 350。在臺階深孔預裂爆破中，炮孔密集系數m是一個很重要的參數，一般取 m 為 0.8 ～1.4［5］。主爆孔最小抵抗線為3 m，根據以上原則炮孔密集系數m取小值，可得到:

通過計算得:a=2.6 m，b=3.2 m。

為減少大塊產生以便于出渣，現場取a=2 m、b=2.5 m時效果較好。

預裂孔與緩沖孔沿兩幫各1排，經工程試驗二者的孔間距分別為0.8 m和1.6 m時可以達到預期的效果。

3 各炮孔單孔藥設計

3.1 主爆孔單孔藥量設計

主爆孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規格為φ70 mm ×2 000 g，長度為500 mm，不耦合系數為1.3。

1)第1排主爆孔裝藥量

式中單位耗藥量q(單耗)在深孔爆破中一般根據巖石的堅固性、炸藥種類、施工技術和自由面數量等因素綜合確定，修正的普氏公式:

式中:f為巖石堅固性系數f=17.6;s為面積，m2;k0為考慮炸藥保留的校正系數(其中:k0=525/p，p=320，p為爆力，mL);q為單位炸藥消耗量。

計算得:q=0.48 kg/m3。

經計算得:Q1=27.6 kg。結合藥卷規格和實際的爆破試驗，藥量取28～30 kg。

2)第2，3排炮孔裝藥量

式中:K為考慮受前面各排孔的巖碴阻力作用的裝藥量增加系數，取1.1。

經計算得:Q2=30.36 kg。現場取30～32 kg。

3.2 預裂單孔藥量設計［12－15］

預裂孔沿洞庫邊墻布置，間距a預裂0.8 m、預裂孔深度等于該中層的高度，即13 m，一次起爆長度為3個循環，合計22.5 m。

預裂孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規格為φ32 mm×200 g，該藥卷長度為200 mm，不耦合系數為2.8。為克服底板夾制作用，在孔底采用1卷規格為φ70 mm×2 000 g的大藥卷。

3.2.1 預裂孔線裝藥密度 Δ1

1)工程類比法(使用范圍ρ壓=20～200 MPa)

式中:Δ1為除去堵塞長度后的預裂孔裝藥密度，g/m;a為預裂孔孔距，m，這里a=0.8 m;ρ壓為單軸抗壓強度，ρ壓=176.3 MPa。

帶入數據計算得:

2)三峽經驗公式(適用于不耦合系數2～4)

式中:D為預裂孔的孔徑，cm;a為裂孔孔距，cm;ρ壓為單軸抗壓強度，ρ壓=176.3 MPa。

帶入數據計算得:

3.2.2 單孔裝藥量

綜合以上2種線裝藥密度計算可知:線裝藥密度范圍為0.45 ～0.5 kg/m。

根據現場圍巖情況，當Q＜5時，線裝藥密度取0.45 kg/m，單孔裝藥量 Q1=0.45 ×11.5=5.17≈5.2 kg。

當 Q ＞5時，線裝藥密度取0.5 kg/m，Q2=0.5 ×11.5=5.75≈5.8 kg。

3.3 緩沖孔單孔藥量設計

緩沖孔孔間距為主爆孔最小抵抗線的50%～75%，對于堅硬巖石可以取大值，本工程的緩沖孔孔間距取1.6 m。藥量為主爆孔的一半，單孔藥量為15 kg。

3.4 光爆層單孔藥量設計

中臺階下部水平光爆孔最小抵抗線W=1.0 m、光面孔密集系數m=0.8，底板眼間距為0.8 m。二臺眼孔間距為1 m。

光爆層單耗與主爆區相同，裝藥量根據公式Q=qaWL計算得單孔藥量為3.2 kg。

4 各類炮孔裝藥結構和堵塞段設計

4.1 預裂孔裝藥結構和堵塞段設計

1)藥卷長度。預裂孔單孔藥量為5.2～5.8 kg，其中底部為 φ70 mm×2 000 g藥卷，該藥卷長度為0.5 m;其他采用φ32 mm×200 g小藥卷，藥卷長度為0.2 m，間隔裝藥。

2)堵塞段設計。炮眼堵塞的主要作用是為了保證炸藥在密閉的空間中充分反應，從而提高炸藥釋放能量利用率，進而取得較好的破碎效果。

1.2.4 統計學方法 采用SPSS 19.0軟件對數據進行分析處理，計量資料以（均數±標準差）表示，采用LSD-t檢驗；計數資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。Pearson分析法分析各計量資料之間的相關性。

預裂孔堵塞質量的好壞直接影響著預裂孔的成縫效果。在以往工程實踐中堵塞長度一般為炮孔直徑的12～20倍，或者是按照經驗長度0.6～2 m來取，考慮到本工程巖石的堅固性，堵塞長度不小于1.5 m。

對堵塞質量的要求:堵塞材料為炮泥(砂∶黏土∶水=3∶1∶1)，堵塞要求密實，不能有空隙和間斷。

3)裝藥結構設計。預裂爆破主要目的是為了沿著預設預裂孔形成一條一定寬度的預裂縫來隔離主爆區的爆破振動，并形成較好的成形，故藥量沿預裂孔軸線分布均勻從而實現各個區段的能量均勻分布。除了底板加強裝藥外，其他區段采用等間距空氣間隔不耦合裝藥結構，靠近孔底處藥卷間距適當減小，靠近堵塞段的藥卷間距應酌情加大。

4.2 主爆孔裝藥結構和堵塞段設計

主爆區炮孔垂直深度為11.5 m、斜長為13 m。該區炮孔沿軸線分2段不耦合連續裝藥。

1)藥卷長度。主爆區單孔總藥量為28～32 kg，藥卷規格為φ70 mm×2 000 g、長度為0.5 m，藥卷總長為7～8 m。

2)堵塞段設計。由于沿軸線分2段不耦合裝藥，故主爆區堵塞也分為2部分，一段為2個裝藥段間堵塞，另一段為孔口堵塞。

孔口堵塞在完成裝藥工作后進行，堵塞長度與最小抵抗線、鉆孔直徑和爆區環境有關，堵塞長度取鉆孔直徑的30～35倍，為2.5～3.0 m。剩余部分為中間堵塞段，長度為2.0 ～3.0 m。

3)裝藥結構設計。為有效地降低巖石大塊率，主爆區炮孔采用分2段連續不耦合裝藥結構。孔底裝藥量占總藥量的60%，靠近孔口段占總藥量的40%。

主爆區炮孔底部裝藥量為18～20 kg，藥卷9～10卷，裝藥長度為4.5～5.0 m。第1排主爆孔上分層藥量一般為10 kg，合計長度為2.5 m，第2，3排炮孔上層均為12～14 kg，合計6～7卷，裝藥長度為3.0～3.5 m。孔口堵塞段長度為2.5～3.0 m，剩余部分為中間堵塞長度。

4.3 光爆層裝藥結構和堵塞段設計

光爆層炮孔長度為8 m，單孔藥量為3.2 kg，采用直徑32 mm的小藥卷。該區采用分段非連續不耦合裝藥結構。

1)藥卷長度。合計小藥卷共16卷，藥卷長度合計為 3.2 m。

2)堵塞段設計。孔口堵塞段長度不小于0.6 m，采用炮泥堵塞。

3)裝藥結構設計。藥卷沿炮孔全長分為3段:底部加強裝藥段、中間正常裝藥段以及孔口減弱裝藥段。各分段藥量分配為1∶2∶1，裝藥結構如下:①底部加強裝藥區。采取連續不耦合裝藥結構，裝藥長度為0.8 m，該段藥量為0.8 kg;②中間正常裝藥段。采取空氣等間距非連續不耦合裝藥結構，該段視巖石性質不同區間長度略有不同，一般為4.0～4.5 m，該段所需藥量為1.4 kg，合計8卷。其中空氣間隔長度一般為0.30～0.35 m;③頂部減弱裝藥段。采用空氣等間距非連續不耦合裝藥結構，該段藥卷總長度為1.5～2.0 m，所需藥量為0.8 kg，即4卷藥卷，空氣間隔長度為0.40 ～0.45 m。

4.4 緩沖孔單孔藥量與裝藥結構

采用等間距空氣間隔非連續不耦合裝藥結構，孔口堵塞段長度不小于2 m。緩沖孔在主爆孔起爆后起爆。

所有炮孔具體數目及藥量，詳見表2中臺階爆破參數。

5 起爆網路設計

5.1 預裂孔起爆網路設計

由于在爆破過程中預裂孔是先于主爆區1～2 d起爆，為保證預裂孔同時起爆，一般采用導爆索連通起爆。

5.2 主爆區起爆網路設計

1)主爆孔的起爆網路設計。主爆孔采用梅花形布孔，每循環起爆3排炮孔，合計7.5 m。由于主爆孔分2段連續裝藥，中間有1段為堵塞段，因此在底部裝藥區和靠近孔口裝藥區各布置1個導爆雷管，通過地表的導爆管網路引爆孔內的分段藥卷。

地表爆破連線方面采用間隔分段連線，形成“V”型起爆，減小圍巖的夾制作用，提高爆破效果。

2)光爆層起爆網路設計。光爆層與主爆區同時起爆，主爆區的炮孔布置圖詳見圖2和圖3，爆破參數見表2。

表2 爆破孔網參數表Table 2 Parameters of blasting holes

6 爆破效果

硬巖段及軟硬巖交界處爆破效果見圖4和圖5。

圖5 軟硬巖交界處爆破效果照片Fig.5 Blasting effect at interface between hard rock and soft rock

7 施工中的注意事項

為提高爆破效果，施工中還應注意以下事項:堵塞時，不得將雷管的腳線、導爆索或導爆管拉得過緊，以防被堵塞材料損壞。裝藥結束后要有專人檢查起爆網路，防止起爆網路斷路造成的拒爆事故。

連接起爆網路時應注意以下安全問題:

1)孔內引出導爆管、導爆索等要留有一定的富余長度，防止因炸藥下沉而拉斷網路，在有水炮孔內裝藥尤其要注意;

2)網路連接工作應在堵塞結束、場地炸藥包裝袋等雜物清理干凈后再進行，接線時應嚴格按照規程規定來進行;

3)網路連接后要有專人檢查線路是否完整，起爆前必須要有專人負責爆破安全。

8 結論與建議

在本工程洞庫中臺階開挖施工過程中通過采用深孔垂直預裂爆破+水平光面爆破相結合的爆破方案，并通過合理的爆破參數設計，有效解決了巖石大塊率高的問題，并同時解決了單獨采用垂直深孔爆破存在的底板不平順等問題，施工過程中進行了爆破振動監測，振速小于5 cm/s，低于規程要求限值，故預裂爆破在本工程施工中得以順利應用。在施工速度、經濟效益和斷面成形等方面取得了較好效果，對類似工程具有一定的借鑒意義。

本方案在施工過程中涉及的施工機械型號較多，對鉆孔的精度要求較高，特別是周邊眼和預裂孔鉆孔質量的好壞幾乎決定了斷面成形質量，因此必須加強對相關作業人員技能培訓。

該方案在本工程中硬巖段施工的成形質量較好，但是對于不良地質段由于一次開挖高度較大，無法做到及時支護，不利于圍巖穩定，所以本方案在不良地質段的施工方法參數及適應性還需要進一步研究改進。

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