光面爆破技術(shù)在灣塢供水隧洞施工中的應(yīng)用

馬旺軍

(渭南水利建筑工程有限責(zé)任公司, 陜西 渭南 715100 )

1 工程概況

福安市灣塢供水工程位于福安市東南部，從福安市溪柄鎮(zhèn)調(diào)引茜洋溪水源，經(jīng)賽岐鎮(zhèn)轄區(qū)供水至灣塢鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)，設(shè)計(jì)日供水規(guī)模13萬t。本工程由取水口、引水管道、引水隧洞、引水箱涵等組成。其中輸水隧洞全長15.46 km，隧洞全線共分成4個(gè)工程標(biāo)段進(jìn)行施工。隧洞開挖斷面為2.2 m×2.5 m和2.0 m×2.2 m的城門洞型,開挖斷面積4.62～5.05 m2，各標(biāo)段主洞長在4 097m 至5 598 m之間。

隧洞沿線屬中低山丘陵、海積平原、沖洪積平原等地貌。出露的地層主要為侏羅系上統(tǒng)小溪組(J3x)和南園組(J3n)火碎屑巖組成；燕山期侵入巖；第四系堆積物等地貌。洞室埋深多在50～250 m,圍巖主要為流紋質(zhì)晶屑灰熔巖和花崗巖，巖石堅(jiān)硬，隧洞圍巖大部分穩(wěn)定和基本穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件較好。其中C3標(biāo)段大小盤支洞為反坡出渣, 坡度為12%,支洞長度約300 m，單頭掘進(jìn)最大長度為1 671 m(不含支洞)。開挖工期24 個(gè)月。由于洞室開挖斷面小、線路長,致使洞內(nèi)的出渣、通風(fēng)排水都存在許多困難。施工單位通過改造出渣機(jī)械、增加通風(fēng)管、配置多型號水泵等諸多措施,加快了施工進(jìn)度，隧洞光爆效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,月開挖進(jìn)度最高達(dá)到180 m，為長巷小斷面水工隧洞開挖爆破施工提供一些借鑒意見。

2 光面爆破技術(shù)實(shí)施方案

2.1 光面爆破的技術(shù)分析

一般光面爆破效果受諸多因素的影響。裝藥集中度(q)、最小抵抗線(W)直接影響周邊巖石的爆落效果；炮眼間距(E)、炮眼密集系數(shù)m(m=E/W)和最小抵抗(W)主要影響著周邊輪廓的規(guī)整重度；半孔率主要受其不耦合系數(shù)D(D=炮眼直徑/藥卷直徑)的影響。這些影響因素中，炮眼間距(E)、炮眼密集系數(shù)(m)、裝藥集中度(q)、最小抵抗線(W)、不耦合系數(shù)(D)又是實(shí)施爆破主要技術(shù)參數(shù)。只有這些參數(shù)整體處于某一合理的范圍，才能達(dá)到比較理想的光爆效果。

對于隧洞掘進(jìn)，光面爆破效果還受圍巖地質(zhì)條件、炸藥特性、斷面形狀和大小、鉆孔質(zhì)量等影響。其中圍巖地質(zhì)條件和鉆孔質(zhì)量是最主要的影響因素。

通常隧洞光面爆破參數(shù)取值范圍：炮眼間距E=(8～15)d，炮眼密集系數(shù)m=0.7～1.0，最小抵抗線W=(10～20)d或者W=E/m，不耦合系數(shù)D=1.5～2.0，裝藥集中度q=0.04～0.4(kg/m)。

2.2 光面爆破參數(shù)

(1)光面爆破參數(shù)確定方法。針對各類巖石初次選用爆破參數(shù)，在施工中可按照選定的參數(shù)進(jìn)行爆破效果的測定，測量半孔率和輪廓不平整度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定周邊眼的裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長度和炮眼間距等爆破參數(shù)。

通過核對地質(zhì)情況，在完成爆破試驗(yàn)后，利用得出的藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長度，計(jì)算得出炮眼間距E,在參照光面爆破參數(shù)表中的相對距離E/W，定出不同的抵抗線W，再進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出最小抵抗線W值。

(2)光面爆破參數(shù)值(見表1)。

表1 爆破參數(shù)表

2.3 炮眼布置

2.3.1 炮眼數(shù)目設(shè)計(jì)

炮眼數(shù)目的多少直接影響每一循環(huán)鑿巖工作量、爆破效果、循環(huán)進(jìn)尺、洞體成型的好壞。按下式計(jì)算炮眼數(shù)目，在施工中，根據(jù)具體情況再作調(diào)整，以達(dá)到最佳爆破效果。

炮眼數(shù)目N，按下式計(jì)算：

N=q×s/rη

式中：q為炸藥單耗量，取q=1.85，kg/m3；S為開挖面積，S=5.05 m2；r為每米長度炸藥的重量，2號巖石銷銨炸藥r=0.78 kg/m；η為炮眼裝藥系數(shù)，取η=0.7。

經(jīng)計(jì)算，N=17，光面爆破需多增加周邊眼9個(gè)及空孔4個(gè)，共計(jì)30個(gè)。

2.3.2 每個(gè)炮眼的裝藥量

(1)掏槽眼。

Q1=η×L×r

式中：η為炮眼裝藥系數(shù)，取η=0.8；L為眼深，L=2.5 m；r為每米長度炸藥量，r=0.78 kg/m； 經(jīng)計(jì)算Q1=1.56取Q1=1.5 kg。

(2)輔助眼。

Q2=η×L×r=0.7×2.4×0.78=1.31 kg 取Q2=1.35 kg

2.3.3 炮眼爆破參數(shù)(見表2)

表2 炮眼爆破參數(shù)表

2.3.4 裝藥結(jié)構(gòu) 周邊眼采用小直徑藥卷不偶合間隔裝藥，導(dǎo)爆索引爆，其他炮眼采用一般藥卷集中裝藥。所有炮眼采用炮泥堵塞，堵塞長度約為30 cm(見圖2)。

2.4 光面爆破施工工藝與方法

(1)測量、放線、布眼。測量人員利用全站儀，準(zhǔn)確定出隧道中線，斷面輪廓線，并且用紅油漆準(zhǔn)確表示出來。技術(shù)人員還要經(jīng)過對上次爆破效果的檢查仔細(xì)核算，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況調(diào)整爆破參數(shù)，準(zhǔn)確標(biāo)示出炮眼的位置，嚴(yán)格控制誤差不超過5 cm。

(2)鉆孔。鉆工采用國產(chǎn)YT-28 型鉆機(jī)、風(fēng)動手持鉆機(jī)對掏槽眼、周邊眼和輔助眼進(jìn)行鉆孔。在鉆孔時(shí)使用φ25 mm鉆桿、一字型42 mm合金鉆頭鉆眼，鉆孔深2.4 m。每個(gè)工作面配2臺鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，司鉆手按設(shè)計(jì)劃定的區(qū)域和炮眼順序鉆孔。鉆孔嚴(yán)格按照鉆爆設(shè)計(jì)圖鉆孔，并保證鉆孔深度。

(3)清孔裝藥。裝藥前先用高壓風(fēng)清孔，將炮眼內(nèi)的泥漿巖屑清除干凈，然后按劃定的區(qū)域裝藥連線。裝藥在掌子面自上而下的順序進(jìn)行，先兩側(cè)后中間，炮孔裝藥均采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。所有裝藥的炮眼堵塞炮泥周邊眼的堵塞長度25～30 cm，其他眼的堵塞長度為35～40 cm。

(4)連接起爆。在起爆網(wǎng)絡(luò)連接過程中采用能防水的四通管，連接線采用塑料導(dǎo)線，連接好后要經(jīng)過炮工的仔細(xì)檢查才能進(jìn)行起爆作業(yè)。

導(dǎo)爆管連線采用“一把抓”法，配兩個(gè)起爆雷管，裝藥結(jié)束經(jīng)安全檢查后起爆，各步驟按《塑料導(dǎo)爆管非電起爆操作原則》進(jìn)行。

要保證連接的正確性和起爆的正確順序。起爆順序?yàn)橄忍筒劭?，再輔助孔，輔助孔起爆后再起爆底孔，周邊孔最后起爆。

爆破作業(yè)時(shí)，要求所有人員必須撤至離開挖掌子面至少220 m處、并不受有害氣體、振動及飛石傷害的安全地點(diǎn)，以保證所有人員的人身安全。

圖1 城門型隧洞炮眼布置示意圖

圖2 光爆孔結(jié)構(gòu)圖

2.5 光面爆破質(zhì)量保證措施

(1)技術(shù)人員正確標(biāo)示開挖輪廓線。測量畫線時(shí)要按規(guī)范和設(shè)計(jì)考慮預(yù)留變形量，還應(yīng)考慮5 cm的施工誤差，以免出現(xiàn)欠挖。

(2)采用儀器監(jiān)測爆破效果和超欠情況。

(3)采用定人、定位、定鉆，明確責(zé)任，保證鉆孔質(zhì)量。

(4)實(shí)行超欠挖獎(jiǎng)懲措施，激發(fā)操作人員提高技術(shù)的熱情。

(5)不斷優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。按預(yù)設(shè)計(jì)鉆爆后，立即檢查爆破效果；檢查超欠挖是否在規(guī)范內(nèi)，輪廓是否圓順，進(jìn)尺及爆出的石渣是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，根據(jù)檢查的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，調(diào)整鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到最佳光爆效果。

3 爆破開挖實(shí)施

3.1 設(shè)備配置

實(shí)際作業(yè)采用二臺鉆機(jī)(備用一臺), 每臺風(fēng)鉆用風(fēng)量 2.4 m3/min,據(jù)此配75 kW10 m3/min電動空壓機(jī)一臺,壓力8.5 kg/cm2,設(shè)2 m3儲氣筒一組; 洞外配320 kVA 變壓器一臺。

3.2 出渣運(yùn)輸

由于隧洞斷面小，所以采用扒渣機(jī)裝渣,用改裝的三輪車( 規(guī)格長3.5 m×寬1.5 m×高1.8 m) 運(yùn)輸出渣, 400 m 內(nèi)配二輛車( 另增加一輛備用) , 每增加 500 m 相應(yīng)增加一輛車；每150 m 開挖避車道一處。

3.3 隧洞內(nèi)排氣通風(fēng)布置

由于隧洞開挖采用支洞分段開挖,C3標(biāo)段溪里隧洞洞長3 022 m, 單頭掘進(jìn)達(dá)1 671 m長。洞內(nèi)通風(fēng)、排氣是施工安全的重點(diǎn)。由于洞線較長, 為了加快排氣并使洞內(nèi)空氣清潔, 在單向掘進(jìn)至1 000 m時(shí)采用了雙管排氣方法進(jìn)行,即在洞內(nèi)布設(shè)了兩根直徑300 mmPVC 排氣管, 并增設(shè)5.5 kW軸流通風(fēng)機(jī)一臺, 通風(fēng)管上下間距為60 cm, 在使用時(shí)，下管進(jìn)風(fēng),上管排風(fēng), 風(fēng)管中部設(shè)一臺 5.5 kW 吸出式通風(fēng)機(jī)。這樣將洞內(nèi)廢氣排出并將洞外新鮮空氣輸入, 形成對流使洞內(nèi)工作面的空氣盡快得到改善,洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到安全要求。

3.4 隧洞排水布置

C3標(biāo)段溪里隧洞因受地形限制, 支洞設(shè)計(jì)為反坡, 坡度為12%,洞內(nèi)排水無法自流排出,為解決這一問題，在支洞口設(shè)蓄水池一個(gè), 容量約30 m3左右, 將洞內(nèi)滲水、涌水采用高揚(yáng)程潛水泵排出至洞口水池，沉淀過濾后排放至河道；其余平坡隧洞則在隧洞洞口一側(cè)開挖約20 m3蓄水池沉淀排出。

3.5 質(zhì)量問題分析與處理

(1)掌子面不平整，凹凸不平。鉆眼時(shí)，周邊眼和輔助眼的眼底沒落在同一平面上，裝藥量控制不合適。

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆孔和裝藥，著重注意眼底落在同一平面的重要性。

(2)進(jìn)度不符合設(shè)計(jì)要求。掏心眼傾斜過大，深度不夠，炮眼數(shù)量不足。

在鉆孔時(shí)，要特別注意掏心眼的角度應(yīng)符合要求，保證掏心眼的深度。掏心眼裝藥要使用高爆力的銷銨乳化炸藥。適當(dāng)增加輔助眼的數(shù)量和密度，也能對增加進(jìn)尺起到一定作用。

(3)邊緣輪廓線扭曲，不圓順。測量放線不準(zhǔn)確。周邊眼間距過大，布眼位置不準(zhǔn)確。

確保測量的準(zhǔn)確性和可靠性。對周邊眼參數(shù)重新設(shè)計(jì)，沿開挖輪廓布周邊眼。

(4)沖天炮。炮孔堵塞不密實(shí)，炮泥堵塞長度不夠，炮眼間距過大。

炮泥堵塞完成后由專人負(fù)責(zé)檢查堵塞質(zhì)量。適當(dāng)減小炮眼間距，增加炮眼數(shù)量。

(5)盲炮。炸藥受潮，雷管未爆。

在潮濕環(huán)境下使用乳化炸藥。在起爆網(wǎng)絡(luò)連接好后要認(rèn)真檢查起爆順序的正確性，每根雷管應(yīng)該嚴(yán)格控制引爆的導(dǎo)爆管數(shù)量。

3.6 實(shí)施效果

炸藥選用 2 號巖石硝胺炸藥為32×200 mm(直徑×長度) 、重量 0.15 kg; 周邊光爆采用直徑為22 mm 的藥卷, 采用非塑料導(dǎo)爆管和毫秒微差雷管起爆。C3標(biāo)段實(shí)際炸藥單耗為 3.51 kg/m3, 雷管消耗為 17.13 個(gè)/延米, 導(dǎo)爆管消耗為11.86 m/延米。

開挖進(jìn)度得到有效控制，平均月進(jìn)尺在 145 m以上。

開挖斷面質(zhì)量控制情況良好，隧洞開挖美觀, 隧洞開挖在地質(zhì)條件較好的洞段( 圍巖Ⅱ、Ⅲ類)

成型規(guī)則, 洞壁開挖平整, 平整度不大于10 cm, 開挖殘留半孔保存達(dá)10孔, 殘留孔率達(dá) 76.9% , 光面爆破效果理想, 開挖施工中未出現(xiàn)安全事故( 見圖3) 。

圖3 光爆效果照片

4 結(jié) 語

福安市灣塢供水工程隧洞開挖小斷面單向掘進(jìn)長度較長,通過合理采用爆破技術(shù)參數(shù)，采用先進(jìn)的通風(fēng)排煙設(shè)備并進(jìn)行合理布置等有效措施，獲得良好效果，月開挖進(jìn)尺達(dá)到了180 m。從而避免了以前由于排煙通風(fēng)條件落后,爆破技術(shù)達(dá)不到安全要求,需要通過增加支洞來縮短隧洞開挖距離等所帶來的投資大的弊端，為長巷小斷面水工隧洞開挖工法提供借鑒。