輸水隧洞爆破設計優化分析

朱興廣，李保華

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003)

某重點工程中一條無壓引水隧洞的施工，主洞全長13219m，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為6.9m。圍巖類別以Ⅲ類為主，洞室巖性主要為混合花崗巖，多為微風化～新鮮巖，其單軸飽和抗壓強度在45～60MPa，為中硬巖～堅硬巖，巖體較完整～完整性差。節理面微張～閉合，無充填或石英巖脈充填，節理面平直粗糙，多陡傾角。

1 爆破方案設計

1.1 爆破參數的選擇

隧洞開挖采用光面爆破施工，能夠最大限度的減少爆破對圍巖的擾動，減小圍巖松動圈范圍，增強圍巖的自承能力，由于光面爆破使開挖面平整，圍巖無破碎，減少裂隙，減少洞室的超欠挖量，減少后期混凝土支護工程量，從而降低工程成本，加快工程施工進度。

該工程主要以Ⅲ類圍巖為主，全斷面開挖方法，采用2號巖石硝銨炸藥和2號巖石乳化炸藥，周邊孔采用空氣間隔裝藥，導爆管和毫秒雷管復式起爆，其他炮孔采用連續柱狀裝藥，采用孔內延時微差非電毫秒雷管起爆。嚴格控制周邊孔的裝藥量，采用合理的裝藥結構，盡可能使炸藥沿炮孔長均勻的分布。

開挖用YT28型氣腿式鑿巖鉆造孔，人工配合1.0 m3挖掘機清渣、排險，3.0m3側卸裝載機裝渣，15t自卸汽車進行運輸至指定渣場。

在光面爆破中，主要爆破參數包括:最小抵抗線W，炮孔密集系數K，不耦合系數，周邊孔間距a，線裝藥密度qL。

(1)周邊孔間距。

a=(10～15)D

式中:a—周邊孔間距，完整巖石宜取大值;

D—鉆孔直徑。

(2)最小抵抗線與炮孔密集系數。

K=a/W

式中:K—密集系數，實踐中多取0.5～0.8;

a—周邊孔間距，單位m;

W—最小抵抗線，單位m。

最小抵抗線與開挖的隧洞斷面大小有關。在斷面跨度較大，光爆孔所受到的夾制作用較小，巖石比較容易崩落，最小抵抗線可以大些;斷面較小，光爆孔所受到的夾制作用較大，最小抵抗線可以小些。

最小抵抗線也與巖石的性質和地質構造有關，堅硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石最小抵抗線可大些。

(3)線裝藥密度。

qL=QaW

式中:qL—線裝藥密度，從同類工程中選取，一般將線裝藥密度取0.08～0.35，單位kg/m，軟巖取小值，硬巖取大值;

Q—單位體積耗藥量，單位kg/m3。

(4)光爆參數。光面爆破參數選擇見表1。

表1 光面爆破參數表

(5)光面爆破炮眼數目計算。

炮孔數目與掘進斷面、巖石性質、炮孔直徑、藥卷直徑、炮孔深度和炸藥性能有關。確定炮孔數目的基本原則是在保證爆破效果的前提下，盡可能減少炮孔數目。按下列公式估算。

N=3.3(fs2)(1/3)

式中:N——炮孔數量;

f——巖石堅固系數，本工程中取值16;

s——隧洞斷面面積，本工程取值48m2，則炮孔數量估算值為111個。

該工程Ⅲ類圍巖采用下部單層楔形掏槽方式，爆破參數見表2，炮孔布置見圖1。

表2 Ⅲ類圍巖爆破參數表

圖1 炮孔布置及起爆順序圖

1.2 裝藥結構和起爆方式

光面爆破采用不耦合裝藥，鉆孔孔徑42mm，采用藥卷規格為φ32mm×200mm×150g(直徑×長度×重)，不耦合系數為1.3，炮眼裝藥按裝藥集中度計算出的藥量裝入炮眼內，為克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部多放半個標準藥卷，使光爆層易于脫離巖體，裝藥結構見圖3。

圖2 掏槽形式圖

圖3

1.3 起爆順序

起爆順序為:掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔，采用多段微差由內向外起爆，其中主爆區使用非電毫秒雷管，光爆孔用導爆索起爆。

2 爆破方案優化

完成爆破設計后，經現場第一次爆破試驗表明未達到理想爆破效果，故進行爆破方案優化，采取了調整爆破參數、規范施工和工藝等方法，最終達到了很好的效果。

2.1 調整爆破參數

(1)由單級楔形掏槽調整為二級楔形掏槽，加大掏槽孔與掌子面的角度，由原爆破設計的63°加大至65°，以提高炮孔利用率，減小被爆渣體塊度大、爆渣分散不易裝運等狀況。

(2)減小造孔深度。掏槽型式優化后，孔深3.5m與孔深3.3m爆破進尺都是3.2m，鉆孔深度由原來的3.5m，減少至3.3m，可以起到提高鉆孔利用率，減少炸藥單耗，并減少爆破循環時間的作用。

(3)優化炮孔密集系數，分散裝藥，使炮孔布置更加均勻合理。由爆破設計的111個孔，增加至114個孔，能夠均勻分布爆炸沖擊波的影響范圍，最大限度減小對周圍圍巖影響和對松動圈的影響范圍，充分發揮圍巖自穩能力，并能夠使爆破巖體塊度均勻。

(4)加大周邊孔不耦合系數。由直徑32mm藥卷優化為直徑25mm藥卷，不耦合系數1.3增加至1.7，能夠降低作用在孔壁巖石上的初始徑向應力峰值，延長爆生氣體在巖石內部的作用時間，加強周邊孔爆破效果，提高光爆質量。

(5)優化裝藥結構。光爆孔由相對集中裝藥，改為孔底加強裝藥，其它部位分散裝藥。調整后的裝藥結構見圖4。

表3 優化后Ⅲ類圍巖爆破參數表

圖4

炮孔布置及起爆順序、掏槽形式見圖5。

2.2 規范光面爆破施工工藝和方法

(1)放樣布眼。鉆孔前，測量人員用全站儀和水準儀，準確定出隧洞中心線和拱頂面高程，用紅油漆畫出開挖輪廓線，并標出炮眼位置，其誤差不超過5cm，每次測量放樣的同時，要對上次爆破斷面進行檢查，及時調整爆破參數，以達到最佳爆破效果。

圖5 炮孔布置及起爆順序圖

圖6 掏槽形式圖

(2)鉆孔要求。

掏槽孔:深度、角度按設計施工，孔口間距誤差和孔底間距誤差不得大于5cm。

輔助孔:深度、角度按設計施工，孔口排距、行距誤差均不大于5cm。

周邊孔:開孔位置在設計斷面輪廓線上的間距誤差不得大于5cm，周邊孔外斜率不得大于5cm/m，孔底不得超出開挖斷面輪廓線10cm，最大不得超過15cm。

底板孔:采取先用短釬，后用長釬的方法控制底孔外插角過大。

(3)布置要求。

先布置掏槽孔，其方向在巖層層理明顯時應垂直于層理，掏槽孔應比其他孔加深20cm以上。嚴禁掏槽孔相交或交叉。

周邊孔嚴格按設計開挖輪廓線布置，周邊孔的孔口在斷面設計輪廓線上，孔底超出輪廓線小于10 cm。

(4)孔口堵塞長度。已裝藥的炮孔應及時用炮泥堵塞、密封，堵塞長度大于30cm，且堵塞嚴實、嚴禁用紙箱等易燃物進行塞堵。

(5)清孔裝藥。裝藥前用小直徑高壓風管將炮孔內石屑吹凈，裝藥需分片、分組按炮孔設計圖確定的裝藥量自上而下進行，非電毫秒雷管要“對號入座”不得混裝，周邊孔宜采用小直徑藥卷配導爆索，以增加不耦合系數和爆破時的緩沖作用，炮孔裝藥均采用反向裝藥結構。底孔采用乳化炸藥，以防止拒爆。

(6)連接起爆網絡。起爆網絡采用復式網絡，以保證起爆的可靠性和準確性，由dv管和塑料導爆管孔內微差非電毫秒雷管起爆，網絡連接好后設專人負責檢查后起爆。

3 爆破效果實測

3.1 線性超欠挖情況

通過對工程實際爆破后隧洞進行測量，統計平均超欠挖情況為:對27個斷面進行實測，最大平均線性超挖6.29cm，最小2.64cm，小于規范20cm規定值。

表4 實際爆破超挖統計表

圖7 測量點布置圖

圖8 測定松動圈鉆孔布置及實測松動圈

由實際測量數據可看出，優化爆破參數后，光爆達到了很好的效果，無欠挖現象，并且超挖均控制在SL 378-2007《水工建筑物地下開挖工程施工規范》規定的200mm范圍內。

3.2 爆破參數實測情況

炮孔利用率由優化前的91%提升至96%，炸藥單耗量由優化前的1.19kg/m3減少至1.06kg/m3，提高炮孔及炸藥的利用率，并減少爆破循環時間，提高施工效率。

3.3 松動圈范圍實測情況

根據對松動圈厚度范圍進行實際測試。統計檢測孔的平均范圍為2410～2650m/s，松動圈平均波速范圍2030～2290m/s，平均Kv值范圍為0.22～0.27松動圈厚度范圍為0.60～0.75m，測試數據見表5。

表5 松動圈測試數據成果表

4 結語

(1)對比該工程中爆破參數調整前后，由單向掏槽優化為二級復合式掏槽孔，加強掏槽爆破，并更加均勻布置輔助孔及周邊孔，提高炮孔利用率和光爆效果。

(2)優化爆破參數后，通過優化炮孔深度、布置，使總裝藥量減少，單耗降低。在這種情況下，提高整體光爆質量，并且被爆渣體塊度小、爆渣集中，便于裝運出渣，有利于施工。

(3)決定爆破效果的好壞主要與巖石性質、爆破工藝、炸藥性能有關，工程的地質情況是變化的，所以爆破設計參數也是動態的，在施工過程中，它隨著巖石性質的變化而變化，根據現場實際情況不斷優化爆破參數，以達到爆破提高質量、施工方便快捷、降低施工成本的目的。

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