來賓市加旦—良馬隧洞工程洞挖爆破方案設計

嚴立煒

(福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000)

來賓市加旦—良馬隧洞工程洞挖爆破方案設計

嚴立煒

(福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000)

廣西壯族自治區來賓市地區，屬于干旱地區。桂中治旱引水工程主要采用引水隧洞工程。由于工程處于溶蝕裂隙發育較強烈的灰巖地帶，在隧洞施工過程中，溶蝕裂隙對隧洞爆破產生的影響比較大，由于裂隙會吸收爆破動能，爆破施工難度高,因此選取合適的爆破設計措施,是建設項目能否保障質量、進度,在經濟上能否取得顯著效益的關鍵。本文通過分析比較現場實際爆破施工，證明優化方案效果。

隧洞；溶蝕裂隙；爆破設計

1 工程概述

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區工程位于廣西來賓市地區，設計灌溉面積8.586萬hm2，屬大(2)型灌區，而加旦—良馬隧洞單項工程屬于樂灘水庫引水灌區工程的一部分，其工程等別與整個灌區工程相同，即為Ⅱ等工程。 加旦—良馬隧洞為3級建筑物。

加旦—良馬隧洞工程為廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區一期工程的單項工程，進口位于忻城縣城關鎮甘香村加旦屯以南500 m的山坡腳處，出口位于忻城縣城關鎮龍午村甘盆屯東北約750 m的山坳處。隧洞設計流量66.47 m3/s，長1659 m，隧洞進口底高程為102.70 m，出口處底板高程為102.47 m，底坡為1/7200，隧洞凈寬8 m，凈高8.26 m，開挖寬度8.6 m。

2 工程地質

隧洞進口段(樁號7+495～7+506.6 m):沿線地面高程115～150 m，自然邊坡坡度32°～41°。覆蓋層為殘破積含碎石夾帶有部分黏土，隧洞圍巖上覆巖體厚度10～36 m，弱風化，溶蝕裂隙發育。

樁號7+506.6～8+012 m段：沿線地面高程140～260 m，自然邊坡坡度32°～41°，7+645～7+768 m段位于背斜核部，洼地、沖溝發育,高程約140 m。巖石較堅硬，溶蝕裂隙發育，隧洞軸線和巖層走向夾角約為54°。

樁號8+012～8+137 m段：為過洼地段，沿線地面高程127～152 m，自然邊坡坡度30°～43°，洼地底高程約127 m。向斜核部巖體稍破碎。隧洞上覆巖體最小厚度約15 m。

樁號8+137～8+376 m段：沿線地面高程153～251 m，巖石較堅硬，巖體完整，局部溶蝕裂隙發育，隧洞軸線和巖層走向夾角約為53°。

樁號8+376～8+493 m段：為過洼地段，沿線地面高程150～168 m。溶蝕裂隙發育，隧洞軸線和巖層走向夾角約為54°。

樁號8+493～9+138 m段：沿線地面高程163～318 m，弱～微風化，單層層厚一般為0.4～2.3 m。巖石堅硬，局部溶蝕裂隙發育，隧洞軸線和巖層走向夾角約為53°。

隧洞出口段(樁號為9+138～9+154 m): 沿線地面高程130～112 m，自然邊坡坡度為38°～63°。上覆巖體厚度6～22 m。洞身巖層走向和隧洞軸線的夾角約為53°，傾角10°～12°；隧洞洞徑為7.0 m，隧洞上覆巖體厚16～214 m。隧洞圍巖為堅硬巖，微風化～新鮮，過溝及洼地洞段巖體破碎、溶蝕裂隙發育強烈，其余部位巖體巖溶裂隙發育，裂隙面多起伏粗糙。隧洞圍巖類別以Ⅲ類為主。

3 隧洞爆破施工設計

3.1 開挖方式

隧洞開挖方式有多種，有爆破法和無爆法施工。爆破法施工主要是指鉆爆施工，又分為全斷面一次開挖法、分臺階開挖法、分部開挖法等；無爆法施工為盾構法及掘進機施工。無爆法施工速度快、機械化、自動化程度高，施工安全；但無爆法施工要求技術水平高，施工人員的素質高，施工成本高。由于本工程為1.7 km輸水隧洞，工程造價較低，所以本工程采用全斷面鉆爆法施工。

3.1.1 全斷面開挖法的優點

(1)開挖斷面與施工作業空間大、施工工序少、施工干擾小[1]，便于施工組織與管理。

(2)施工時有條件可以充分使用機械，減少人力，改善施工人員勞動條件。

(3)開挖工作面大，鉆爆法施工效率高，可以采用深眼爆破的方法，加快掘進速度。

(4)開挖一次成形，對圍巖擾動少，有利于圍巖穩定，特別是對溶蝕裂隙發育較發達，局部巖層存在破碎情況的地帶，能保證施工安全。

(5)節省工作時間，節約火工材料，保證施工經濟性。

3.1.2 分臺階開挖法優缺點

(1)分臺階開挖法可以分臺階施工，取得較大工作空間，同時上下層開挖可以有較快的施工進度；但如果施工作業沒有及時安排銜接好的話，上下臺階施工會造成相互干擾，影響施工進度。

(2)分臺階開挖法在開挖面較破碎時可以保護開挖面，保證開挖面穩定；但是由于分臺階開挖，造成多次爆破，會增加對圍巖的擾動次數，下臺階施工作業時會對上臺階圍巖的穩定性產生干擾。

3.1.3 分部開挖法優缺點

(1)減小了每個坑道的跨度，增強圍巖的相對穩定性[2]，易于進行局部支護，適用于軟弱破碎巖層或設計斷面較大的隧洞。

(2)采用導坑超前開挖，有利于提前探明地質情況，便于及時處理。

(3)開挖工序多，施工干擾大，增加組織管理難度，增加對圍巖擾動次數，不利于圍巖穩定，施工速度較慢。

根據各方法的優缺點選取適合本工程的施工方法。由于本工程隧洞圍巖以Ⅲ類、Ⅳ類圍巖為主，而且隧洞開挖斷面為8.6 m×8.71 m，洞挖施工時采用全斷面一次開挖法。

3.2 鉆爆設計

3.2.1 開挖炮眼數目

造孔采用YT28型鑿巖機鉆孔，炮眼的數量和位置會決定隧洞開挖石方量、開挖進尺、隧洞開挖成型效果和火工材料的損耗多少[3]。炮眼中的掏槽眼、輔助眼采用人工連續裝藥，用非電毫秒導爆管形成網路連接炸藥并起爆，炸藥可采用直徑φ32 mm的2#巖石硝銨炸藥或乳化炸藥。裝填系數0.65～0.8。考慮本工程中的圍巖基本為Ⅲ、Ⅳ類別，可將每排炮隧洞洞挖進尺控制在2.5～2.8 m 左右，掏槽眼采用楔形布置，直線掏槽，優點是可以節約藥量，以相對較少的藥量進行掏槽爆破。掏槽孔孔深初設為2.0～3.8 m，經多次現場施工確定為3.3m，輔助孔孔深為3.0～3.3 m，光爆孔沿隧洞周邊布置，孔深3.0～3.3 m，間距為0.60 m，在施工中，先暫定按式(1)計算，再根據現場多次爆破施工和作業情況對參數作出調節，以達到最佳經濟爆破效果。

炮眼N，按公式(1)計算：

N=(q×s)/(r×η)

(1)

式中：q為炸藥單耗量，取=0.93 kg/m3；s為隧洞開挖面積，s=67.57 m2；r為隧洞每延米炸藥的藥量，其中2#巖石硝銨炸藥取r=0.8 kg/m;η為炮眼裝藥系數，該方案中取η=0.7；經計算，N=113，光面爆破需多增加周邊眼17個，共計130個。

炮眼布置具體見圖1。

3.2.2 計算每種炮眼的裝藥量

(1)掏槽炮眼，計算公式為：

Q1=η×L×r

(2)

式中：η為炮眼裝藥系數，取η=0.8；L為眼深，L=3.0 m;r為每米長度炸藥的藥量，r=0.8 kg/m;經計算取Q1=1.92 kg(每個掏槽炮眼需要炸藥1.92 kg)。

(2)輔助炮眼，計算公式為：

Q2=η′×L×r

(3)

式中：η′為炮眼裝藥系數，取η′=0.7；L為眼深，L=2.5 m；r為每米長度炸藥的藥量，r=0.8 kg/m；取Q2=1.4 kg(每個輔助炮眼需要炸藥1.4 kg)。

圖1 隧洞開挖爆破炮眼布置圖(單位：cm)

本工程需要采取光面爆破(光面爆破是周邊眼同時起爆，各炮眼的沖擊波向其四周作徑向傳播，相鄰炮眼的沖擊相遇，則產生應力波的疊加，并產生切向拉力，拉力的最大值發生在相鄰炮眼中心連線的中點，當巖體的極限抗拉強度小于此拉力時，巖體便被拉裂，在炮眼中心連線上形成裂縫，隨后，爆炸產物的膨脹作用使裂縫進一步擴展，形成平整的爆裂面。)，根據圖1，最外面一排輔助炮眼即為光爆孔，光爆孔裝藥采用經驗數據:光爆孔裝Ф25 mm光爆藥卷，人工裝藥，每米裝藥量△=250 g/m。

人工進行炸藥安放前按照本工程的爆破設計圖準備好火工材料，炸藥安放前，炮眼必須先用空壓機中的高壓吹風清理鉆孔，并由爆破員和爆破安全員檢查鉆孔是否有堵塞或坍孔的情況，然后按爆破設計圖中的區域安裝炸藥并鏈接導爆網絡。炸藥安裝應按先上后下，先周邊后中間，導爆管連線捆綁。為控制爆破有害效應，根據炮眼布置圖計算隧洞單次爆破開挖的最大裝藥量≤158.5 kg。

3.2.3 爆破參數

針對該工程實際情況選用爆破參數，由于本工程光爆效果需要達到殘孔率80%以上，在施工中可按照選定的參數總結每次爆破效果，測量半徑和輪廓不平整[4]，不斷調整爆破參數，光爆參數見表1、其他炮眼參數見表2。

光面爆破參數說明：

周邊孔間距a=0.6～0.5 m；密集系數m=a/W=0.65～1.0，Ⅲ類可選為0.5～0.4；最小抵抗線W=0.65～0.55 m。

表1 光爆參數

表2 炮眼、炸藥參數

注：①初步設計每排炮的進尺約為2.3～2.5 m，開挖石方方量161～175 m3，預計炮眼利用率80%～88%。②炸藥單耗量0.8～0.9 kg/m3。③光爆周邊眼采用Φ25×200小藥卷，其余炮眼采用2#硝銨Φ32×200藥卷，遇有水炮眼(隧洞底板眼)采用乳化炸藥。

3.2.4 連線、起爆

隧洞開挖起爆采用非電起爆網絡，掏槽孔采用非電毫秒雷管直接起爆，光爆孔采用間隔裝藥，用非電毫秒延時雷管孔口起爆和導爆索傳爆[5]。隧洞爆破順序按直線掏槽孔→周邊輔助孔→光爆孔的順序分序起爆。

3.3 使用該爆破設計方案效果比較

本工程于2011年1月3日開始隧洞開挖施工，從2011年4月開始進行爆破設計調整，爆破出現明顯效果，相同循環數的情況下[6]，每排炮洞挖尺寸比爆破設計調整前可多出0.4～0.5 m，每天可多完成0.8～1.0 m，每天可節約炸藥20～54 kg，殘孔率提高18%～32%，有效提高了生產產值，節約了施工成本并提高了施工質量，截止至2011年10月平均每天進口洞挖施工比較數據如表3所示。

表3 爆破設計方案效果比較

4 結 論

根據該設計方案及地質情況，Ⅲ類圍巖地段計劃循環進尺為2.5～3.0 m，隧洞實際一循環進尺為2.5～3.2 m； Ⅳ類圍巖地段計劃循環進尺為2.0 m，實際一循環能達到1.8～2.2 m，殘孔率≥81%。在溶蝕裂隙發達地區，避免了使用大量火工材料造成的浪費，也保證了足夠的火工材料能完成隧洞開挖的光爆效果，減少超挖工程量和降低工程造價，獲得了良好的經濟效果，在同類工程地質施工中，可予以借鑒推廣。

[1] 李健.淺談小斷面隧洞工程開挖爆破施工控制[J].科技視界,2016,13(9):211-212.

[2] 楊玉銀,廖成林,溫定煜,等.南水北調穿黃河隧洞爆破振動控制技術研究[J].工程爆破,2013,19(5):17-20,44.

[3] 何宇,黃明猛,詹俊陽,等.復雜環壤下隧洞弱振動爆破技術研究[J].中國農村水利水電,2013,33(10):61-63.

[4] 韋慶華.光面爆破技術在引水隧洞特殊洞段開挖中的應用[J].企業科技與發展,2015,23(11):42-44.

[5] 高培松.公路隧道上跨供水隧洞爆破振動監測技術淺析[J].城市建設理論研究,2015,32(8):3048-3049.

[6] 陳思雄.旁多水庫灌溉輸水洞工程光面爆破設計[J].四川水利,2016(S2):44-47.

嚴立煒(1982-),男，福建南平人，工程師，主要從事水利水電工程施工方面的工作。E-mail:3510434055@qq.com。

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