地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)硬巖大斷面控制爆破

王忠康，顧曉薇，謝乾坤，施傳斌，胥孝川，王 青

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230041；3.鴻基建設(shè)工程有限公司，浙江 蒼南 325800)

中國(guó)作為石油消耗大國(guó)，對(duì)石油的需求量連年攀升，對(duì)外依存度超過(guò)50%，保障石油安全是國(guó)家能源安全戰(zhàn)略的核心，當(dāng)今世界防止和減少石油供應(yīng)中斷危害最可行、最有效、最安全的手段是足量的石油儲(chǔ)備。大型地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)具有占地少、儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)、安全性高、應(yīng)急能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為全球原油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的重要途徑[1]。地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)不同于一般的地下工程，其跨度大、邊墻高、開(kāi)挖斷面特大，同時(shí)要求爆破振動(dòng)低、圍巖損傷小、穩(wěn)定性高，特大斷面洞庫(kù)減震爆破施工是決定地下水封儲(chǔ)庫(kù)工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。袁青等[2]針對(duì)LPG儲(chǔ)庫(kù)特大斷面光面爆破開(kāi)挖，綜合選取孔深、孔距、最小抵抗線(xiàn)、炮孔數(shù)目、炸藥單耗等鉆爆參數(shù)，分層分次爆破，既控制了爆破振動(dòng)，又獲得了良好的爆破效果。易澤榮[3]為解決地處斷層破碎帶、地質(zhì)條件極為復(fù)雜的特大斷面隧洞施工難題，提出“平面多工序、立體多層次”的施工原則，依據(jù)各層特點(diǎn)綜合采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，有效控制了超挖及對(duì)圍巖的損傷。陳鐵騎[4]就高應(yīng)力特大斷面隧洞施工問(wèn)題，根據(jù)圍巖地質(zhì)、斷面形狀及尺寸、施工方法和步序給出開(kāi)挖控制爆破方案及參數(shù)確定方法。宋秀清[5]以工程實(shí)例為背景，重點(diǎn)介紹了特大斷面硬巖爆破的掏槽眼和光面爆破的參數(shù)選擇。楊家松[6]就特大斷面地下洞庫(kù)開(kāi)挖分層高度及層間施工方法等問(wèn)題進(jìn)行研究，得到一些有用的結(jié)論。譚忠盛等[7]結(jié)合汕頭地下水封LPG儲(chǔ)庫(kù)的修建，通過(guò)三維有限元數(shù)值分析優(yōu)化開(kāi)挖步序，確保施工過(guò)程中洞室的穩(wěn)定性。劉永[8]研究了掘進(jìn)爆破對(duì)地下儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性影響，通過(guò)薩道夫斯基公式與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的振速擬合分析研究振動(dòng)特性及變化規(guī)律，為振速預(yù)測(cè)及方案優(yōu)化提供指導(dǎo)。本文以華南某地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)硬巖特大斷面爆破開(kāi)挖為例，“大洞小打、分部開(kāi)挖”，劃大斷面為小斷面，分層分次開(kāi)挖，采用復(fù)式楔形掏槽、毫秒延遲起爆、周邊孔光面爆破等技術(shù)，合理選取爆破參數(shù)，精心設(shè)計(jì)爆破方案，通過(guò)爆后結(jié)果統(tǒng)計(jì)及爆破振動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)特大斷面硬巖爆破效果，以期能夠?yàn)轭?lèi)似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

華南某地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)洞室為三心拱形隧洞，跨度20 m，高30 m，斷面面積為570 m2，屬于特大斷面，如圖1所示。勘查資料表明，洞庫(kù)區(qū)主要為花崗巖，巖性主要為中-細(xì)粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖，次為細(xì)粒或粗粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖，地質(zhì)條件較好；普氏硬度系數(shù)f=7～13，質(zhì)地堅(jiān)硬，巖塊密度2.64 g/cm3；庫(kù)區(qū)巖體完整性較好，裂隙發(fā)育程度不高；除斷層破碎帶等為Ⅳ類(lèi)圍巖外，其他均為Ⅰ～Ⅲ類(lèi)圍巖。

圖1 洞室斷面圖Fig.1 The section of cavern

2 爆破方案

2.1 鉆爆參數(shù)

影響爆破作用的因素眾多，主要有巖體性質(zhì)、炸藥性能、炸藥與巖石的匹配關(guān)系、裝藥結(jié)構(gòu)、自由面數(shù)量和大小[9]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需關(guān)注以下幾點(diǎn)：①充分認(rèn)識(shí)巖體性質(zhì)，考慮斷面尺寸和施工工序，確定合適的開(kāi)挖方案；②合理選取爆破參數(shù)，包括孔徑、孔深、炸藥單耗、孔距、最小抵抗線(xiàn)、炮孔數(shù)目、不耦合系數(shù)等[10]；③合理設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)，制定爆破方案，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量爆破作業(yè)。

1) 炮孔直徑。采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配合人工鉆孔，炮孔直徑45 mm。

2) 炮孔深度。深孔掘進(jìn)爆破可充分利用工時(shí)，增加鑿巖時(shí)間的同時(shí)減少裝藥、連線(xiàn)、通風(fēng)、出渣等其他工序的時(shí)間，將更多時(shí)間用于鉆孔和破巖。但炮孔越深，爆破過(guò)程中所受周?chē)鷰r體的夾制作用也越大，故孔深不可過(guò)大。目前，中等斷面以上的洞室掘進(jìn)炮孔深度常設(shè)計(jì)為3.0～3.5 m[2]。待開(kāi)挖洞室斷面高達(dá)570 m2，屬特大斷面，分幅分層開(kāi)挖，炮孔深度定為3.6～3.8 m，掏槽孔超深20 cm。

3) 炸藥單耗。炸藥單耗受巖石性質(zhì)、開(kāi)挖斷面、孔徑和孔深、爆破材料等因素影響，常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。結(jié)合花崗巖巖性及以往同類(lèi)圍巖施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)理論計(jì)算后確定。洞室開(kāi)挖分為第Ⅰ層左側(cè)開(kāi)挖、第Ⅰ層右側(cè)擴(kuò)挖、第Ⅱ?qū)优_(tái)階、第Ⅲ層臺(tái)階4個(gè)爆破斷面，對(duì)應(yīng)的炸藥單耗也略有不同。

4) 最小抵抗線(xiàn)及孔距。由于開(kāi)挖斷面大，掏槽孔底距的取值明顯超出中小斷面。周邊孔光面爆破是制約隧洞開(kāi)挖質(zhì)量的關(guān)鍵，根據(jù)洞室圍巖情況及施工經(jīng)驗(yàn)，周邊孔間距取56 cm，光爆層厚度取70 cm。輔助孔爆破是崩落巖石的主體，條件相對(duì)寬松，最小抵抗線(xiàn)和孔距可適當(dāng)取大些。

5) 炮孔數(shù)目。炮孔數(shù)目常根據(jù)炸藥單耗進(jìn)行初算，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料經(jīng)工程類(lèi)比后初定，布孔時(shí)加以微調(diào)，試驗(yàn)后確定。

2.2 洞室開(kāi)挖方案

隧洞開(kāi)挖遵循“大洞小打、分部開(kāi)挖”的原則，總體上分三層(第Ⅰ層、第Ⅱ?qū)印⒌冖髮?開(kāi)挖。第Ⅰ層開(kāi)挖高度10 m，左右分幅開(kāi)挖，左側(cè)開(kāi)挖先行，開(kāi)挖寬度12 m，右側(cè)開(kāi)挖跟進(jìn)，開(kāi)挖寬度8 m； 第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖高度10 m，中間拉槽先行，兩側(cè)邊墻各預(yù)留1.5 m光面爆破層后行跟進(jìn)；第Ⅲ層開(kāi)挖高度10 m，中間拉槽先行，兩側(cè)邊墻及底板各預(yù)留1.5 m,采用光面爆破。洞室分層開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖2。

1) 第Ⅰ層左側(cè)開(kāi)挖。第Ⅰ層左側(cè)開(kāi)挖面積105 m2，三級(jí)復(fù)式楔形掏槽。結(jié)合花崗巖的巖層巖性，炸藥單耗暫取1.1 kg/m3，炮孔數(shù)目184個(gè)，炮孔布置詳見(jiàn)圖3。

圖2 洞室分層開(kāi)挖施工示意圖Fig.2 Sketch of cavern with layer excavation

圖3 第Ⅰ層左側(cè)炮孔布置Fig.3 Left layout of borehole in layer Ⅰ

掏槽孔和輔助孔裝填Φ32 mm巖石乳化炸藥，連續(xù)裝填，孔底毫秒延遲起爆。周邊孔裝填特制的Φ25 mm藥卷并輔以導(dǎo)爆索爆破，底板孔連續(xù)裝藥，并適當(dāng)增加藥量，第Ⅰ層左側(cè)爆破裝藥參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2) 第 Ⅰ 層右側(cè)擴(kuò)挖。第 Ⅰ 層右側(cè)擴(kuò)挖面積65 m2。擴(kuò)挖可充分利用左側(cè)臨空面，不再進(jìn)行掏槽，擴(kuò)挖炸藥單耗一般控制在0.8～1.0 kg/m3之間，暫取0.82 kg/m3，炮孔數(shù)目100個(gè)，炮孔布置詳見(jiàn)圖4。

圖4 第Ⅰ層右側(cè)炮孔布置Fig.4 Right layout of borehole in layerⅠ

右側(cè)擴(kuò)挖輔助孔、周邊孔、底板孔裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式同I層左側(cè)，裝藥參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表1 左側(cè)開(kāi)挖裝藥參數(shù)Table 1 Blasting parameters of left excavation

表2 右側(cè)擴(kuò)挖裝藥參數(shù)Table 2 Blasting parameters of right excavation

3) 第Ⅱ?qū)雍偷冖髮颖品桨浮５冖驅(qū)又胁坷坶_(kāi)挖面積170 m2，兩側(cè)邊墻光面爆破總面積30 m2；第Ⅲ層中部拉槽開(kāi)挖面積144.5 m2，兩側(cè)邊墻及底板光面爆破總面積55.5 m2，斷面規(guī)則，最小抵抗線(xiàn)及孔距較為均一。由于第Ⅱ?qū)印⒌冖髮娱_(kāi)挖可充分利用上側(cè)自由面，炸藥單耗暫取0.6～0.85 kg/m3。第Ⅱ?qū)又胁坷廴?.8 kg/m3，邊墻爆破取0.75 kg/m3；第Ⅲ層中部拉槽取0.82 kg/m3，邊墻爆破取0.75 kg/m3。炮孔布置詳見(jiàn)圖5和圖6。第Ⅱ?qū)颖崎_(kāi)挖輔助孔、周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式同第Ⅰ層，裝藥參數(shù)詳見(jiàn)表3和表4。第Ⅲ層爆破開(kāi)挖輔助孔、周邊孔、底板孔裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式同第Ⅰ層，裝藥參數(shù)詳見(jiàn)表5和表6。

圖5 第Ⅱ?qū)优诳撞贾肍ig.5 Layout of borehole in layer Ⅱ

3 效果分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行了數(shù)十次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，收集爆后數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)分析。研究表明，開(kāi)挖斷面較為平整，未見(jiàn)大體積根底，說(shuō)明復(fù)式楔形掏槽可有效克服周?chē)鷰r體的夾制作用，拋擲巖塊，形成槽腔，獲得良好的掏槽效果；試驗(yàn)平均炮孔利用率在90%以上，個(gè)別循環(huán)的炮孔利用率高達(dá)94%，單次循環(huán)進(jìn)尺在3.2 m以上，說(shuō)明大斷面硬巖掘進(jìn)開(kāi)采用中深孔，可加大循環(huán)進(jìn)尺，提高施工效率；爆破塊度較為均勻， 偶有大塊出現(xiàn)，說(shuō)明炮孔布置比較合理， 少量大塊則可能是因?yàn)樘筒劭卓陂g距偏大導(dǎo)致大塊巖石片落；周邊眼半孔率約為85%，超欠挖均控制在限值以下，壁面成型良好，說(shuō)明光爆參數(shù)選取合理，能量分布合理；最大單段藥量約為54 kg，測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速小于爆破安全允許振速峰值，說(shuō)明爆破方案可有效控制爆破振動(dòng)。

圖6 第Ⅲ層炮孔布置Fig.6 Layout of borehole in layer Ⅲ

表3 第Ⅱ?qū)又胁坷垩b藥參數(shù)Table 3 Blasting parameters of central excavation in layer Ⅱ

表4 第Ⅱ?qū)舆厜Ρ蒲b藥參數(shù)Table 4 Blasting parameters of sidewall excavation in layer Ⅱ

表5 第Ⅲ層中部拉槽裝藥參數(shù)Table 5 Blasting parameters of central excavation in layer Ⅲ

表6 第Ⅲ層邊墻及底板爆破裝藥參數(shù)Table 6 Blasting parameters of sidewall and floor excavation in layer Ⅲ

4 結(jié) 語(yǔ)

水封石油儲(chǔ)庫(kù)工程實(shí)踐表明，特大斷面硬巖鉆爆開(kāi)挖采用三級(jí)復(fù)式楔形掏槽、非電導(dǎo)爆管雷管毫秒延遲起爆、周邊孔光面爆破技術(shù)，基于“大洞小打，分部開(kāi)挖”施工原則，分層分次爆破，劃大斷面為小斷面，有效減少單次起爆藥量和最大單段藥量，在爆破減振、炮孔利用率提升、壁面成型質(zhì)量提高等方面優(yōu)勢(shì)明顯，能夠滿(mǎn)足水封石油儲(chǔ)庫(kù)爆破開(kāi)挖要求，可為硬巖大斷面鉆爆開(kāi)挖提供借鑒與參考。