寒山水庫供水管線隧洞工程爆破方案分析

裴智超

（江西省水利水電開發有限公司,江西 南昌 330000）

1 工程概況

寒山水庫座落于贛江二級支流、禾水一級支流鳧水河（南村水）上,地處萍鄉市蓮花縣荷塘鄉寒山村境內,是一座以供水、灌溉為主,兼有防洪、發電等綜合效益的中型水庫工程。供水管線設計采用壓力管道自流輸水方式,管線總長約7.0 km。取水口布置于發電廠房下游1.42 km水頭村附近尾水渠內,改造渠道形成壓力前池,在前池邊墻內埋設壓力鋼管并設置閘閥控制,沿途除管橋段為鋼管外,均為DN600 球墨鑄鐵管,水流經水頭村、院背、沖背嶺山腳、隧洞段、何家坊、跨河至左岸、鳧村、下田屋至規劃建設的第二水廠。供水管線在穿越沖背嶺山體處需要修建兩段門洞型結構隧洞,分別為1#、2#隧洞,其中1#隧洞段樁號為供2+160～2+700,長540 m,2#隧洞段樁號為供3+160～4+100,長940 m。兩隧洞分別遇Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種圍巖類型,設計處理措施為：Ⅲ類圍巖隧洞凈寬2.0 m,凈高2.0 m,采用0.1 m混凝土噴護；Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞凈寬2.6 m,凈高2.6 m,采用0.3 m厚混凝土襯砌。

2 隧洞爆破方案選擇

根據隧洞開挖圍巖級別,以及地質復雜情況,采用以下施工方法：

城門洞型,直墻半圓拱形,洞身斷面尺寸如圖1 所示,1#隧洞從管道水流出洞口往進洞口處單項掘進；2#隧洞采取雙向掘進。

圖1 1#隧洞、2#隧洞開挖斷面示意圖（單位：mm）

Ⅲ類圍巖采用平行空孔直眼掏槽全斷面開挖,Ⅳ類圍巖采采用人工、機械挖掘或弱爆破開挖,Ⅴ類圍巖采用機械開挖方法,若在施工過程中遇到較穩定的弱風化巖時,可用小炮輔以松動。Ⅳ類、Ⅴ類圍巖在開挖前先進行超前錨桿支護,開挖一段支護一段,及時進行頂拱封閉。后期支護緊跟工作面,作業到哪里支護要及時跟上。

選用平行空孔直眼掏槽全斷面光面爆破法進行爆破開挖。

選用YT28 風動鑿巖機鉆設炮眼,孔徑為42 mm,根據施工進度及圍巖種類,初步定循環進尺為1.5 m～2.0 m。爆破采用塑料導爆管爆破網路,以毫秒延期雷管實現微差延時爆破。

3 隧洞爆破參數設計

3.1 爆破參數選擇

光面爆破主要參數有：炮眼數量、周邊眼間距、炮眼大小、炮眼深度、不耦合系數、裝藥直徑、線性裝藥密度、最小抵抗線（爆破層厚度）等。在施工中按照設計的參數進行爆破效果的試爆,根據試爆效果對參數進行優化調整。

3.1.1 Ⅲ類圍巖

（1）炮孔直徑

本工程選用42 mm的炮孔直徑。

（2）炮眼深度與循環進尺

在小面積隧洞入巖爆破中,巖石的周邊夾制力大,炮眼利用率低。一般炮眼深度L取1.5 m～2.0 m,其中掏槽眼應比周邊眼加深10 cm～20 cm。

炮眼利用率η一般可以達到85%～95%,則循環進尺L'=ηL=（0.85～0.95）L。

本工程設計循環進尺為1.5 m,炮孔利用率取88%,則周邊孔、底板孔和輔助孔炮孔深度取1.7 m,掏槽眼深度為1.9 m。

（3）炸藥單耗

炸藥單耗因巖層的特性和孔樁斷面大小而各不相同,可按下列公式進行計算：

式中：q為炸藥單耗,kg/m3；f為巖石的堅固系數,本標段取f=10（參考值,根據各開挖段實際圍巖堅固性進行取值）；S為隧洞斷面面積,3.57 m2,計算得炸藥單位為2.3 kg/m3,此數值為參考值,設計參數時,對炸藥單耗進行驗算,實際單耗要根據施工現場的情況靈活調整。

（4）炮孔數目

確定炮眼數目的基本原則是在保證爆破效果的前提下,盡可能地減少炮眼數目。借鑒著隧道掘進所用到的公式估算：

式中：N為炮眼數目,個；f為巖石堅固性系數；本工程取f=10（參考值,根據各開挖段實際圍巖堅固性進行取值）；S為隧洞掘進斷面,3.57 m2。

計算得到：炮孔N為16.6 個,這也是一種參考值。

（5）炮孔布置：

1）本工程暫定布置中空眼2 個,掏槽眼3 個（水平直眼掏槽）,輔助眼4 個,周邊眼10 個（孔向外傾斜3°～5°）,底板眼4 個（孔向外傾斜3°～5°）,總計炮孔23個。炮孔布置見圖2。

圖2 炮眼布置、裝藥結構、起爆順序圖

2）周邊眼間距

周邊眼間距適當縮小,可以控制爆破輪廓,避免超欠挖,又不致過大的增加鉆眼工作量,孔間距的大小與巖石性質、炸藥種類、炮眼直徑有關,一般為E=（8～18）d,E為孔距,d為炮眼直徑。E=32 cm～72 cm,本次兩幫周邊眼E=50 cm,圈頂眼E=44.6 cm,底板眼E=66.7 m。

3）光面爆破層

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層,光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W,本次選值為50 cm,詳見炮孔布置圖。

4）裝藥量計算

式中：qz為單孔裝藥量,kg；為裝藥系數；L為炮眼深度,m；為2號巖石炸藥的每米重量γ值,1.0 kg/m。

周邊眼、底板眼藥量計算,兩幫周邊眼和圈頂眼裝藥系數取0.235,單孔裝藥量為0.4 kg,小計藥量為4.0；底板眼裝藥系數取0.5,單孔裝藥量為0.8 kg,小計藥量為3.2 kg；掏槽眼用藥量計算,掏槽眼裝藥系數取0.65,單孔裝藥量為1.2 kg,小計藥量為2.4 kg ；輔助眼用藥量計算,輔助眼裝藥系數為0.5,單孔裝藥量為0.8 kg,小計藥量為3.2 kg。

對設計的爆破參數及爆破藥量須進行爆破試驗確認、優化,以進一步符合地質情況,使爆破方案及參數更科學合理,使爆破效果良好和確保安全。

3.1.2 Ⅳ類圍巖

（1）炮孔直徑D

本工程選用42 mm的炮孔直徑。

（2）炮眼深度與循環進尺

本工程設計循環進尺為1.8 m,炮孔利用率取90%,則周邊孔和輔助孔炮孔深度取2.0 m,掏槽眼深度為2.2 m。

（3）炸藥單耗

本標段取f=6（參考值,根據各開挖段實際圍巖堅固性進行取值）,S為隧洞斷面面積,6.04 m2,計算得炸藥單位為1.4 kg/m3,此數值為參考值,設計參數時,對炸藥單耗進行驗算,實際單耗要根據施工現場的情況靈活調整。

（4）炮孔數目

巖石堅固性系數取f=6（參考值,根據各開挖段實際圍巖堅固性進行取值）；S為隧洞掘進斷面面積,4.0 m2。計算得到：炮孔N約為20 個,為參考值。

炮孔布置：

（1）本工程暫定布置中空眼1 個,掏槽眼3 個（水平直眼掏槽）,輔助眼5 個,周邊眼12 個（向外傾斜3°～5°）,底板眼5 個（向外傾斜3°～5°）,總計炮孔26 個。炮孔布置見圖3。

（2）周邊眼間距

周邊眼間距適當縮小,可以控制爆破輪廓,避免超欠挖,又不致過大的增加鉆眼工作量,孔間距的大小與巖石性質、炸藥種類、炮眼直徑有關,一般為E=（8～18）d, E為孔距, d為炮眼直徑。E=32 cm～72 cm,本次設計周邊眼E=45.1 cm。

（3）光面爆破層

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層,光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W,本次選值為50 cm。

（4）裝藥量計算

周邊眼、底板眼藥量計算,兩幫周邊眼和圈頂眼裝藥系數取0.2,單孔裝藥量為0.4 kg,小計藥量為4.8；底板眼裝藥系數取0.45,單孔裝藥量為0.9kg,小計藥量為4.5 kg；掏槽眼用藥量計算,掏槽眼裝藥系數取0.55,單孔裝藥量為1.2 kg,小計藥量為3.6 kg；輔助眼用藥量計算,輔助眼裝藥系數為0.45,單孔裝藥量為0.9 kg,小計藥量為4.5 kg。

對設計的爆破參數及爆破藥量須進行爆破試驗確認和優化,以進一步符合地質情況,使爆破方案及參數達到預計爆破效果要求和確保安全。

3.2 裝藥結構及堵塞方式

光面爆破采用不連續裝藥,炮眼裝藥按裝藥集中度計算出的藥量均勻分布裝入炮眼內。具體見圖2和圖3裝藥結構圖。

圖3 炮眼布置、裝藥結構、起爆順序圖

3.3 起爆網路及起爆方式

采用孔內延期,孔外采用“大把抓”簇聯起爆網路,激發針起爆。具體起爆順序見圖2和圖3。網路連接示例圖見圖4。

圖4 起爆網路連接示例

4 結論與建議

4.1 結論

寒山水庫供水管線在穿越沖背嶺山體處需要修建兩段門洞型結構隧洞,選用平行空孔直眼掏槽全斷面光面爆破法進行爆破開挖。通過編制爆破設計,合理調整周邊眼間距、裝藥數量、鉆眼深度等爆破參數,達到控制隧洞超欠挖,減少噴射混凝土用量,并根據地質條件的變化和對振動波的要求不同,優化鉆爆參數,實現光面爆破,降低對圍巖、支護及襯砌的擾動,以達到施工質量與成本控制標準。

4.2 建議

根據隧洞開挖技術特點,以及為使隧洞開挖成形良好,減少超挖量,減少爆破對圍巖的擾動深度,確保需保護物的安全,在開挖中做好以下施工措施：

①為保證地表建筑物的安全和周圍環境的影響,在確保高質量的隧洞開挖斷面同時,將爆破震動控制在允許范圍,以保證爆破周邊環境的安全,并盡量減少對周邊的干擾。

②采取有效的控制爆破技術,減少振動與降低噪音,同時要求成形效果好,采用光面爆破。根據地質條件,開挖斷面、開挖進尺、爆破器材、振速要求等條件編制爆破設計。

③根據圍巖特點合理選擇周邊眼間距E及周邊眼的最小抵抗線W,輔助炮眼交錯均勻布置,周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上。

④嚴格控制周邊眼的裝藥量,借助導爆索、竹片進行間隔裝藥,或不耦合裝藥,使藥量沿炮眼均勻分布,以確保隧洞周邊成形良好,并減少對圍巖的擾動。

⑤破碎帶,松軟巖增加小導管提前注漿方可爆破,爆破出渣后立鋼供架掛網噴漿。