水系連通工程光面爆破施工工藝研究

薛金標

(福建省水利水電建設有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

水系連通工程能夠將新增調水能力，提升城市供水保障水平，確保居民生活用水安全，因此實施水系連通工程具有重要意義[1-2]。引水隧道的開挖是大型水系連通工程的必要工程措施，而不同的隧道開挖工藝會對工程質量有明顯影響，較差的施工工藝會導致引水洞后期服役時間短，甚至出現垮塌等工程災害，因此研究隧道開挖施工工藝十分必要[4-5]。

陶立明[6]針對隧道工程中的淺埋暗挖施工技術展開了深入分析；魏星[7]分析了淺埋黏土層大跨度隧道施工要點；王明明等[8]利用數值模擬對隧道施工對樁基托換之后的橋樁結構進行分析；魯美等[9]研究了公路下方隧道開挖涉路工程及控制要點；欒純立等[10]對設計圖紙、周邊環境、工程地質條件等方面進行分析，歸納出了在地下鐵路保護區的明挖隧道施工防護對策，從而有效地克服了在保護區中開挖的困難；李軍懷[11]對水利工程隧洞開挖施工技術進行相應的論述，并提出科學有效的質量控制措施。此外還有學者對不良地質條件下隧道開挖方法進行了研究[12-13]。

爆破是當前石質圍巖隧道開挖的主要方法。其中，光面爆破是常見技術之一，該技術在1952年由加拿大第一次采用。光面爆破技術分區分段進行微差爆破，保證了爆炸后的輪廓線滿足設計的需要，并可使臨空面規則、平整，因此得到廣泛運用[14]。然而目前由于我國工程地質條件復雜，不同的光面爆破工藝在不同工程條件下有明顯差異性，因此需要因地制宜提出相應的施工方法。本文以福鼎市東南沿海河庫水系連通工程為例，從隧洞開挖施工方法、光面爆破施工工藝、爆破安全距離計算等多個方面進行了研究分析并提出施工工藝，根據實際工程情況確定爆破開挖模型，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

福鼎市東南沿海河庫水系連通工程主要建筑物共包含4段輸水隧洞、4段輸水管道以及1條施工支洞。4段輸水的隧洞總長度為13.321km，其中柴山—牛頭坑輸水隧洞(1#隧洞)長4214.5m、牛頭坑—四斗庵輸水隧洞(2#隧洞)長5420.9m、四斗庵—鳳谷輸水隧洞(3#隧洞)長2187m、鳳谷—逍遙谷隧洞(4#隧洞)長1747.5m。隧道的開挖截面采取“城門型”，其寬度為2.4m，高為2.4m。4段輸水管道全長為508.8m，采用DN1600型號的單根鋼管，牛頭坑管道長為103.8m、四斗庵管道長82.9m、鳳谷管道長72.6m、逍遙谷管道長249.5m。施工便道包括新建道路(寬4m)7.5km，改擴建施工道路(寬4m)0.28km，現狀水泥道路損壞修復5km。

3 隧洞開挖施工方法

本工程適用于洞室開挖光面爆破施工，采取全斷面和鉆爆法對隧洞進行開挖，爬渣機裝車，運輸使用翻斗車。如果遇到軟弱地段(坍塌、裂隙、節理發育等)采取“錨網噴、鋼支撐”等臨時性支護技術，施工全過程遵循“爆破弱、支撐強、進尺短、監測勤”的施工方針，采取全斷面方式對隧洞進行開挖，在施工時要注意控制周邊眼的方位，減少超欠挖，并采取微差爆破技術，盡可能增加雷管的微差段，使每1段的炸藥用量減少，從而減小震動效應，能有效降低圍巖條件差地段穩定性的影響。全斷面的施工工藝如圖1所示。

圖1 全斷面施工工藝

4 光面爆破施工工藝

4.1 鉆眼

鉆工需要對炮孔分布圖有一定的了解，并能對鉆具進行熟練操作，特別是對鉆孔周圍，要有專門的人員在臺車上指揮，保證周邊眼外接的角度，外接角度通常不會大于2～3°，盡量保證2個炮口臺階不超過15cm。同時，要確保炮眼底部處于同一水平面上，必須根據工作面的巖層高低、孔眼的部位調整炮孔的厚度。掏槽眼比輔助眼眼底深10cm。

4.2 鉆爆設計

(1)設計原則

針對工程的實際情況，從開挖進尺、爆破開挖、爆破設備等方面進行了爆破方案的編制。根據巖體的特點，合理選擇最小抗拒線和周邊眼的距離，使輔助眼與周邊眼的水平方向保持一致，并使挖槽深度達到20cm。

(2)鉆爆參數的選擇

用爆破試驗測定爆破的參數，試驗時參數參考見表1。

表1 光面爆破參數

(3)掏槽方式

掏槽采用斜眼鍥型，可降低鉆眼數目，縮短鉆孔周期，加快施工進度。

(4)裝藥結構及堵塞方式

裝藥結構：用小口徑的藥片對周邊眼進行持續的裝填，在巖石非常柔軟的情況下使用引信。

堵法：將裝炸藥的炮孔用泥漿封起來，周圍孔的阻塞長度應超過40cm。

(5)爆破效果監測及爆破設計優化

檢驗爆破坑的完好性，硬巖是否達到80%以上，中硬巖是否達到60%以上；二次爆炸的聯結階梯高度小于10cm。

爆破設計優化：對每1次爆破的爆破結果進行檢驗，通過對影響因素的分析，對其進行調整，以改進爆破的技術和經濟效益；根據節理裂縫的發展、巖性軟硬度等因素，調整眼間距、用量，尤其是周邊眼；采用了對破碎后的碎屑粒徑進行了修正。小粒徑表明副眼密度大，而塊度大表示為分布稀薄；根據基坑表面的不平狀況，對鉆孔深進行微調，以保證爆眼在同一剖面上。

(6)清孔

在裝炸藥前，先用彎形的鋼制槍鉤和較大口徑的高壓力空氣管道把石塊排出。

(7)裝藥

按照計劃的要求，從上往下進行裝藥，雷管要與標號相符。用炮泥封住裝有炸藥的炮眼，堵塞長度應該大于20cm。4個空眼，每個眼的直徑是75mm，其它眼的直徑是45mm；采用微差爆破技術引爆。

(8)連接起爆網絡

采用復式網絡結構，在接頭時應留意：不能拉伸并擰緊導爆管；每1個炮眼雷管的接頭次數必須是一樣的；起爆雷管用一條黑色膠帶包裹，并與1根導爆管的1根自由端保持10cm的距離。

5 隧洞開挖采用光面爆破技術措施

為了有效地防止超欠挖，減小隧道內的粗糙度，在施工難度大的地區采用了弱爆破法。根據開挖斷面、開挖方法、地質條件、掘進周期進尺等確定光爆炸方案，經審批通過后，嚴格按照圖紙要求進行施工，并根據實際情況對相關的工藝參數進行調整。從斷面輪廓上挖出的外圍孔洞呈放射狀分布，外張量不超過20cm。提高鉆眼、畫線的精度，特別是周邊眼的精確度是超低開挖最重要的原因，必須對標中線高程進行細致的測量，并精確地繪制出基坑的輪廓線。采取早期合理的施工措施，及早閉合，以有效地減少圍巖體的變形，減少暴露時間，強化對圍巖的監測。

6 爆破設計

6.1 裝藥量計算

本工程隧洞寬度B為2.4m，隧洞高度H為2.4m，斷面積S約為5.142m2。每1掘進循環總藥量按下式計算：

Q=qSLη

(1)

式中，q—單位的炸藥消耗量，一般取1.50kg/m3；S—隧洞掘進斷面，取6.4m2；L—炮孔深度，取2.2m；η—炮眼利用率，取0.8。

6.2 單孔裝藥量計算

挖槽的單孔裝藥量：由于掏槽眼與工作平面呈豎向關系；掏槽眼長是2.2m。炮孔的使用率為0.8，其裝藥長度是1.8m，單孔的藥量就是1.4kg。

不同眼的單孔裝藥量也不同：周邊眼的裝藥量是按爆炸需要計算，w是最小的周邊眼抵抗線，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取600mm，單孔的藥量是0.95～1.1kg；底眼的炮孔裝藥系數是0.7，炮孔的裝藥長度是1.8m，單孔藥量是1.3kg。

7 鉆孔設計

掏槽形式：因該項目斷面積是4.95m2，截面積小，橫截面巖體強度為6～12，故掏槽方式建議采用水平桶形，其掏槽眼隔為0.4～0.6m；排距為0.4m。與工作面垂直；掏槽眼長2.5m。炮眼利用率是0.8，炮孔裝藥長2m，單孔藥量是1.5kg。

周邊眼的參數為：炮眼孔距為0.5～0.6m，深度是2.2m，按爆破條件，最小的周邊眼抵抗線w，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取0.6m。根據周圍井的爆破要求，炮孔裝藥的長度為0.6m，單孔的藥量是0.45kg。

輔助眼參數：工作面與輔助眼垂直，炮眼的深度是2.2m，根據實際剖面尺寸，采用均勻的開孔方式，孔徑為0.6～0.8m，排距是0.8m。

底眼參數：依據底眼拋擲作用的需要，將底部鉆孔的位置朝下，底面要比底眼眼底高200mm，因此底眼炮眼的長度是2.45m，孔距是0.6～0.7m。布孔的具體方式，可以依據斷面大小及巖石結構進行相應的調節，如圖2所示。

圖2 鉆孔布置圖

8 爆破安全距離計算

本工程采用隧道施工，隧道內的沖擊波、飛石均受限于隧道入口的方位影響，隧洞口的安全間距為300m(即新挖出的工作面)，其后可根據施工的安全范圍適當地向后推進。按照GB 6722—2014《爆破安全規程》，隧道開挖和開挖時，隧道的振動速度為4cm/s，此次設計的隧道開挖最大劑量為21kg，并采用了分段起爆。由爆炸產生的振動速度可采用如下公式進行計算：

(2)

式中，Qmax—最大單次爆炸，kg；R—爆心距，即爆破中心的測距，m；K—介電性的因子，通常取150；V—一個媒質的振蕩速率，一般取4cm/s；a—地震波衰減系數，通常取1.5。不同質點計算結果見表2，得出了40m的最大炸藥用量為45.51kg，本項目的防震安全距離應該大于40m，而剖面最大爆炸量為21kg，且采取了分段起爆，故本項目的爆炸劑量設計滿足了地震安全距離的規定。

表2 爆破安全距離計算結果

9 隧洞施工監控測量

地質超前預測工作應當能夠正確判斷水文地質、工程地質情況，圍巖等級，并給出了施工中應注意的問題和建議、方法等。隧洞易出現特殊的地質現象，應重視隧洞掌子面超前地質預報，隨時觀測監控。同時，在工程中，施工現場的技術人員要專門負責觀察圍巖情況，發現有任何不正常的現象時，人、機立即撤至安全地區，確保安全。具體觀測要求如下。

9.1 圍巖觀測

觀測斷面應垂直隧洞軸線，布置在基巖最差、結構型式有代表性的部位，同時應考慮這些部位布線的簡易及后期隧洞內水位變化的影響，圖2中布點位置可根據實際圍巖地質構造及支護情況適當調整。同樣的圍巖觀測斷面應平等布置2個以上，距離靠近，同時觀測，觀測結果取2個斷面的平均值。對于穩定性較差的Ⅴ類圍巖及斷層帶，需在隧洞斷面1/4頂拱處布點觀測。圍巖覆蓋層較薄的隧洞段，除在隧洞內布設觀測儀器外，還應在相應地表布置測點，以監測巖體穩定性。測量項目B、C項的初次讀數，應在施工后12h內完成，并在下一掘進前完成。測量項目B、C項的觀測頻率要求見表3。

表3 測量項目B、C項的觀測頻率要求

9.2 襯砌體觀測

在襯砌體的主受力鋼筋上，在相同的測點處設置2～3個鋼筋，并在靠近鋼筋的混凝土埋設無應力計和應變計，觀測結果應相互印證、協同分析。2次襯砌在圍巖及前期變形基本趨于平穩且滿足以下3個條件的情況下進行：①在平孔附近的水平收斂速度低于0.2mm/d或拱頂塌陷速度低于0.1/d，此時隧道周邊變形收斂速度、拱頂或基底豎向移動速度均顯著降低；②水平孔的相對位移達到預測的總變形相關量的90%；③當噴射砼出現大量裂縫，或者位移量已達預計總位移量的70%而收斂速率仍無明顯下降時，應立即采取補強初期支護措施。

10 結論

本文以福鼎市東南沿海河庫水系連通工程為例，從隧洞開挖施工方法、光面爆破施工工藝、爆破安全距離計算等多個方面進行了研究分析并提出了施工工藝，根據實際工程情況確定爆破開挖模型。研究認為，施工全過程遵循“爆破弱、支撐強、進尺短、監測勤”的施工方針，隧洞開挖采取“全斷面”開挖方式，在施工時要注意控制周邊眼的方位，減少超欠挖，并采取微差爆破技術，盡可能增加雷管的微差段，使每1段的炸藥用量減少，從而減小震動效應，能有效降低對圍巖條件差地段穩定性的影響。