復(fù)雜環(huán)境下引水隧洞控制爆破與液壓劈裂破巖技術(shù)研究

康蘭方， 冀玉豪， 王 琳， 梁 斌， 張文博

(1.中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛陽 471000； 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 洛陽 471000)

城市面積與人口的增長造成水資源緊缺，為保障水資源合理調(diào)配，需要修筑水利工程。城市復(fù)雜環(huán)境下引水隧洞施工斷面較小，周邊建筑物及地鐵管線較多，爆破施工不可避免地產(chǎn)生施工擾動(dòng)[1～3]。為解決這些問題，常采取控制爆破或非爆破方式進(jìn)行開挖。

控制爆破方式在我國工程建設(shè)上應(yīng)用廣泛，其施工方法及設(shè)計(jì)理論逐步趨于完善[4]。爆破法施工擾動(dòng)的大小取決于爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)速度及頻率。通常采用技術(shù)手段對爆破進(jìn)行控制，會(huì)取得良好的工程效果。在控制爆破方面，國內(nèi)專家進(jìn)行了大量研究。劉招偉等[5]以某城市地鐵區(qū)間雙線隧道工程為例，從爆破器材、掏槽形式、爆破片參數(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行了微振爆破工程的方案設(shè)計(jì)，解決了復(fù)雜條件下城市地鐵硬巖暗挖的開挖擾動(dòng)問題。錢耀峰等[6]運(yùn)用FLAC3D有限元軟件模擬了新建嶗山隧道爆破施工對既有仰口隧道的影響，提出了在斷層破碎帶采取超前支護(hù)、改變開挖方式等防止爆破振動(dòng)產(chǎn)生危害的施工控制措施。姚忠文等[7]以貴陽環(huán)城快速鐵路工程為實(shí)例，研究了下穿公路隧道爆破施工過程中路面沉降與爆破荷載的相關(guān)性問題，提出了臨時(shí)交通管制、超前支護(hù)等避免路面沉降的控制措施。

在實(shí)際工程中，對于采取爆破控制措施后相關(guān)指標(biāo)仍達(dá)不到國家規(guī)范要求的工程項(xiàng)目，需考慮采取非爆破開挖方式進(jìn)行施工。液壓劈裂法作為一種非爆破開挖方法，具有低擾動(dòng)、安全環(huán)保的特點(diǎn)。在實(shí)際工程中，常常將控制爆破與液壓劈裂兩種方法相結(jié)合使用，以達(dá)到嚴(yán)格控制振動(dòng)速度的目的。阮清林[8]以渝利鐵路長洪嶺隧道出口下穿江池鎮(zhèn)段工程為實(shí)例，采用了控制爆破和劈裂法相結(jié)合的開挖方法，保障了隧道下穿淺埋密集民房區(qū)段的順利實(shí)施。董輝等[9]以長沙市瀏陽河隧道工程為依托，采用三臺(tái)階鉆爆法與機(jī)械銑挖法相結(jié)合的控制爆破方法，保障了下穿河堤與河床不穩(wěn)定地段的隧道掘進(jìn)施工安全。程月紅等[10]以索山公園地下空間開發(fā)工程項(xiàng)目為實(shí)例，針對工程施工中所遇到的巖石硬度大、工期短、施工噪音污染嚴(yán)重等問題，提出了靜態(tài)劑破碎法，保障了工程順利實(shí)施。

本文以中交二公局四公司所承建的深圳鐵崗-石巖水質(zhì)保障工程石巖北清水隧洞工程為依托，針對復(fù)雜環(huán)境下引水隧洞的破巖掘進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行研究，在常規(guī)段采用控制爆破法進(jìn)行施工，以解決耗材量大、振動(dòng)速度大的技術(shù)難題，同時(shí)將液壓劈裂法應(yīng)用于近接穿越段施工，以滿足近接穿越段施工的振動(dòng)要求。

1 工程概況

深圳市鐵崗-石巖水庫水質(zhì)保障工程石巖北清水隧洞位于石巖外環(huán)路北側(cè)，全長728.957 m，呈東西走向。隧洞暗洞起點(diǎn)位于石巖外環(huán)路與坑尾大道交叉口北側(cè)，樁號K1+045.538；隧洞暗洞出口位于龍?zhí)豆潘矶次骺诒眰?cè)，樁號K1+774.495，隧洞與工作井通過頂管相連。清水隧洞施工分為常規(guī)控制爆破段與近接穿越液壓劈裂段，分段施工路線圖如圖1所示。

圖1 清水隧洞施工路線圖Fig. 1 Construction roadmap of clean water tunnel

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該工程地面高程介于30～110 m之間，隧洞埋深8.8～90.6 m，場地地層從上到下有第四系人工堆積層(Q4s)、第四系沖洪積層(Q4al+pl)、第四系風(fēng)化殘坡積層(Qel+dl)、白堊系燕山四期侵入巖(γβ3K1)。場地地層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土，巖石巖性為粗中粒黑云母花崗巖，場地內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。隧洞暗挖段穿越上軟下硬巖層或全硬巖層，洞身巖性主要為微風(fēng)化花崗巖。各施工段巖層情況與力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各施工段巖層情況與力學(xué)參數(shù)

該工程隧洞南側(cè)與龍?zhí)豆潘淼雷钚￠g距為26 m；隧洞在K1+635位置處上穿深圳市地鐵6號線，兩者結(jié)構(gòu)凈間距4.7 m，隧洞兩側(cè)出口處存在眾多建筑物，隧洞出口處與建筑物的間距在10～22 m不等。該工程隧洞斷面小，機(jī)械施工限制較多，又需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目，對施工周邊環(huán)境有著特殊要求。鑒于上述情況，為滿足該引水隧洞工程自然因素、周邊特殊環(huán)境以及工期要求，采用控制爆破與液壓劈裂相結(jié)合的施工方案。

2 常規(guī)段控制爆破法施工

2.1 炸藥性能參數(shù)

乳化炸藥不僅具有良好的爆炸性能和抗水能力，而且組成成分簡單，原料來源廣泛，加工簡便，不含具有炸藥性能的敏化劑，生產(chǎn)成本較其他炸藥低，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

石巖北清水隧洞主要穿越巖層以花崗巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，洞壁不穩(wěn)定，易坍塌變形。在隧洞開挖施工中，邊開挖邊支護(hù)。巖石硬度系數(shù)變化區(qū)間較大，通過巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測得硬度系數(shù)F=7～15，隧洞開挖斷面B×H=2.5 m×3 m，鉆爆孔孔徑42 mm、孔深2～2.25 m。采用2#巖石乳化炸藥和電子雷管爆破，炸藥性能技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 2#巖石乳化炸藥性能指標(biāo)參數(shù)值

2.2 爆破需解決的難點(diǎn)問題

石巖北清水隧洞爆破施工中發(fā)現(xiàn)，由于地質(zhì)原因，受到巖石夾制力影響，掏槽孔未能完全發(fā)揮作用，其殘孔長達(dá)50 cm，造成輔助孔及周邊孔、臨空面受限，爆破單循環(huán)進(jìn)尺在1.3 m左右。為保證掏槽孔深度達(dá)到預(yù)期效果，需增加掏槽孔裝藥量，但周邊建筑物震動(dòng)檢測超標(biāo)。因此，需對爆破進(jìn)行控制優(yōu)化，減少爆破用藥量和降低振動(dòng)速度，以達(dá)到預(yù)期的爆破效果。

2.3 爆破施工方案

2.3.1 施工工藝流程

控制爆破施工流程圖如圖2所示。

圖2 控制爆破施工流程圖Fig. 2 Flow chart of controlled blasting construction

2.3.2 施工參數(shù)

為保證爆破效果并降低振動(dòng)，對爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，在實(shí)施過程中根據(jù)圍巖變化、巖石硬度、巖石節(jié)理對掏槽形式、掏槽孔數(shù)量及分布模式、裝藥方式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[11-12]。

2.3.2.1 孔距與抵抗線參數(shù)

(1) 最小抵抗線為最外圈輔助孔與周邊孔的孔距，其值由炮孔孔徑?jīng)Q定，按式(1)計(jì)算得出。

W=(10～20)×d

(1)

式中：W為最小抵抗線長度(mm)；d為炮孔孔徑(mm)。

(2) 得出最小抵抗線后，根據(jù)式(2)即可計(jì)算出周邊孔的間距。

E=K×W

(2)

式中：E為周邊孔間距(mm)；K為炮孔密集度系數(shù)，K值過小會(huì)形生超挖現(xiàn)象，過大則會(huì)形成欠挖，其值一般在0.8～1.0之間，當(dāng)巖石硬度較大時(shí)取大值，巖石硬度較小時(shí)取小值[13]。

結(jié)合引水隧洞工程地質(zhì)條件及特點(diǎn)，通過前期試驗(yàn)性施工的效果和爆破數(shù)據(jù)分析，確定最小抵抗線長度W=50 cm，周邊孔間距E=40～50 cm。

2.3.2.2 掏槽孔與裝藥參數(shù)

由于巖石巨大夾制力，掏槽孔爆破效果并不明顯，需將掏槽方式由直掏槽改為水平楔形布置，并將炮孔布置進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)整后的掏槽形式與炮眼布置如圖3所示。增設(shè)楔形淺直炮孔作為第一級爆破掏槽，因其裝藥量小，不會(huì)引起較大的振動(dòng)，爆破后能改善下一級斜掏槽的臨空面條件。同時(shí)，結(jié)合電子數(shù)碼雷管進(jìn)行微差延時(shí)錯(cuò)峰爆破，可實(shí)現(xiàn)減振與高效雙收益。

(a) 炮孔布置正視圖

掏槽孔采用連續(xù)、耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮炸藥作用；周邊輔助孔采用不連續(xù)、不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，既減少了炸藥量，又達(dá)到了剝離巖石的效果。各鉆孔布置參數(shù)以及裝藥量如表3所示。

表3 爆破孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.3 爆破工程減振措施

通過收集現(xiàn)場信息、觀察爆破效果，結(jié)合相關(guān)研究進(jìn)行爆破減振[14-15]。

(1) 采用微差爆破。對于一個(gè)大的爆源，將其變成若干小爆源，在總裝藥量不變的情況下，爆破振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)大大降低，主振頻率相應(yīng)提高，從而減少了爆破振動(dòng)的破壞作用。因此，可采用電子數(shù)碼雷管進(jìn)行分段微差爆破。

(2) 爆破前對臺(tái)階面和底部根坎進(jìn)行清理。若巖石鉆孔受爆前存在大量壓渣，會(huì)使巖體約束加強(qiáng)，將有更多的振動(dòng)能量傳入保存在巖體中。這樣雖然可以提高巖石破碎程度，但振動(dòng)速度會(huì)增大，不利于保護(hù)物的安全，所以應(yīng)避免壓渣爆破。

(3) 控制主振頻率。一般來說，保護(hù)物的自振頻率比較低，爆破引起的主振頻率與保護(hù)物主振頻率相近，容易引起共振，從而產(chǎn)生破壞。為此，需采取縮減單響最大起爆藥量和縮短延遲時(shí)間等方法，以增大主振頻率，提高安全性。

(4) 挖減震溝或預(yù)裂爆破。制造空氣間隔交界面，可以使得爆破振動(dòng)的傳播大幅減小。同時(shí)，制造溝槽或預(yù)裂面，能夠有效削弱到達(dá)地表的瑞利波，這對減小保護(hù)物后側(cè)的振動(dòng)速度有著明顯作用。

2.4 爆破振動(dòng)檢測

針對施工中的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在采取相應(yīng)的爆破工程減振措施后，爆破振動(dòng)速度有了明顯減小。爆破現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：廠房基礎(chǔ)振動(dòng)速度為0.23～0.31 cm/s，門崗基礎(chǔ)振動(dòng)速度為0.22～0.33 cm/s，爆破整體振動(dòng)速度控制在2 cm/s以下，達(dá)到了預(yù)期的控制爆破效果與振動(dòng)速度要求。

2.5 技術(shù)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

(1) 爆破前首先對巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，了解巖石力學(xué)特性，合理安排施工，這樣能夠避免對周邊環(huán)境產(chǎn)生過大的影響，以及因管線爆裂、燃?xì)庑孤┑葘?dǎo)致次生災(zāi)害的發(fā)生。

(2) 在隧洞頂部工作面劃出輪廓線，標(biāo)出每個(gè)炮孔位置，由專人指揮進(jìn)行鉆孔施工，以確保鉆孔要求符合技術(shù)要求。

(3) 鉆孔后不得立即進(jìn)行裝藥，應(yīng)等待孔壁溫度冷卻至安全溫度后再進(jìn)行裝藥作業(yè)。裝藥前，必須用高壓風(fēng)管輸入高壓風(fēng)，將炮眼石屑刮出和吹凈。

(4) 乳化炸藥具有一定的危險(xiǎn)性，接觸炸藥時(shí)，操作人員必須佩戴手套、眼罩等防護(hù)設(shè)備。鉆孔內(nèi)裝藥時(shí)，操作人員必須保證拉穩(wěn)藥包提繩，并配合送藥桿進(jìn)行作業(yè)。裝藥后，應(yīng)避免擠壓和沖擊，以確保人員安全。

(5) 采用準(zhǔn)確可靠的復(fù)式網(wǎng)路進(jìn)行起爆。起爆網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)時(shí)，應(yīng)避免導(dǎo)爆管打結(jié)和拉細(xì)，以保證各個(gè)炮眼、雷管連接次數(shù)相同。在引爆雷管前，用黑膠布將一簇導(dǎo)爆管在離自由端10 cm以上處包扎起來。起爆網(wǎng)路聯(lián)結(jié)完成后，安排專業(yè)人員進(jìn)行檢查。

(6) 爆破后15 min進(jìn)行盲炮檢查。若發(fā)現(xiàn)盲炮，應(yīng)及時(shí)設(shè)立安全警戒線并報(bào)告技術(shù)人員，交由技術(shù)人員處理。

3 近接穿越段液壓劈裂法施工

3.1 近接施工安全分析

當(dāng)隧洞采取控制爆破法施工至與其他管線交叉段時(shí)，爆破振動(dòng)仍然會(huì)對周邊建筑物以及臨近管線產(chǎn)生一定的安全隱患。

目前，國內(nèi)主要用《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的大小來表示爆破振動(dòng)的強(qiáng)度[16]?？筛鶕?jù)薩道夫斯基公式計(jì)算振動(dòng)速度，再根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。

(3)

式中：V為測點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；K為場地系數(shù)；Q為最大單段炸藥量(kg)；R為測點(diǎn)與爆破位置的距離(m)；α為衰減系數(shù)。其中K、α的取值見表4。

表4 爆區(qū)不同巖性K、α值

由薩道夫斯基公式計(jì)算得到最不利情況下的振動(dòng)速度峰值為36.83 cm/s，大于規(guī)范中關(guān)于水工隧洞振動(dòng)速度的要求?？梢姡刂票品ㄊ┕げ⒉贿m用于近接穿越段，應(yīng)采取液壓劈裂法代替控制爆破法進(jìn)行施工。

3.2 液壓劈裂施工

在近接穿越段采用液壓劈裂法施工中，液壓巖石劈裂器劈裂力最大可達(dá)700 t，劈裂縫寬為25～30 mm，孔徑為40～55 mm。為方便劈裂鉆孔施工，可搭設(shè)臺(tái)架，將鉆取芯深度增大至2 m，巖心鉆孔取芯使用YT-28鉆機(jī)。鉆孔取芯后，對鉆孔中碎石灰塵進(jìn)行清理，再將液壓劈裂器槍頭插入孔內(nèi)，液壓劈裂器調(diào)整好后，由油泵輸出高壓油驅(qū)動(dòng)油缸，產(chǎn)生的巨大推力施加于巖石孔壁，使得孔壁兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力，巖石發(fā)生劈裂破壞，劈裂裂紋擴(kuò)展使得巖石被劃分為大塊巖石，從而達(dá)到劈裂破壞的目的。

3.3 鉆孔及臨空面布置

為省去臺(tái)架搭設(shè)，方便施工進(jìn)行，劈裂法施工中采用上下臺(tái)階法開挖。上臺(tái)階開挖采用150 mm水磨鉆咬合鉆孔，開挖輪廓面，以防止巖石內(nèi)部微小裂紋擴(kuò)展至非開挖區(qū)域，上臺(tái)階掌子面中部預(yù)設(shè)兩個(gè)劈裂孔，增加臨空面，用以劈裂巖石塊。上臺(tái)階先行開挖一定距離后，下臺(tái)階未開挖部分可作為平臺(tái)使用，之后下臺(tái)階與上臺(tái)階開挖進(jìn)度保持同步。下臺(tái)階開挖采用水磨鉆沿隧洞拱腰向下鉆取至底面，并在中線位置平行鉆開一條縫，為劈裂巖石提供臨空面，之后沿中線左右兩側(cè)對稱布置兩個(gè)劈裂孔，將下臺(tái)階巖石劈裂成塊后運(yùn)送至指定位置。劈裂鉆孔布置如圖4所示。

圖4 液壓劈裂施工現(xiàn)場圖Fig. 4 Hydraulic splitting site construction

3.4 施工注意事項(xiàng)

(1) 將水磨鉆設(shè)備固定在臺(tái)架上，確定前端位置及掌子面中心點(diǎn)，將兩個(gè)水磨鉆機(jī)安裝就位，通過調(diào)整螺旋來保證兩個(gè)水磨鉆機(jī)長度一致。

(2) 當(dāng)水磨鉆鉆取巖芯到達(dá)預(yù)定位置后，緩慢拉出水磨鉆，輕輕敲擊巖體，使其與母巖斷開，避免母巖破碎后坍塌。

(3) 利用水磨鉆在周邊輪廓線上以咬合鉆孔的形式鉆取巖芯，形成開挖臨空面。之后采用液壓劈裂機(jī)自內(nèi)而外劈裂巖體，劈裂完成后由人工進(jìn)行撬落。

(4) 劈裂過程大約30～60 s，劈裂完成后應(yīng)及時(shí)使用風(fēng)鎬、撬杠將碎石剝離，避免落石產(chǎn)生危險(xiǎn)。劈裂后若產(chǎn)生較大巖石塊，可進(jìn)行二次破碎，以方便搬運(yùn)、清理。

(5) 施工過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生超挖、欠挖現(xiàn)象，后續(xù)可對開挖斷面進(jìn)行修邊，將坑面或突出面進(jìn)行平整化處理，使引水隧洞符合正常設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 施工效果

4.1 爆破段施工效果評價(jià)

該工程在K1+048-580、K1+690-710、K1+740-773施工段采用控制爆破法施工，共計(jì)588 m。在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)掏槽孔未發(fā)揮完全作用，殘孔長度過長，并且存在部分孔炸藥拒爆現(xiàn)象，炸藥單耗量也高達(dá)到4.5 kg/m3。后續(xù)通過調(diào)整掏槽形式、掏槽孔數(shù)量及分布模式、裝藥方式，最終在實(shí)際爆破工程中達(dá)到了理想的巖石剝離效果，炸藥單耗量降低至2.5～3.1 kg/m3，日掘進(jìn)里程由原來的2.4 m提升至3.2 m。爆破后效果如圖5所示。

圖5 控制爆破法實(shí)施效果圖 Fig. 5 Effect diagram of controlled blasting method

4.2 近接穿越段施工效果評價(jià)

K1+580-690、K1+710-740施工段存在建筑物以及既有管線，采用控制爆破法施工仍會(huì)引起較大的振動(dòng)。為了保障施工安全，采用液壓劈裂法代替控制爆破法進(jìn)行施工。采用液壓劈裂法在K1+580-690、K1+710-740施工段共施工140 m，日掘進(jìn)2.4～3.6 m，取得了較好的實(shí)施效果(如圖6所示)。

圖6 液壓劈裂法實(shí)施效果圖Fig. 6 Effect diagram of hydraulic splitting method

從工程實(shí)際應(yīng)用情況來看，兩種破巖施工方法均取得了良好的效果。調(diào)整后的控制爆破法，減少了爆破耗材的用量，降低了爆破振動(dòng)速度，達(dá)到了預(yù)期的巖石剝離效果。液壓劈裂法應(yīng)用于近接穿越段隧洞施工中，隧洞圍巖幾乎不發(fā)生位移，施工過程相對靜止，不產(chǎn)生任何振動(dòng)，對于周邊構(gòu)筑物的保護(hù)表現(xiàn)出色，具有良好的工程應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

深圳市鐵崗-石巖水庫水質(zhì)保障工程清水隧洞建設(shè)項(xiàng)目位置特殊，隧洞路線周邊環(huán)境復(fù)雜，涉及與既有隧道的近接穿越，施工條件苛刻。為保護(hù)既有隧道、周邊構(gòu)筑物以及保障工期，采用控制爆破與液壓劈裂相結(jié)合的方法進(jìn)行施工。

(1) 常規(guī)段施工采用控制爆破法。為減少爆破振動(dòng)、優(yōu)化爆破效果，對掏槽形式、掏槽孔數(shù)量及分布模式、裝藥方式進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后掏槽孔作用充分發(fā)揮，炸藥單耗量大量減少，振動(dòng)速度明顯降低，日掘進(jìn)里程得到提升，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。

(2) 近接穿越段施工采用液壓劈裂法。利用液壓劈裂法在隧洞施工中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)的特點(diǎn)，能夠有效保障周邊構(gòu)筑物的安全，使得開挖斷面得到精確控制，具有較快的破巖掘進(jìn)速度。

(3) 復(fù)雜環(huán)境下引水隧洞施工中，針對不同施工工段要求，通過施工技術(shù)優(yōu)化，解決了堅(jiān)硬巖石破巖掘進(jìn)速度慢、施工擾動(dòng)大的技術(shù)難題。該項(xiàng)目的順利實(shí)施可以為后續(xù)類似引水隧洞施工提供借鑒。