軟弱圍巖特大斷面洞室爆破開挖優化設計

陳永建　唐存建　朱建成

摘要：對于特大斷面軟巖洞室，通常采用分部分層的開挖方法，這會對施工安全、質量以及進度等方面存在一定影響。以巴基斯坦莫赫曼德（Mohmand）水電站項目導流隧洞工程為例，在原洞室Ⅳ類圍巖上層分部開挖方案的基礎上，優化了爆破設計，結合爆破振動監測數據，進行最大單響藥量控制，將洞室上層分部開挖方案調整為上層全斷面開挖。現場爆破試驗結果表明：優化后的爆破施工方案殘孔率達90%以上，洞室平均線超挖僅為12.10 cm，減少了噴射混凝土用量。優化后的爆破設計保證了施工過程的質量和安全，降低了施工成本，加快了施工進度。

關鍵詞：軟弱圍巖; 特大斷面; 洞室開挖; 光面爆破; 振動監測; 莫赫曼德水電站; 巴基斯坦

中圖法分類號：U455 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.011

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0066 - 06

0 引 言

在洞室開挖過程中，開挖方式對洞室的施工難度、質量、安全等起著決定性作用，尤其是軟弱圍巖條件下的大斷面、特大斷面洞室，開挖工法尤為重要。大斷面、特大斷面洞室宜采用分層、分區開挖。但該方法存在施工進度較慢、分部開挖對圍巖整體穩定性不利等缺點，進而直接或間接造成施工成本增加、效益較低。在長大洞室施工中則常采用鉆爆法。近年來，針對隧道光面爆破設計優化開展了許多研究，主要通過工程類比、經驗分析及模擬計算的方法，結合工程實踐進行設計優化與完善。

高朋飛等[1]以瑯琊山隧道為例，分析了隧道爆破對軟弱圍巖穩定性的影響，并介紹了爆破施工參數的選取方法。陳瑞[2]對瑯琊山軟弱圍巖大斷面隧道光面爆破設計進行優化，并結合現場實施情況，論證了優化后的設計爆破效果良好且隧道臨近構筑物基本未受影響。羅敏[3]基于新建張家口至唐山重載鐵路隧道光面爆破施工的工程實例，開展了邊墻爆破效果提升、超欠挖控制和循環進尺增加等多項綜合施工關鍵技術設計，詳細闡述了臺架、雷管延時、風鉆定位等設計要點，并最終分析了各項關鍵技術應用后的施工效果。陳正林等[4]通過數值模擬手段對Ⅳ級泥巖段隧道爆破開展爆破設計參數優化研究，并進行現場測試，最終確定了最優的爆破方案。劉趕平[5]對大斷面隧道光面爆破設計展開研究，根據隧道地質條件確定了一組適用于變質巖、花崗巖、砂巖等圍巖條件下的光面爆破參數，并經測試發現爆破效果顯著提升。郭建等[6]以月直山隧道施工工程為背景，從爆破技術、控制措施和施工管理等方面入手，通過優化爆破設計、完善施工工藝和落實管控措施，改善了爆破效果，有效控制了隧道掘進超欠挖現象。

為保障軟弱圍巖條件下特大型斷面洞室開挖安全和質量、加快工程施工進度、提高工程效益，本文結合工程實際，對巴基斯坦莫赫曼德（Mohmand）水電站項目導流洞Ⅳ類圍巖上層開挖工程進行研究，優化了光面爆破設計方案，結合實際爆破效果進行了分析，可為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

莫赫曼德水電站項目位于巴基斯坦開伯爾-普赫圖赫瓦省（KPK）莫赫曼德特區白沙瓦市以北48 km的斯瓦特河上。莫赫曼德水電站是斯瓦特河梯級水電開發中的一級，水庫總庫容為18億m，電站裝機容量800 MW，屬Ⅰ等大（1）型工程。

兩條導流隧洞布置在右岸，開挖斷面形式均為馬蹄形，斷面尺寸為16.750 m×16.775 m～17.300 m×17.300 m，為特大型斷面，其特性參數見表1。

兩條導流隧洞洞身段Ⅳ和Ⅴ類圍巖占比60%以上，以Ⅳ類圍巖為主，其巖性為綠泥石云母片巖夾碳質石墨片巖，片理較為發育，片理產狀為N40°W∠NE70°，裂隙較為發育，主要節理產狀為N85°E∠SE65°，N20°E∠NW50°;巖體完整性較差，巖石強度較低;片理面較為平直光滑，局部地帶夾軟弱夾層，為泥質填充，工程性質上屬于軟巖。

2 原爆破設計

1號與2號導流隧洞Ⅳ類圍巖上層開挖采用左右半幅依次成形的開挖方法，主要通過自制鉆爆臺車配合手風鉆造爆破孔。Ⅳ類圍巖掘進進尺按2.4 m進行控制。

2.1 設計方案

采用2號巖石乳化炸藥，各孔位（周邊孔、掏槽孔、崩落孔及底孔）的藥卷直徑均為32 mm。采用導爆索和非電毫秒導爆雷管引爆。主爆孔裝藥采用反向連續裝藥方式，周邊孔采用反向不耦合裝藥方式，具體炮孔布置情況見圖1。在較高部位使用自制鉆爆臺車裝藥，將藥卷用炮桿送入炮孔，裝藥后使用炮泥進行封堵，待所有炮孔裝藥完畢后，根據起爆順序聯網，最后匯總到一起，與引爆的導爆雷管連接，采用非明火起爆。

經現場多次爆破試驗后，確定的鉆孔及裝藥參數見表2～3。其中，周邊孔的不耦合系數為1.31，孔距控制在0.45～0.50 m之間，線裝藥密度為150 g/m。最小抵抗線為0.7 m。

2.2 現場爆破效果

分別在1號導流洞出口（1+681.14～1+572.00）長109.14 m及2號導流洞出口（1+783.66～1+702.20）長81.46 m范圍內進行上層左右半幅開挖。利用該方式進行上層光面爆破施工后，周邊孔殘孔痕跡分布不均勻，其附近局部破碎現象較為明顯，殘孔率均低于30%。巖面平整度均明顯大于15 cm，局部凹凸不平。存在較大超挖，如圖2所示，因此整體爆破施工效果并不理想。

3 爆破設計優化

3.1 理論論證

經過現場持續進行地質素描，根據NGI-Q系統，從巖石類別、節理發育程度、地下水等方面對巖石進行Q值打分，從而進行圍巖分類。導流洞洞徑為17 m，開挖支護比ESR=1，相對跨度為17 m。從圖3中可以看出，紅色虛線在隧洞跨度17 m處與上限曲線在Q值約為6.9處相交，該處對應的巖石自穩時間已超過100 h。因此，在開挖結束后及時進行支護的前提下，可以采取全斷面開挖。

3.2 全斷面開挖爆破設計

導流洞上層Ⅳ類圍巖采用全斷面開挖。該方案采用的藥卷規格及鉆孔直徑均與優化前相同。根據炮孔直徑、巖石的普氏系數及斷面面積等，擬定炸藥單耗為0.78 kg/m。炮孔布置及剖面示意分別見圖4～5。

通過查閱相關資料及根據施工經驗，初擬周邊孔孔距為0.5 m，線裝藥密度為120 g/m，最小抵抗線為0.6 m，各孔位鉆孔及裝藥參數見表4。

3.3 最大單段藥量控制

1號與2號導流洞之間最小凈距為45 m，平均凈距為52.5 m，由于進行全斷面開挖，隨著爆破孔數及單響最大藥量的增加，會對相鄰洞室產生影響，洞室安全允許質點振動速度峰值不得超過11 cm/s。

在距爆源（待爆破掌子面）適當距離的位置布置測點，監測儀器平穩地置于洞室邊墻附近，使測點處于爆破振動波的傳播路線之上，可測量其X， Y， Z這3個方向振動[7]。現場測得的典型爆破振動波形如圖6所示。表5為導流洞的部分爆破振動監測數據。

結合爆破振動監測數據，采用最小二乘法線性回歸分析理論[8-9]，可以求得爆破振動3個方向的衰減相關系數K，α值，在此僅就對洞室邊墻影響最大的垂直方向傳播規律進行分析。導流洞垂直方向傳播速度回歸分析得到K=285，α=1.33，由此可得質點爆破振動速度V傳播規律的經驗公式∶

3.4 爆破設計現場實施效果

與分幅爆破開挖相比，全斷面爆破開挖能夠更有效控制周邊孔炸藥的爆破作用，且炮孔利用率較高，同時對圍巖的擾動范圍小，可有效減少應力集中所引起的塌方現象，有利于圍巖穩定。

此爆破設計所取爆破循環進尺較大，又處在軟弱圍巖區，爆破的效果對隧道施工的安全、進度等方面影響重大。經爆破試驗發現：該爆破設計效果良好且爆破振速控制較好，爆破后隧道輪廓較為光滑、平整，隧道圍巖表面上有明顯的周邊孔炮孔痕跡，殘孔率達到了90%以上，孔壁無明顯的爆破裂隙，超欠挖控制情況較好，為上層全斷面開挖提供了充分保障。爆破后的效果如圖7所示。

4 優化前后爆破效果對比

4.1 超欠挖

每次爆破結束，待排險、出渣完畢后，測量人員進入現場，對開挖段進行測量，記錄超欠挖情況，最終形成斷面驗收報告。選取爆破設計優化前的30次洞室超欠挖記錄及爆破設計優化后的30次洞室超欠挖記錄進行對比，如圖8所示，優化前平均線超挖為24.68 cm，優化后為12.10 cm。

4.2 施工耗時

由于爆破設計優化前采用半幅開挖的方式進行施工且爆破效果不理想，導致施工工程中花費大量時間處理超欠挖以及重復相同工序（鉆孔、裝藥、聯網、起爆、通風排險、處理超欠挖、出渣及測量驗收）進行另外半幅施工，經現場統計：優化前，開挖的所耗時長達5.44 h/m，而優化后開挖僅耗時2.31 h/m。

5 結 論

（1） 通過計算控制最大單響藥量，將爆破對相鄰洞室圍巖的擾動控制在規范允許范圍內，保持了隧道圍巖的穩定，達到安全施工的目的。

（2） 通過調整炸藥單耗、周邊孔線裝藥密度、各孔位間排距等爆破設計參數，爆破設計得到優化，較優化前減少了49%的洞室平均線超挖。

（3） 導流洞上層Ⅳ類圍巖由半幅開挖改為全斷面開挖，提升了整體施工進度，降低了各施工工序的重復次數，較優化前減少了42.5%的每米循環掘進耗時，施工成本得到大幅度降低。

參考文獻：

[1] 高朋飛，劉陽春，傅菊根.瑯琊山隧道軟弱圍巖爆破施工技術[J]. 現代礦業，2016，32（11）：42-43.

[2] 陳瑞. 瑯琊山隧道大斷面軟弱圍巖爆破施工技術[J]. 煤礦爆破，2017（3）：25-29.

[3] 羅敏. 山嶺隧道光面爆破施工關鍵技術分析[J]. 施工技術，2018，47（增1）：783-786.

[4] 陳正林，蒲文明，陳釩，等.張家巖隧道水平層狀泥巖段爆破優化研究[J]. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2019，51（6）：865-872.

[5] 劉趕平. 大斷面隧道光面爆破設計[J]. 爆破，2019，36（2）：65-71，77.

[6] 郭建，李兵，劉桂勇，等.鉆爆法施工隧道超欠挖控制研究[J].工程爆破，2021，27（1）：80-84.

[7] 孟海利. 隧道分區爆破振動傳播規律試驗研究[J]. 鐵道建筑，2015（4）：50-54.

[8] 傅洪賢，趙勇，謝晉水，等.隧道爆破近區爆破振動測試研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30（2）：335-340.

[9] 楊年華，張志毅. 隧道爆破振動控制技術研究[J]. 鐵道工程學報，2010，27（1）：82-86.

（編輯：高小雲）

Optimization design of cavern blasting excavation with large cross-section in soft surrounding rock：an example of Mohmand Hydropower Station

in Pakistan

CHEN Yongjian TANG Cunjian ZHU Jiancheng

（1. China Gezhouba Group International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100025， China; 2. China Gezhouba Group No.3 Engineering Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China）

Abstract： Under the condition of soft surrounding rock， the cavern with large cross-section is usually excavated by sections and layers， which constraints on construction safety， quality and progress. In this paper， the diversion tunnel project of Mohmand Hydropower Station in Pakistan is taken as an example. On the basis of the excavation scheme of upper section of class Ⅳ surrounding rocks of the original cavern， the blasting design is optimized， and combined the monitoring data of blasting vibration， the maximum single blast charge is controlled and the section excavation scheme of the upper cavern is adjusted to full cross-section excavation for the upper cavern. The field blasting test results showed that： the residual rate of the optimized blasting construction scheme is more than 90%， and the average over-excavation of the tunnel is only 12.10 cm， thus reducing the amount of shotcrete. The optimized blasting design can not only ensure the quality and safety of the construction process， but also reduce the construction cost and speed up the construction progress.

Key words： weak surrounding rock; large cross-section; cavern excavation; smooth blasting; vibration monitoring; Mohmand Hydropower Station; Pakistan