小斷面隧洞光面爆破設計控制超欠挖量

彭健　陳登甫

【摘要】輸水隧洞為小斷面隧洞，開挖初期光面爆破效果不理想、超欠挖現象嚴重，嚴重影響了開挖掘進的質量、安全和進度要求。本文對輸水隧洞開挖存在的問題、原因查找分析及光面爆破參數選擇、設計、試驗、效果進行總結。

【關鍵詞】光面爆破；超欠挖量；試驗

1、工程概況

本工程輸水隧洞全長3.45km，洞軸線穿過4套地層，上覆山體厚度2m-324.6m。圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖性為中厚～巨厚層狀白云巖，強風化，巖體局部破碎，裂隙發育，邊墻、頂拱極易坍塌，存在失穩現象。隧洞斷面為馬蒂形，開挖斷面尺寸3.3m×3.6m，洞挖石方量40635m3。

2、開挖存在問題和原因分析

輸水隧洞掘進初期光面爆破效果較差，經實測，部分超挖量超過40cm，欠挖量高達30cm，頂拱部分甚至出現過平頂，兩茬炮間臺階部分達到20cm。

經過調查研究發現以下原因造成了超欠挖：炮眼布設不合理，憑經驗打眼，爆破效果時好時壞；輪廓線放樣時粗心大意，有不放輪廓線或不準確放輪廓線存在，致使錯誤布置輪廓線和鉆孔位置偏差大；未及時復核紅外儀，存在放樣中線和標高相對設計值的偏移過大，放樣不準確；施鉆人員技術不到位不認真，鉆孔定位和鉆進角度偏差控制不好；工期極為緊張，作業隊伍利用少打眼，增加單孔炸藥用量等手段，試圖爭取縮短鉆眼時間。

3、光面爆破設計及試驗

3.1 爆破設計

3.1.1 光面爆破原理。輸水隧洞采用“鉆爆法”開挖，為保證爆破后邊墻、頂拱、掌子面輪廓整齊，超欠挖量控制符合設計及規范要求，同時滿足經濟合理要求，選用光面爆破方法進行爆破。

3.1.2 炮眼布置及起爆順序。輸水隧洞掘進開挖炮眼用YT28風動鑿巖機鉆設，其孔徑為50mm。根據施工進度、斷面尺寸及圍巖等級，初步設定Ⅲ類圍巖循環進尺2.0-2.4m，Ⅳ類圍巖循環進尺1.7-2.0m。爆破采用由塑料導爆管串、并聯形成爆破網絡，以毫秒延發雷管實現微差爆破。

炮眼按周邊眼、輔助眼、掏槽眼、底眼設置，Ⅲ、Ⅳ類圍巖起爆順序為：掏槽眼—輔助眼—周邊眼—底眼。

3.1.3 光面爆破參數計算。光面爆破的主要參數包括周邊眼間距、光面爆破層厚度、周邊眼密集系數、周邊眼的線裝藥密度等。影響爆破參數選擇的因素很多：

（1）周邊眼間距。根據經驗計算公式：E=（8-18）d，E為孔距，d為炮眼直徑。本工程中取值為8-13，鉆孔直徑50mm，所以其經驗計算間距：40cm-65cm。周邊眼眼口距離輪廓5cm，外插角1°-3°，便于施工操作。周邊眼間距頂拱取小值，邊墻及底板取大值。

（2）光面爆破層厚度。光面爆破層是周邊眼和輔助眼之間的一圈巖石層，即周邊眼的最小抵抗線。周邊眼間距與光面爆破層厚度有著密切的關系。通常以周邊眼的密集系數K表示，K=E/W（K周邊眼密集系數；W光面爆破層厚度）。應力波兩相鄰炮眼間的傳播距離應小于應力波至臨空面的傳播距離，即E（3）周邊眼裝藥量。根據公式：qp=EWLp（0.5-0.9）q（qp：周邊孔平均炸藥用量kg/m；E：周邊孔間距cm；W：光面爆破層厚度cm；Lp：周邊眼眼深m；q：單位巖體耗藥量kg/m3）。經計算qp=0.35-0.60kg/m。

（4）炮眼堵塞：炮眼堵塞長度一般在（0.7-1.0）倍抵抗線之間，堵塞材料就地選用黃泥和砂子均勻拌合使用。

（5）炸藥選用及裝藥結構。本隧洞開挖爆破使用乳化炸藥進行爆破，藥卷直徑32mm，長度25cm。炮眼直徑和藥卷直徑之比稱為耦合系數。輸水隧洞掘進爆破周邊眼采用間隔不耦合裝藥結構，其不耦合系數為50/32=1.56。掏槽眼、輔助眼、底板眼采用耦合連續裝藥。

（6）初步設置光面爆破參數如下：經過以上計算，初步選用以下參數范圍進行爆破試驗：

3.2 光面爆破試驗。爆破試驗選取了隧洞進口SD0+80—SD0+90作為試驗段，該段圍巖以Ⅲ類為主，巖性為中厚-巨厚層狀白云巖，強風化，巖體局部破碎，裂隙發育。

3.2.1 光面爆破試驗流程。炮眼布置—測量放樣—技術交底—鉆機就位—鉆孔—清孔—裝藥聯網—爆破—出渣—效果檢查—確定爆破參數。

3.2.2 第一循環炮眼布置及試驗。輸水隧洞圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖性為中厚-巨厚層狀白云巖，強風化，巖體局部破碎，裂隙發育。爆破試驗段主要是Ⅲ類圍巖，炮眼根據光面爆破初步確定的參數進行布置，構造裂隙發育，巖體破碎，圍巖整體穩定性差，屬Ⅲ類圍巖。根據爆破后效果分析，決定重新布置炮眼，調整炸藥用量，進行第二循環炮眼布置及試驗。

3.2.3 第二循環炮眼布置及試驗。圍巖類別屬Ⅲ類。經過調整炮眼數量、周邊孔間距、炸藥用量等參數后，光面爆破效果較第一循環有很大改善。但頂拱、邊墻、底板均是超挖。出渣粒徑較小，部分呈粉末狀。根據效果分析，我們調整了炸藥用量，進行第三循環光面爆破試驗。

3.2.4 第三循環炮眼布置及試驗。第三循環爆破頂拱、邊墻、底板超挖量較小，爆破粒徑滿足扒渣機出渣要求，巖壁平整。

3.2.5 確定爆破參數。通過試驗，我們選定第三次試驗的參數作為輸水隧洞Ⅲ類圍巖的代表參數，指導輸水隧洞Ⅲ類圍巖的掘進爆破。

4、爆破實施情況

本工程輸水隧洞于2013年8月25日開工，分進、出口兩個方向同向掘進，于2014年6月28日貫通，單日平均進尺11.2米，單向平均循環3個。根據爆破試驗確定參數進行開挖掘進，按照圍巖實際情況適時調整，隧洞超欠挖得到了有效控制，有效避免了二次開挖，同時減少了炸藥用量和出渣量，減少了超挖混凝土回填量，確保了工期和經濟效益共同推進。洞身成型較好，弧形規則，巖面平整，滿足了水工隧洞質量要求。渣塊大小適中，符合100型履帶式扒渣機出渣粒徑，作業速度快。出渣采用小型汽車，運輸速度快。放樣—鉆孔—裝藥—爆破—出渣—初期支護，每循環平均耗時8小時。達到了通過光面爆破設計控制超欠挖量的目的，同時在一定程度上滿足了安全、質量、進度、經濟的多重要求。