某隧洞工程基坑開挖爆破設計探討

張惠蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況及地質條件

某隧洞施工設置5#和8#兩處豎井：5#豎井在隧洞70+900位置，設計開挖深度約81m，圓型斷面，且豎井成型后直徑達6.6m；8#豎井在隧洞85+000位置，設計開挖深度74m，也為圓型斷面，豎井成型后直徑與5#豎井直徑相同；5#和8#兩處豎井均設置在輸水隧洞軸線上。

5#施工豎井工程地表分布厚度0.5-1m的第四系上更新統-全新統洪積含礫粉土層，下伏基巖主要為巨厚層狀的下白堊統土黃-紅黃色泥巖，局部夾砂巖、泥質粉砂巖和少量泥質砂礫巖，巖層產狀300°NE∠3°，斷層和節理裂隙均不發育，地下水埋深23.6m，巖性極軟，強風化層和弱風化層厚分別為3-5m和13-15m，屬于Ⅴ類圍巖。豎井段地層缺乏自穩能力，較易產生塑性變形。地表以下基巖巖性主要為巨厚層狀上侏羅統泥巖夾泥質粉砂巖、砂巖，巖層產狀300°NE∠13°，斷層和節理裂隙均不發育，地下水水位埋深23.6m，且洞身多處于地下水以下，主要表現為滲水、滴水為主的病害形式，局部甚至存在線狀流水，所估算的該豎井段總涌水量30m3/h，且地下水對該段混凝土具有較強腐蝕性，對鋼筋和鋼結構也具有中等腐蝕性。該段豎井整體缺乏自穩能力，產生塑性變形的可能性較大。

8#施工豎井工程地表為第四系上、全新統洪積碎石土層，碎石含量30%-40%，呈棱角狀，塊徑0.5-1.5cm為主，為V類圍巖。地表以下為新近系泥巖，局部夾泥質砂礫巖、泥質砂礫巖，巖層產狀300°NE∠3°，強風化層厚3-4m，弱風化層厚12-15m。泥巖的天然含水率為10.0%-17.0%，飽和含水率為14.3%-19.7%，天然密度2.05-2.15g/cm3，干密度1.85-1.94g/cm3，飽和密度2.15-2.23g/cm3；該段泥巖的自由膨脹率一般為40%-67%，屬弱膨脹巖。該段地下水埋深一般為11m，洞身處于地下水以，洞底以上巖體內局部存在薄的微承壓含水層，該段以滲水、滴水為主，局部洞段存在線狀流水或小的涌水現象，估算該隧洞段總涌水量約為198m3/h，該段圍巖屬極軟巖，為Ⅴ類圍巖，大多洞段自穩能力差，易產生塑性變形。

2 基坑開挖爆破設計

2.1 主要爆破方式

根據實際圍巖揭露位置及設計要求，某隧洞5#和8#豎井石方開挖通過開溝、拉槽爆破方式進行。巖石明挖則按照梯段微差擠壓爆破進行，開挖邊線有形體結構要求時根據圍巖揭露厚度及巖石級別分別采用光面、預裂爆破技術，厚度較小且較為松動的巖石采用液壓破碎錘配合風鎬直接開挖。石方建基面以上留出厚度1.0-2.0m的保護層，并通過手風鉆或風鎬開挖。石方開挖前必須進行鉆爆設計，并在施工前進行現場爆破試驗，調整和修正鉆爆參數，保證爆破施工效果。

2.2 預裂爆破參數

預裂孔采用QZJ-100B鉆機按照Φ90mm的直徑鉆進，孔深一般≤8m，保護層開挖鉆孔孔距控制在0.8-1.0m范圍，在鉆孔施工前，進行邊坡開挖線的精確測量，并通過紅色油漆將預裂孔孔位標出。預裂爆破所采用的Φ32mm乳化炸藥按照相等間隔及2.8的不偶合系數以不偶合結構裝藥，并在底部0.5-1.0m范圍內按照設計裝藥量的2-3倍加強裝藥，線裝藥密度控制在300-350g/m范圍，孔口堵塞段長度1.0-1.2m。預裂孔裝藥過程中先按照設計要求用膠布將藥卷捆綁于竹片后再放置入孔，再用巖屑將孔口封堵密實[1]。導爆索實現對預裂孔的起爆。某隧洞5#和8#豎井巖石明挖預裂爆破設計參數如表1所示。

表1 巖石明挖預裂爆破設計參數表

預裂孔角度按1∶0.3和1∶0.5計算，當一次預裂長度無法達到設計開挖底線位置，應使預裂炮孔長度超出梯段炮孔深度，并將超深值控制在梯段炮孔藥卷直徑的30倍(即1.8m)以上。根據現場實際情況并綜合考慮設計坡比(1∶0.75)后適當調整預裂孔角度。

2.3 梯段爆破設計

梯段爆破孔通過潛孔鉆機鉆孔，按照設計坡比進行鉆孔角度的鉆設，孔深一般控制在8m以內，主爆孔間排距按照3.0m×2.0m的尺寸設計，并按梅花形布置。主爆孔采用Φ60mm乳化炸藥的連續不偶合方式裝藥，單耗藥量控制在0.4-0.5kg/m3范圍。為防止爆破過程對設計邊坡造成振動破壞，應在靠近預裂面的位置布設2-3排緩沖孔，并按照其它梯段爆破孔裝藥量的50%-70%控制緩沖孔的裝藥量，在與預裂面距離1.5m的左右兩側布孔。梯段爆破采用塑料導爆管連接非電毫秒雷管的微差起爆方式[2]。某隧洞5#和8#豎井巖石明挖梯段爆破設計參數如表2所示。

表2 巖石明挖梯段爆破設計參數表

在確定出某隧洞5#和8#豎井巖石明挖梯段爆破設計參數的基礎上，還應根據施工實際進行梯段高度及其他爆破參數的適當調整。梯段爆破孔傾斜角度按照設計坡比(1∶0.75)及現場實際情況進行調整。

2.4 保護層爆破設計

保護層炮孔鉆進施工采用YT-28手風鉆機，保護層設計厚度2.0m，并劃分為三個開挖層，開挖厚度分別為第一層1.0m、第二層0.8m，第三層撬挖層20cm。撬挖層施工主要通過風鎬和撬棍配合完成。以乳化炸藥為主要起爆材料，鉆孔直徑42mm，藥卷直徑32mm，塑料導爆管按設計要求與非電毫秒雷管連接后通過微差起爆，巖石保護層開挖鉆爆設計參數見表3。

表3 保護層開挖鉆爆設計參數表

2.5 爆破試驗

針對本工程地質條件及隧洞5#和8#豎井巖層物理力學特征，在明挖鉆爆施工前，必須針對代表性強的區域展開爆破實驗，并通過爆破試驗所獲得的參數為爆破施工提供依據，并進一步優化爆破參數設計，確保隧洞5#和8#豎井爆破施工取得最佳工程效果。按照《爆破安全規程》(GB6722-2003)的規定，本工程爆破試驗內容包括爆破材料性能試驗、爆破參數試驗、爆破破壞試驗、爆破地震效應試驗[3]。

3 爆破安全參數

3.1 質點振動速度

質點振動速度按下式確定：

(1)

式中：v為質點振動速度；W為爆破裝藥量，在齊發爆破的情況下應為總裝藥量，而分段延情況下應視爆破時具體條件取有關段或最大段的裝藥量，kg，根據爆破參數取W=81.2kg；D為爆破區裝藥量幾何中心與觀測點、建筑物、防護目標等的距離，m，根據設計圖紙及實際測量取D=300m；K、a由爆破施工場地水文地質條件、巖性特性、爆破區相對位置等所決定的常數，依據《水工建筑物地下開挖工程施工規范》SL378-2007，初選取值為K=300，α=1.9。

經計算v=0.095，取值完全符合《水工建筑物地下開挖工程施工規范》SL378-2007所規定的爆破質點振動速度安全值。

3.2 安全距離

進行明挖爆破施工時，計算并控制一次起爆藥量和飛石距離，保證附近建筑物安全，同時在起爆前做好附近人員的數算及警戒工作，在爆破作業面附近設置防護網。爆破沖擊波安全距離由公式(2)確定，個別分散物安全允許距離由公式(3)確定：

(2)

式中：Rk為空氣沖擊波與爆破掩體內技術人員之間允許距離最小值，m；Q為一次爆破過程中所對應的TNT炸藥當量，秒延時爆破情況下取最大段藥量，毫秒延時爆破下取總裝藥量，kg，依據爆破參數取81.2kg；經計算Rk=108m。

Rf=KqD

(3)

式中：Rf為飛石飛散距離；Kq為安全系數，取16；D為鉆孔孔徑。經計算Rk=144m。

按照《爆破安全規程》GB6722-2014的相關要求將爆破飛石安全允許距離設定為300m，均符合爆破施工安全要求。

4 結 論

某隧洞5#和8#豎井至完工驗收，整個基坑開挖爆破歷時163d，通過爆破施工方案設計、爆破施工過程的精心組織，在保證基坑及周圍建筑物安全的基礎上，實現了對隧洞5#和8#豎井基坑的安全、快速、高效開挖，成功總結出一套豎井基坑鉆孔、爆破開挖施工相結合的施工作業流程，保證了施工進度和施工效率。