小斷面鉆爆法在水庫連通工程中應用分析

石瑋薇

（新疆建源工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新建水庫輸水管線工程位于新疆吉木薩爾縣,主要內容為新建一條連接小龍口、東大龍口、泉溝、東二畦、南壩、貢拜溝等六座水庫的輸水管線46.98 km 及附屬建筑物,本工程年引水量982.14 萬m3。工程等別為Ⅴ等,工程規模為小（2）型,管線及建筑物級別為5 級。其中共計超過17.8 km 需開挖隧洞,由于供水規模較小,因此設計采用小斷面（2.5 m×2.8 m）鉆爆法進行施工。工程隧洞開挖斷面在6.5 m2左右,采用全斷面一次開挖爆破形式掘進,受制于隧洞斷面,只能采用單車道梭礦車廂運輸石渣,在一旁設置人行道。其中梭礦車載重量20 t,由電車牽引；人行道寬度設計79 cm,下方設排水溝,隧洞上方的照明、通風、動力線管必須簡潔明了,不得交叉搭接[1]。

2 小斷面鉆爆法應用設計和施工

2.1 爆破參數設計

2.1.1 炮孔深度設計

炮眼深度主要根據工程地質條件、鉆孔機具類型來設計,由于本項目隧洞斷面面積小,打孔機具為氣腿式手風鉆。設計在Ⅰ～Ⅲ圍巖中,鉆孔深度為最大2.5 m（實際施工為2.5 m）；Ⅳ～Ⅴ圍巖中,鉆孔深度最大不超過2.0 m（實際施工為2.0 m）[2]。

2.1.2 各類炮眼參數設計

（1）掏槽眼設計

掏槽眼分布合理與否對于開挖進尺有著重要意義。由于手持設備功率小,因此本項目設計掏槽眼規格為φ45 mm,分布形式為平行直眼。針對Ⅲ～Ⅳ類圍巖,本項目設計采用“四小空孔掏槽”,布置示意圖見圖1。經過實踐得到炮眼利用率超過了90%,效果很好[3]。

圖1 “四小空孔掏槽”布置示意圖（單位：cm）

針對于Ⅰ～Ⅱ類完整堅硬圍巖,若依然采用“四小空孔掏槽”則會增加殘眼率,所以本項目將其改進為“兩大空孔掏槽”,大孔規格φ102 mm,布置示意圖見圖2。經過實踐得到炮眼利用率超過了93%,效果很好,但打鉆花費時間是小孔的3 倍以上[4]。

圖2 “兩大空孔掏槽”布置示意圖（單位：cm）

（2）周邊眼設計

本項目采用光面爆破,可顯著減少人工開挖量,大大增加掘進速度。依據大量實踐經驗：周邊眼的炮孔間距a=（10～15）D,其中D 為炮孔直徑,取值45 mm；參考其他相似工程經驗,得出本項目周邊眼布置參數,見表1[5]。此外,周邊眼也為平行直眼。

表1 光面爆破周邊眼參數參考值

（3）輔助眼設計

輔助眼和周邊眼的間距為周邊眼的最小抵抗線值,依據本項目圍巖類型（以Ⅲ類圍巖為主）,輔助眼與周邊眼距離設計為400 mm～500 mm；輔助眼孔距為700 mm～800 mm。

2.1.3 各類炮眼裝藥結構設計

針對掏槽眼和輔助眼,本項目設計采用連續不耦合裝藥形式,見圖3,經過現場試驗確定不耦合系數B=1.5。在此需要說明：當炮眼深度小于2.0 m,所有藥卷規格均為φ32 mm；若深度超過2.0,則底部藥卷直徑應增大至35 mm。孔口要用炮泥堵塞嚴密,堵塞長度40 cm,微差毫秒雷管安置在底部。

圖3 連續不耦合裝藥示意圖

周邊眼裝藥形式為間隔不耦合裝藥,見圖4,藥卷間距300 mm。經過現場試驗確定不耦合系數B=2.0。周邊眼孔口也需用炮泥堵塞,堵塞長度40 cm。注意在連接導爆管時確保不存在打結、拉細等情況,利用黑膠帶將雷管捆扎在導爆管上,纏繞長度15 cm。

圖4 間隔不耦合裝藥示意圖

2.2 通風參數設計

2.2.1 所需風量計算

足夠的通風量是保證隧道安全施工的基礎,由于本項目隧洞開挖斷面面積小,且最大長度為3.2 km,通風排煙較為困難,對所需風量要進行嚴格計算。在此通過以下三種方式分別計算所需風量,取其中最大值作為選取通風設備標準。

（1）由人員數量確定風量V1

由人員數量計算所需風量[6]：

式中：v0為每人每分鐘所需新鮮風量,取值3 m3；m 為隧洞內最多人員數量,取值11；k 為富余系數,取值1.15。

經計算V1=37.95 m3/min。

（2）由排煙需求計算風量V2

由于本項目為壓入式通風方式,所以相關風量V2：

式中：t 為通風時間,min；Q 為最大同時爆破時炸藥量,kg；S 為隧洞斷面面積,m2；L 為洞口至工作面最大長度,m。

得到的結果見表2[7]。

表2 壓入式排煙需求計算風量

考慮到本項目斷面面積小,隧洞長度大,設計排煙通風時間不少于90 min,因此要求的最大通風量為174.2 m3/min。

（3）由洞內最小風速計算風量V3

洞內最小風速計算風量V3：

式中：vmin為隧洞內允許最小風速,取值0.15 m/s；Smax為隧洞斷面面積,取值6.5 m2。

經計算本項目V3≥58.5 m3/min。

綜合分析：本項目隧洞排渣、襯砌施工時日常通風量不小于58.5 m3/min,在爆破后排煙風量不小于174.2 m3/min。

2.2.2 通風設備的選擇

（1）風機的選擇

在排煙時所需風量最大,因此在選擇風機時必須要求去吹風量大于該值。參照其他工程經驗并結合實際情況,選擇BKJ（KJ）66-11-No4.5 型軸流風機,額定功率8 kW,葉輪直徑450 mm,轉速2900 r/min,流量范圍在170 m3/min～260 m3/min,完全能滿足本項目需求。

（2）通風管的選擇

由于隧洞斷面較小,為避免通風管影響施工,本項目設計將通風管置于隧洞上拱位置,通風管規格為φ500 mm 鋼管,經濟風速為6 m/s～14 m/s,對應的經濟風量為71 m3/min～156 m3/min,滿足除爆破排煙外的其他施工需求,而爆破排煙時需要加大風機功率。

（3）通風量驗算

由于通風管也存在漏風問題（漏風率為1%）,需要驗算通風量V0：

式中：V0為風機需要產生的風量,m3/min；V 為工作面所需要的最大風量,取值174.2 m3/min；P 為100 m 通風管最大漏風量,取值2.6 m3/min；L 為通風管長度,取值3000 m。

計算得出V0=252.2 m3/min,該值小于所選風機所能產生的最大流量260 m3/min,說明所選設備滿足本項目施工要求。

3 結語

小斷面隧洞施工在水利工程中及其常見,而爆破法是最常用的掘進形式。由于圍巖條件不同,因此其諸如鉆孔長度、裝藥量、鉆孔間距等主要參數均存在很大差別。工程主要將理論和實踐相結合,在施工中靈活調整,最終才能使炮眼利用率維持在85%以上,取得了較好的使用效果,但需要說明在實際施工時,切不可完全照搬其他工程經驗,否則會影響工期和爆破效果。同時,項目在實施過程中也存在施工速度慢、各工種銜接不緊湊導致小范圍塌方等問題,故在施工管理上也應當嚴格要求。