某輸水隧洞中空孔爆破施工質量控制過程分析

李大峰

(南京市水務工程建設管理中心，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

某輸水隧洞工程位于江蘇省南京市江寧境內，北東距南京市約 45km，距陸郎鎮約3.5km，按設計要求隧洞采用鉆爆法施工。

該項目包括樁號主洞K0+000～K2+640與支洞XK0+000～XK0+158(K0+855)兩段，隧洞總長2.798km，其中主洞長2.640km，通過三個斜井通道進入隧洞，隧洞為有壓輸水隧洞，斷面形式為曲墻拱形斷面，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

由于疫情，項目工期滯后嚴重，決定從延長規定爆破時段內有效作業時間、加大資源投入和避車洞調整縮短爆破時段內工序時間、試驗中空孔爆破新工藝加大提高每循環進尺、申請適當延長爆破時間等幾個方面入手，消除爆破時段受限對工期的影響，將掘進工期控制在投標掘進工期的9個月內。文章針對該項目中空孔爆破施工質量控制過程進行了分析。

2 中空孔爆破原理

在關鍵線路采用新工藝中空孔爆破施工，既利用被限制爆破的夜間時段，在支洞下游主洞作業面、出口主洞作業面采用適合該隧洞斷面尺寸的大口徑履帶式潛孔鉆機及大型高風壓空壓機(共三套，兩套使用，一套備用，考慮現場其他工序施工用電負荷和柴油空壓機穩定性，采用柴油空壓機)，在掌子面進行掏大孔作業，增加爆破臨空面，提高單次爆破進尺[1-5]。

3 中空孔爆破施工方法分析

3.1 技術準備及實施階段劃分

3.1.1技術準備

(1)開工前組織技術管理人員學習爆破原理，編制施工技術交底，繪制開挖斷面圖，為全面開工做好充分的技術準備。

(2)開工前組織測量、技術等技術人員進入施工現場，制定鉆孔位置確定施工方案。

(3)根據總體施工計劃和分項的施工節點詳細進行細部施工方案的優化。組織合同段工程的內部技術交底以及各類作業人員的崗前技術培訓工作。

3.1.2實施階段劃分

按照工期要求及該項目的主要工程內容，結合該項目地理位置、周圍環境及工程特點，組織對項目關鍵線路隧洞出口、斜井下游2個關鍵線路工作面進行施工，總體施工安排如下：

(1)施工準備階段，設備到達現場后，進行試運行并改裝，同時在隧洞內安裝設備所需供水管線、新布設高壓風管，降塵及排煙設施。組織好單個工序施工時間，合理安排好爆破時間。

(2)技術人員及測量人員做好技術培訓工作，并對施工隊伍進行技術交底。

(3)做洞內中空孔試驗，逐步根據實驗結果調整中空孔位置，直至洞身開挖施工達到預計進尺。

3.2 施工準備及安排

(1)供水。利用原開挖施工供水管道供水，在管道端點接入專用供水管道引至掌子面供水。

(2)施工供風。由于原隧洞開挖供風管道為低壓風管，中空孔施工為高壓風，原開挖供風管道不能滿足中空孔施工的高壓風管，在原管線位置下方新增Φ89×4.5高壓供風鋼管2000m，因洞內其他設備需正常供電，現有變壓器無法滿足現場所有設備滿負荷工作，在支洞和出口洞外各安置1臺295kW柴油高風壓空壓機向各作業面履帶式鉆機提供風壓，共進場2臺柴油高風壓空壓機和3臺大型履帶式鉆機(1臺備用)。

(3)排煙降塵。原隧洞排煙由洞外型號為SDDY-2×37kW對旋式通風機進行排煙降塵及供風，因中空孔施工過程中機械排煙及鉆孔過程中粉塵較多，無法滿足正常排煙及供養。該項目采用移動抽入式風機并安裝鋼絲風帶將掌子面煙塵抽排至距離工作面100m以外，并合理利用霧炮機降塵。采用移動抽入式風機(由新購入兩臺柴油三輪車運輸)可解決掌子面斷面狹小及占用正常通道等問題。

(4)組織設備進場改裝，試運行和試驗。設備進場后進行調試，因隧洞斷面小，底端寬度為2.4m，施工過程中可利用空間約1.8m，為滿足施工條件，由租賃廠家專業技術人員對履帶式潛孔鉆機進行現場改裝調試，滿足施工現場需求。

(5)組織施工隊伍、設備進場。考慮洞內施工設備磨損較大，按5個月考慮，每月每作業面消耗1套沖擊器及鉆頭，共需消耗10套；每月每作業面消耗8m鉆桿，共需消耗80m，進場時備好這些易損件。

3.3 中空孔施工

計劃此次中空孔爆破施工范圍為隧洞出口至支洞下游里程段(K2+640～K0+855，共1785m)隧洞洞身開挖支護，其中截至目前出口剩余694m(Ⅳ級圍巖659m，Ⅲ級圍巖35m)，支洞下游剩余899m(Ⅳ級圍巖649m，Ⅲ級圍巖250m)，該線路主要位于丘陵地帶，埋深約30m。

3.3.1人員機械及輔助設施組織情況

(1)根據爆破設計情況，人員機械增加情況見表1。

表1 人員機械增加情況表

為保證洞內履帶式潛孔鉆機設備正常運轉及維修保養，備用一臺。

(2)排煙及輔助施工設施，見表2。

表2 排煙及輔助施工設施表

3.3.2中空孔施工方案

(1)工程結構

本次中空孔施工設計的內容為隧洞洞身范圍1785m。其中隧洞洞身為曲墻拱形斷面，內輪廓尺寸為3.2m×3.2m，有效面積為8.3 m2，有效周長為10.373m。隧洞涉及Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖及Ⅴ級圍巖共三種。Ⅲ級圍巖外輪廓尺寸為3.96m×3.98m，每延米挖方量為13.41m3。Ⅳ級圍巖外輪廓尺寸為4.22m×4.16m，每延米挖方量為15.19m3。Ⅴ級圍巖外輪廓尺寸為4.38m×4.38m，每延米挖方量為17.00m3。本方案施工包括2個斜井，2號斜井連接隧洞終點至3號斜井由K0+855.0處與隧洞銜接。具體結構如圖1所示。

圖1 隧洞施工結構圖(單位：mm)

(2)總體方案

根據工程要求、圍巖性質、設計斷面尺寸，工期計劃及爆破施工特點，該項目計劃利用爆破時間段以外的夜間施工段，組織開展中空孔爆破施工方案，在掌子面豎向施工3個直徑為200mm的圓形孔深度7m，保證每天施工開挖2循環，增加臨空面，提高爆破效率，有效提高循環開挖進尺[6-7]。

在掌子面增加中空孔開挖施工的關鍵工藝是有效提高循環開挖進尺。爆破流程如圖2所示，中空孔開挖位置關系如圖3所示。

圖2 隧洞爆破流程圖

圖3 中空孔開挖位置關系圖

為降低掘進爆破的地震效應，設計采用毫秒延遲的起爆技術[8-14]。在增加開挖進尺的同時，控制爆破震動對圍巖的擾動，確保在圍巖穩定的情況下，提高單循環開挖進尺。根據隧洞暗洞設計圖紙資料可知，巖石性質主要有Ⅲ、Ⅳ兩種級別圍巖，為確保施工安全，綜合考慮現場地質條件、設計要求、施工進度等因素，確定單循環進尺為2.5～3.0m。

開挖邊界的周邊孔應采用光面爆破，以減弱爆破作用對隧洞圍巖的擾動，同時使開挖輪廓線平整，減少超挖和欠挖。考慮到圍巖軟弱的實際情況，應設計選取較小的炮孔間距和較小的線裝藥密度，孔距在40～50cm選取，線裝藥密度在0.1～0.2kg/m選取。

在條件允許情況下，施工中應選用低爆速、小直徑的爆破藥卷，炸藥爆速最好在2200m/s左右，藥卷直徑為20～24mm，并且采用徑向不耦合和軸向不耦合的裝藥結構，以削弱爆轟氣體對炮孔壁圍巖的強沖擊作用，避免爆破在炮孔周圍產生粉碎壓縮圈，進一步縮小爆破對圍巖的擾動范圍。

為了獲得較好的光面爆破效果，光爆孔設計選用多段藥卷間隔裝藥的方式。

采用毫秒延期起爆技術，控制一次起爆藥量產生的振動小于保護目標的允許振動值。

(3)中空孔施工安排及工期優化效果

該項目引進鉆孔設計，因項目施工的引水隧洞斷面小，可操作空間有限，需對設備進行改裝，同時支洞下游圍巖與出口圍巖斷面及圍巖等級參數不同，需要根據現場不斷試驗調整中空孔位置關系，具體安排時間見表3和表4。

表3 設備調試及改裝時間安排表

表4 工期對比表

4 結論

文章通過對中空孔新工藝爆破技術在某輸水隧洞工程的運用進行總結，從技術準備、實施階段劃分、施工準備及安排到中空孔施工全流程梳理，對中空孔爆破施工中的重點、難點進行技術創新，通過采用履帶式潛孔鉆機打孔，調整爆破鉆孔位置及孔深、采用毫秒延遲起爆等技術手段，有效提高循環開挖進尺的同時，控制爆破震動對圍巖的擾動，使開挖輪廓線平整，減少超挖和欠挖，最終將施工工期從原計劃的2021年9月30日提前到2021年1月25日。文章尚未分析中空孔新工藝爆破技術在隧洞應力變形方面的優勢，將在今后進一步開展相關的研究。