中部引黃工程穿越忻保高速隧洞施工爆破方案比選

于 韜

（山西省水利廳，山西 太原 030002）

1 工程概況

山西中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程，該工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括4市16個(gè)縣（市、區(qū)）。

本工程輸水總干線由1～4號(hào)隧洞、渡槽及沿線分水口等建筑物組成。隧洞總長197.7km，其中總干2號(hào)隧洞長約29.105km，設(shè)計(jì)流量5.98m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1/3000。根據(jù)工程總體布置情況，本工程總干線2號(hào)隧洞與新建忻保高速公路官地坪2號(hào)隧道附近交叉1次。忻保高速公路為兩條平行的道路，左、右兩條道路中心間距約58.0m，線路寬均為12.25m。

2 交叉段設(shè)計(jì)方案

2.1 平面布置

本工程輸水總干線由北向南布置，忻保高速公路為東西向。忻保高速公路官地坪2號(hào)隧道為兩條平行的單向隧道，隧洞最大寬度10.86m。引黃總干2號(hào)隧洞與新建的忻保高速公路官地坪2號(hào)隧道的右洞中心線和左洞中心線交叉，交叉角度80.81°，考慮15m的保護(hù)范圍，長約100m。

2.2 豎向布置

本工程2號(hào)隧洞從忻保高速公路官地坪2號(hào)隧道下部穿越。官地坪2號(hào)隧道右洞路面（洞底）高程為1030.15m，最低開挖高程1027.87m，與之交叉的總干2號(hào)隧洞洞頂開挖高程1023.5m，間距4.37m；官地坪2號(hào)隧道左洞路面（洞底）高程為1029.98m，最低開挖高程1027.70m，與之交叉的引黃總干2號(hào)隧洞洞頂開挖高程為1023.48m，間距4.22m。

2.3 斷面設(shè)計(jì)

2號(hào)隧洞穿越段全長91.11m，為巖石洞段，Ⅴ類圍巖，采用城門洞形斷面。洞凈寬4.2m，凈高5.1m，直墻段高3.0m，設(shè)計(jì)水深3.52m，頂拱中心角180°，半徑2.1m，襯砌厚度0.4m。內(nèi)掛直徑8mm，間距150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土12cm厚；頂拱范圍內(nèi)設(shè)直徑25mm的系統(tǒng)錨桿，長2.0m，間排距1.0m，呈梅花型布置；全斷面C25鋼筋混凝土襯砌，頂拱100°范圍內(nèi)回填灌漿，灌漿壓力0.2MPa。局部地段根據(jù)圍巖破碎程度，采用20a工字鋼加直徑25mm超前錨桿或20a工字鋼加直徑42mm超前小導(dǎo)管超前支護(hù)。

3 地質(zhì)資料

本工程2號(hào)輸水隧洞在該段隧洞圍巖為奧陶系中統(tǒng)峰峰組泥灰?guī)r。洞頂距離官地坪2號(hào)隧洞左右洞面開挖底高程分別為4.22m，4.37m，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，該段隧洞圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，建議噴混凝土、系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)，剛性支護(hù)，并澆筑混凝土襯砌。建議圍巖單位彈性抗力系數(shù)K0=50～100MPa/m，堅(jiān)固系數(shù)fk=0.5～1.5，泊松比μ=0.35～0.45，變形模量0.05～0.5GPa。

4 施工方案

根據(jù)公路隧道及輸水隧洞地質(zhì)資料，對(duì)以下可能的方案進(jìn)行比較：常規(guī)爆破開挖方案、靜態(tài)爆破開挖方案、靜態(tài)爆破開挖結(jié)合超前小導(dǎo)管灌漿支護(hù)方案及常規(guī)爆破開挖結(jié)合公路隧道內(nèi)固結(jié)灌漿方案。

4.1 常規(guī)爆破方案

4.1.1 施工方案依據(jù)

本工程總干2號(hào)隧洞穿越忻保高速公路官地坪2號(hào)隧道，上下最小中距為4.22m，如不科學(xué)控制裝藥量，輸水隧洞穿越段爆破作業(yè)將對(duì)公路官地坪2號(hào)隧道結(jié)構(gòu)形成危害。為保證車輛的行駛安全和隧道的運(yùn)行安全，輸水隧洞穿越段石方洞挖設(shè)計(jì)為控制爆破的施工方法，采用短開挖、打淺孔、裝少藥、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的控制爆破施工工藝。

總干2號(hào)輸水隧洞斷面面積約20m2，為減少爆破總裝藥量并達(dá)到控制爆破的目的，采用下導(dǎo)洞分部開挖法，即先在斷面底部中心開挖超前導(dǎo)洞，然后一次性擴(kuò)挖剩余斷面，隧洞周邊采用光面爆破。

4.1.2 爆破安全距離確定

爆破振動(dòng)安全允許距離按下式計(jì)算：

式中：R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；

V——保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；

K，α——與爆破點(diǎn)到保護(hù)對(duì)象之間的地形、地質(zhì)條件相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

4.1.3 一次爆破最大單響量的確定

根據(jù)輸水隧洞的布置方案，公路隧道與輸水隧洞相對(duì)高差4.22m，據(jù)此可算出一次爆破最大允許單響藥量。

根據(jù)建筑物情況及規(guī)范要求，安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度15～20cm/s，依據(jù)地質(zhì)資料，輸水隧洞圍巖類別為Ⅴ類，屬軟巖，K值為250～350、α值為1.8～2.0，據(jù)此計(jì)算的一次爆破最大允許裝藥量為0.7～1.15kg。

4.1.4 存在問題

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)，如開挖進(jìn)尺為1m，掏槽孔、輔助孔及周邊孔單孔裝藥量在0.4～0.6kg之間，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，最大單響藥量僅1～2孔，無法滿足爆破設(shè)計(jì)要求。經(jīng)灌漿加固處理后，輸水隧洞圍巖類別為中硬巖，K值為150～250、α值為1.5～1.8，據(jù)此計(jì)算的一次爆破最大允許單響藥量1.5～3.0kg，可基本滿足爆破設(shè)計(jì)要求。

4.2 靜態(tài)爆破方案

靜態(tài)破碎法亦稱無聲爆破法，其原理是人工造孔后，利用裝在炮孔中的靜態(tài)破碎劑經(jīng)水化作用，產(chǎn)生巨大膨脹壓力，并施加給孔壁，從而使巖石脹裂，產(chǎn)生裂縫，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到最大值，將介質(zhì)破碎，達(dá)到開挖的目的。

采用直徑40mm鉆頭鉆孔，鉆孔方向一般為垂直鉆孔，布孔方式按梅花型布置，進(jìn)尺按1m考慮，孔距25cm左右，孔深5～10cm。鉆孔直徑與破碎結(jié)果有直接關(guān)系，鉆孔過小，不利于藥劑發(fā)揮效力；鉆孔過大，易沖孔。

根據(jù)水灰比，量取一定量配制好的溶液，用拌和鏟充分拌和均勻，成為無團(tuán)塊、易流動(dòng)的漿液。拌和時(shí)間不少于2min，人工一次拌和量不超過5kg。

把拌和好的藥從桶中直接灌注到已鉆好的炮孔中至灌滿為止，用略小于鉆桿的捅桿捅實(shí)捅緊。灌注前應(yīng)檢查孔中有無積水，如有積水排干后才能灌藥，流動(dòng)性差的藥液不能再摻水使用。

在工程靜態(tài)破碎法的使用中，硬巖開裂時(shí)間為12h左右，低溫情況下開裂時(shí)間會(huì)適當(dāng)延長，軟巖開裂時(shí)間為4～6h左右。本工程屬軟質(zhì)巖石，用藥量一般為8～10kg/m3。

方案優(yōu)點(diǎn)：破碎劑不屬于危險(xiǎn)物品，因此在購買、運(yùn)輸、保管和使用中不受任何限制；施工過程安全，不存在炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、空氣沖擊波、飛石、噪音、有毒氣體、粉塵、爆破振動(dòng)等危害；施工簡單，破碎劑用水拌合后，裝入炮孔即可，無需堵塞。

方案缺點(diǎn)：施工周期長、造價(jià)高。由于靜態(tài)破碎劑能量不如炸藥威力大，鉆孔多且多為水平及傾斜孔，裝藥比較困難。破碎效果受氣溫及施工人員的經(jīng)驗(yàn)影響大，同時(shí)由于該段隧洞圍巖工程地質(zhì)為Ⅴ類，圍巖極不穩(wěn)定，變形破壞嚴(yán)重，一旦采取措施不當(dāng)，開挖時(shí)圍巖可能產(chǎn)生變形，施工存在安全隱患。

4.3 靜態(tài)爆破開挖結(jié)合超前小導(dǎo)管固結(jié)灌漿支護(hù)方案

靜態(tài)爆破方法同前。超前小導(dǎo)管固結(jié)灌漿支護(hù)方案如下：

超前小導(dǎo)管注漿：超前小導(dǎo)管的鋼管（開孔管）采用直徑42mm熱軋鋼管，壁厚3.0mm，鉆孔深4.5m。管棚布置在頂拱部位，單根鋼管長5.0m，鋼管間距0.4m。鉆孔方向與洞軸線呈3°交角，偏向洞外。循環(huán)搭接長度1.5m，掌子面外露0.5m，超前小導(dǎo)管與下部橫向架設(shè)的型鋼拱架（或鋼格柵）焊接。灌漿材料采用水泥漿（有堵水要求時(shí)采用化學(xué)材料），灌漿壓力不高于0.2MPa。超前小導(dǎo)管注漿的有效長度為3m。

鋼支撐：鋼支撐型號(hào)為工字鋼20，1m一榀。

該方案綜合了靜態(tài)爆破和超前固結(jié)灌漿的優(yōu)點(diǎn)，但施工周期長、造價(jià)高。

4.4 常規(guī)爆破開挖結(jié)合公路隧道內(nèi)固結(jié)灌漿方案

首先在公路隧道內(nèi)自上而下對(duì)輸水隧洞進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后進(jìn)行爆破開挖。根據(jù)實(shí)際情況，孔位采用梅花型錯(cuò)孔布置，沿公路隧洞方向灌漿，灌漿寬度12m（輸水隧洞外各延4m），垂直公路隧道方向?qū)挾葹樗矶磧魧?，間排距均為2m。采用純壓式分段灌漿法自下而上灌注，一次鉆孔到底，然后自下而上分段灌注，在凝固前進(jìn)行上層灌注，使全孔得以復(fù)灌，從而保證灌漿量，提高灌漿質(zhì)量。

方案優(yōu)點(diǎn)：在公路隧道內(nèi)采用自上而下的固結(jié)灌漿方法，可沿公路隧道方向?qū)⒐探Y(jié)灌漿的范圍擴(kuò)大，確保灌漿質(zhì)量，同時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，有效解決了圍巖開挖的變形問題，可提高固結(jié)灌漿及輸水隧洞開挖的速度。

方案缺點(diǎn)：在公路隧道內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，可能影響該段高速公路正常交通，同時(shí)爆破可能產(chǎn)生一定的震動(dòng)。但采用小藥量控制爆破，可以減輕或消除對(duì)公路隧道產(chǎn)生的影響。

5 建議

通過以上方案比較，從施工可靠性和安全性來講，采用常規(guī)爆破開挖結(jié)合公路隧道內(nèi)固結(jié)灌漿方案或靜態(tài)爆破開挖結(jié)合超前小導(dǎo)管固結(jié)灌漿支護(hù)方案均是可行的。但從工程進(jìn)度考慮，建議采用常規(guī)爆破開挖結(jié)合公路隧道內(nèi)固結(jié)灌漿方案。