穿黃隧洞工程爆破施工安全技術(shù)措施應(yīng)用探討

蔣學(xué)武，戴永翔

（南水北調(diào)東線穿黃工程北區(qū)建管局，山東聊城 252000）

1 工程概況

穿黃隧洞位于山東東平縣和東阿兩縣境內(nèi)，從黃河兩岸較窄的解山與位山之間隱伏的馬鞍型河床基巖中穿過(guò)，最大埋深達(dá)60 m，斜井段在黃河北大堤下埋深約為40 m。隧洞為鋼筋混凝土襯砌倒虹吸隧洞，洞徑7.5 m，設(shè)計(jì)輸水流量 100 m3/s。隧洞包括：南岸豎井段 50.83 m、過(guò)河平洞段 307.17 m、北岸斜井 166.03 m、進(jìn)口埋管 31.42 m、出口埋管 29.93 m，全長(zhǎng) 585.38 m。

隧洞斜井、豎井段上部巖層主要為寒武系崮山組灰?guī)r夾頁(yè)巖，巖層風(fēng)化厚度大，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，屬I(mǎi)V類圍巖，開(kāi)挖施工中易出現(xiàn)塌方；斜井、豎井下部及平洞段巖體為張夏組豹皮灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r，圍巖完整性較好，屬于III～I(xiàn)I類圍巖。根據(jù)探洞開(kāi)挖查明，隧洞所穿圍巖有斷層13條，產(chǎn)狀多為北東走向，寬度在 0.5～3.0m 之間，圍巖破碎，多發(fā)生滲（涌）水，屬I(mǎi)II～I(xiàn)V類圍巖。隧洞由于斷層和垂向裂隙切割較深并伴有不同程度的溶蝕現(xiàn)象，使得隧洞段黃河水、孔隙水和巖溶裂隙水“三水連通”，因此隧洞圍巖滲（涌）水量較大。隧洞涌水主要發(fā)生在斷層和較大的溶蝕裂隙部位，最大涌水量達(dá)200 m3/h，對(duì)隧洞石方爆破開(kāi)挖能否安全進(jìn)行有非常大的影響。

2 爆破施工方法

隧洞開(kāi)挖施工采用鉆爆法。由于襯砌支護(hù)方式及厚度不同，隧洞開(kāi)挖直徑為 8.9～9.5 m，爆破分上導(dǎo)洞和下導(dǎo)洞，先上后下循序進(jìn)行。斜井施工自2008年12月開(kāi)工，2009年8月完成。其中，上導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面面積 37.4 m2，布置 84 個(gè)孔，孔徑 42 mm，孔深 1.7 m，采用2#巖石乳化炸藥，非電毫秒塑料導(dǎo)爆管起爆，單孔藥量 0.42～0.8 kg，總裝藥量 40.78 kg， 29 個(gè)周邊孔采取光面爆破，孔距50cm，裝藥不耦合系數(shù)1.68，以隧洞原探洞為臨空面，循環(huán)進(jìn)尺為 1.5 m；下導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面面積32.58 m2，布置71個(gè)孔，孔徑42 mm，孔深 1.7 m，單孔藥量 0.42～0.68 kg，總裝藥量35.51 kg，周邊孔23個(gè)采用光面爆破，孔距 50 mm，裝藥不耦合系數(shù)1.68，以上導(dǎo)洞開(kāi)挖面為臨空面，循環(huán)進(jìn)尺為 1.5 m。

隧洞平洞施工自2009年8月開(kāi)工，2010年2月完成。平洞施工對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整：其中，上導(dǎo)洞爆破孔 74 個(gè)，孔深 1.65 m，總裝藥量 53.85 kg，周邊孔26個(gè)，孔距45 cm，裝藥不耦合系數(shù)1.31；下導(dǎo)洞爆破孔 68 個(gè)，孔深 1.65 m，總裝藥量 53.14 kg，周邊孔28個(gè)，孔距45 cm，裝藥不耦合系數(shù)1.31。

3 施工安全監(jiān)控

（1）隧洞斜洞上部穿越的黃河大堤屬位山險(xiǎn)工段，是確保黃河防洪安全的重要設(shè)施。通過(guò)在大堤上安裝的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)隧洞爆破施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研判對(duì)黃河大堤的影響，選擇合適的爆破方案并調(diào)整爆破參數(shù)，達(dá)到最佳爆破效果。

大堤上安全監(jiān)測(cè)設(shè)備分為靜態(tài)監(jiān)測(cè)（位移、滲壓等）和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)）兩部分，爆破施工對(duì)大堤影響主要是以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)為控制指標(biāo)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用10組（20支）振動(dòng)傳感器進(jìn)行豎向和水平方向的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，傳感器沿洞軸線大堤頂上布置3組、背水坡上3組、迎水坡軸線兩側(cè)各2組。

（2）隧洞石方爆破施工期間，根據(jù)石方開(kāi)挖進(jìn)展情況，在洞內(nèi)及時(shí)跟進(jìn)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，以便隨時(shí)掌握隧洞圍巖變化情況，特別是隧洞斜洞段圍巖為寒武系崮山組灰?guī)r夾頁(yè)巖，巖層風(fēng)化，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，必須要保證隧洞施工安全。為此，在斜洞樁號(hào)6+973.617斷面（F3斷層）安裝多點(diǎn)位移計(jì)3套、錨桿應(yīng)力計(jì)3支、滲壓計(jì)2支；在樁號(hào)6+942.317斷面（F11斷層）安裝錨桿應(yīng)力計(jì)3支、滲壓計(jì)2支；在樁號(hào)6+886.917斷面（F12斷層）安裝多點(diǎn)位移計(jì)2支、滲壓計(jì)2支；在每個(gè)斷層及斷層之間設(shè)置收斂觀測(cè)點(diǎn)，每天進(jìn)行觀測(cè)。

4 施工安全技術(shù)措施

4.1 超前探水預(yù)注灌漿

隧洞爆破施工前首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求在開(kāi)挖范圍內(nèi)鉆放射狀外擴(kuò)孔，每個(gè)斷面12個(gè)孔，進(jìn)行超前探水。當(dāng)透水率大于2lu時(shí)進(jìn)行預(yù)注灌漿，按照不同的透水率、出水量及水壓力，分別采用不同濃度的水泥漿液和不同灌漿壓力，經(jīng)灌漿處理后其圍巖透水率均小于2lu。預(yù)注灌漿后將一定范圍內(nèi)的圍巖裂隙、斷層充填密實(shí)，使其在開(kāi)挖面以外形成較好的阻水帷幕，然后在帷幕內(nèi)進(jìn)行鉆孔爆破開(kāi)挖。每次灌漿段長(zhǎng)50 m，鉆爆開(kāi)挖40 m。之后，鉆孔探水預(yù)注灌漿、爆破開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)行。隧洞預(yù)注灌漿既能固結(jié)圍巖、增強(qiáng)圍巖整體性又能達(dá)到阻水效果，保證開(kāi)挖施工工作面干場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

4.2 優(yōu)化爆破試驗(yàn)參數(shù)

隧洞爆破施工前施工單位編制爆破試驗(yàn)方案，爆破試驗(yàn)的裝藥量從最小開(kāi)始，然后逐漸增加，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)資料適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)如孔位、孔深、孔距和裝藥量，盡可能地減小爆破振動(dòng)對(duì)黃河大堤、不良地質(zhì)斷層段和IV、V類圍巖段的影響，選擇最佳的裝藥量，控制最大的裝藥量。在爆破中，遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、勤測(cè)量、強(qiáng)支護(hù)”的原則。

4.3 及時(shí)采取支護(hù)措施

隧洞開(kāi)挖后及時(shí)采取支護(hù)措施，確保施工安全。隧洞出口段圍巖為崮山組IV類圍巖，開(kāi)挖后采取地面錨桿+超前錨桿+鋼支撐+掛網(wǎng)錨噴混凝土方式進(jìn)行加固。針對(duì)不同的斷層情況，采取不同的方式進(jìn)行支護(hù)。如，洞臉（樁號(hào)7+038）段采用地面錨桿+超前錨桿+工字鋼支撐+鋼纖維混凝土支護(hù)；在F3斷層處按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)，以超前錨桿（錨桿Φ25 mm，L=5 m，間距 40 cm）+系統(tǒng)錨桿（錨桿 Φ22 mm，L=3 m，間排距1.0 m×1.0 m交錯(cuò)布置）+鋼纖維混凝土（C25，H=20 cm）的方式進(jìn)行施工。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 大堤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)黃河大堤安全觀測(cè)結(jié)果與半年多位移觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，穿黃隧洞爆破施工期間垂直位移最大累積值（M1點(diǎn)）4.48 mm，水平位移最大累積值（18#孔）3.06 mm，表明大堤位移以垂直沉降為主，沉降變化較小。滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：除2009年6月22日至7月5日黃河調(diào)水調(diào)沙和雨季期間隨著黃河水位變化測(cè)壓管水位逐漸回升外，測(cè)壓管地下水位基本穩(wěn)定在34.4 m左右。動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隧洞爆破開(kāi)挖施工期間安裝在洞頂黃河大堤堤頂上3組振動(dòng)傳感器峰值振速分別為：V2測(cè)點(diǎn)水平方向1.1 cm/s，豎直方向0.88 cm/s；V4測(cè)點(diǎn)水平方向0.93 cm/s，豎直方向 1.28 cm/s；V6測(cè)點(diǎn)水平方向 0.69 cm/s，豎直方向0.78 cm/s。以上數(shù)值均在爆破振動(dòng)安全允許范圍以內(nèi)，堤頂最大峰值振速為2 cm/s，小于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，表明隧洞爆破開(kāi)挖振動(dòng)對(duì)大堤影響較小，能夠保證黃河大堤的運(yùn)行安全。

5.2 洞內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

穿黃隧洞斜洞樁號(hào)6+973.617斷面 （F3斷層）多點(diǎn)位移計(jì)半年多來(lái)所采集到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：F3斷層拱頂高程6.852 m處巖體位移變化最大值為0.11 mm，F(xiàn)3斷層右側(cè)圍巖高程2.108 m處巖體位移變化最大值為0.107 mm，F(xiàn)3斷層左側(cè)圍巖高程2.114 m處巖體位移變化最大值為-0.082 mm，以上3點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)值均在正常變化范圍內(nèi)。在樁號(hào)6+886.917斷面（F12斷層）多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：埋設(shè)在左側(cè)圍巖高程-4.736 m處巖體位移累計(jì)變化量-0.02 mm，右側(cè)圍巖高程4.529 m處巖體位移最大變化量-0.01 mm，以上2點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)值均在正常變化范圍之內(nèi)。從以上圍巖位移變化數(shù)據(jù)可以判定，爆破施工震動(dòng)對(duì)F3斷層及F12斷層段圍巖影響很小，充分表明隧洞巖體在爆破施工過(guò)程中始終處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)東線穿黃隧洞工程爆破開(kāi)挖施工已經(jīng)完成，隧洞斜井、平洞、豎井導(dǎo)洞實(shí)現(xiàn)全部安全貫通。實(shí)踐證明，為保證隧洞工程爆破施工安全所采用的安全技術(shù)措施切實(shí)可行，有效地避免了施工中可能出現(xiàn)的突發(fā)涌水、圍巖塌方等事故發(fā)生，大大降低了爆破振動(dòng)對(duì)黃河大堤的影響，確保了爆破開(kāi)挖施工期間黃河大堤及隧洞的安全，為隧洞下一步混凝土襯砌施工創(chuàng)造了有利條件，為水下開(kāi)挖工程施工積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。