小斷面隧洞光面爆破設(shè)計(jì)控制超欠挖量

彭健　陳登甫

【摘要】輸水隧洞為小斷面隧洞，開(kāi)挖初期光面爆破效果不理想、超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了開(kāi)挖掘進(jìn)的質(zhì)量、安全和進(jìn)度要求。本文對(duì)輸水隧洞開(kāi)挖存在的問(wèn)題、原因查找分析及光面爆破參數(shù)選擇、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、效果進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】光面爆破；超欠挖量；試驗(yàn)

1、工程概況

本工程輸水隧洞全長(zhǎng)3.45km，洞軸線穿過(guò)4套地層，上覆山體厚度2m-324.6m。圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖性為中厚～巨厚層狀白云巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體局部破碎，裂隙發(fā)育，邊墻、頂拱極易坍塌，存在失穩(wěn)現(xiàn)象。隧洞斷面為馬蒂形，開(kāi)挖斷面尺寸3.3m×3.6m，洞挖石方量40635m3。

2、開(kāi)挖存在問(wèn)題和原因分析

輸水隧洞掘進(jìn)初期光面爆破效果較差，經(jīng)實(shí)測(cè)，部分超挖量超過(guò)40cm，欠挖量高達(dá)30cm，頂拱部分甚至出現(xiàn)過(guò)平頂，兩茬炮間臺(tái)階部分達(dá)到20cm。

經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)以下原因造成了超欠挖：炮眼布設(shè)不合理，憑經(jīng)驗(yàn)打眼，爆破效果時(shí)好時(shí)壞；輪廓線放樣時(shí)粗心大意，有不放輪廓線或不準(zhǔn)確放輪廓線存在，致使錯(cuò)誤布置輪廓線和鉆孔位置偏差大；未及時(shí)復(fù)核紅外儀，存在放樣中線和標(biāo)高相對(duì)設(shè)計(jì)值的偏移過(guò)大，放樣不準(zhǔn)確；施鉆人員技術(shù)不到位不認(rèn)真，鉆孔定位和鉆進(jìn)角度偏差控制不好；工期極為緊張，作業(yè)隊(duì)伍利用少打眼，增加單孔炸藥用量等手段，試圖爭(zhēng)取縮短鉆眼時(shí)間。

3、光面爆破設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1 爆破設(shè)計(jì)

3.1.1 光面爆破原理。輸水隧洞采用“鉆爆法”開(kāi)挖，為保證爆破后邊墻、頂拱、掌子面輪廓整齊，超欠挖量控制符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)合理要求，選用光面爆破方法進(jìn)行爆破。

3.1.2 炮眼布置及起爆順序。輸水隧洞掘進(jìn)開(kāi)挖炮眼用YT28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆設(shè)，其孔徑為50mm。根據(jù)施工進(jìn)度、斷面尺寸及圍巖等級(jí)，初步設(shè)定Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺2.0-2.4m，Ⅳ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺1.7-2.0m。爆破采用由塑料導(dǎo)爆管串、并聯(lián)形成爆破網(wǎng)絡(luò)，以毫秒延發(fā)雷管實(shí)現(xiàn)微差爆破。

炮眼按周邊眼、輔助眼、掏槽眼、底眼設(shè)置，Ⅲ、Ⅳ類圍巖起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼—周邊眼—底眼。

3.1.3 光面爆破參數(shù)計(jì)算。光面爆破的主要參數(shù)包括周邊眼間距、光面爆破層厚度、周邊眼密集系數(shù)、周邊眼的線裝藥密度等。影響爆破參數(shù)選擇的因素很多：

（1）周邊眼間距。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：E=（8-18）d，E為孔距，d為炮眼直徑。本工程中取值為8-13，鉆孔直徑50mm，所以其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算間距：40cm-65cm。周邊眼眼口距離輪廓5cm，外插角1°-3°，便于施工操作。周邊眼間距頂拱取小值，邊墻及底板取大值。

（2）光面爆破層厚度。光面爆破層是周邊眼和輔助眼之間的一圈巖石層，即周邊眼的最小抵抗線。周邊眼間距與光面爆破層厚度有著密切的關(guān)系。通常以周邊眼的密集系數(shù)K表示，K=E/W（K周邊眼密集系數(shù)；W光面爆破層厚度）。應(yīng)力波兩相鄰炮眼間的傳播距離應(yīng)小于應(yīng)力波至臨空面的傳播距離，即E（3）周邊眼裝藥量。根據(jù)公式：qp=EWLp（0.5-0.9）q（qp：周邊孔平均炸藥用量kg/m；E：周邊孔間距cm；W：光面爆破層厚度cm；Lp：周邊眼眼深m；q：?jiǎn)挝粠r體耗藥量kg/m3）。經(jīng)計(jì)算qp=0.35-0.60kg/m。

（4）炮眼堵塞：炮眼堵塞長(zhǎng)度一般在（0.7-1.0）倍抵抗線之間，堵塞材料就地選用黃泥和砂子均勻拌合使用。

（5）炸藥選用及裝藥結(jié)構(gòu)。本隧洞開(kāi)挖爆破使用乳化炸藥進(jìn)行爆破，藥卷直徑32mm，長(zhǎng)度25cm。炮眼直徑和藥卷直徑之比稱為耦合系數(shù)。輸水隧洞掘進(jìn)爆破周邊眼采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，其不耦合系數(shù)為50/32=1.56。掏槽眼、輔助眼、底板眼采用耦合連續(xù)裝藥。

（6）初步設(shè)置光面爆破參數(shù)如下：經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，初步選用以下參數(shù)范圍進(jìn)行爆破試驗(yàn)：

3.2 光面爆破試驗(yàn)。爆破試驗(yàn)選取了隧洞進(jìn)口SD0+80—SD0+90作為試驗(yàn)段，該段圍巖以Ⅲ類為主，巖性為中厚-巨厚層狀白云巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體局部破碎，裂隙發(fā)育。

3.2.1 光面爆破試驗(yàn)流程。炮眼布置—測(cè)量放樣—技術(shù)交底—鉆機(jī)就位—鉆孔—清孔—裝藥聯(lián)網(wǎng)—爆破—出渣—效果檢查—確定爆破參數(shù)。

3.2.2 第一循環(huán)炮眼布置及試驗(yàn)。輸水隧洞圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖性為中厚-巨厚層狀白云巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體局部破碎，裂隙發(fā)育。爆破試驗(yàn)段主要是Ⅲ類圍巖，炮眼根據(jù)光面爆破初步確定的參數(shù)進(jìn)行布置，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖整體穩(wěn)定性差，屬Ⅲ類圍巖。根據(jù)爆破后效果分析，決定重新布置炮眼，調(diào)整炸藥用量，進(jìn)行第二循環(huán)炮眼布置及試驗(yàn)。

3.2.3 第二循環(huán)炮眼布置及試驗(yàn)。圍巖類別屬Ⅲ類。經(jīng)過(guò)調(diào)整炮眼數(shù)量、周邊孔間距、炸藥用量等參數(shù)后，光面爆破效果較第一循環(huán)有很大改善。但頂拱、邊墻、底板均是超挖。出渣粒徑較小，部分呈粉末狀。根據(jù)效果分析，我們調(diào)整了炸藥用量，進(jìn)行第三循環(huán)光面爆破試驗(yàn)。

3.2.4 第三循環(huán)炮眼布置及試驗(yàn)。第三循環(huán)爆破頂拱、邊墻、底板超挖量較小，爆破粒徑滿足扒渣機(jī)出渣要求，巖壁平整。

3.2.5 確定爆破參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)，我們選定第三次試驗(yàn)的參數(shù)作為輸水隧洞Ⅲ類圍巖的代表參數(shù)，指導(dǎo)輸水隧洞Ⅲ類圍巖的掘進(jìn)爆破。

4、爆破實(shí)施情況

本工程輸水隧洞于2013年8月25日開(kāi)工，分進(jìn)、出口兩個(gè)方向同向掘進(jìn)，于2014年6月28日貫通，單日平均進(jìn)尺11.2米，單向平均循環(huán)3個(gè)。根據(jù)爆破試驗(yàn)確定參數(shù)進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)，按照圍巖實(shí)際情況適時(shí)調(diào)整，隧洞超欠挖得到了有效控制，有效避免了二次開(kāi)挖，同時(shí)減少了炸藥用量和出渣量，減少了超挖混凝土回填量，確保了工期和經(jīng)濟(jì)效益共同推進(jìn)。洞身成型較好，弧形規(guī)則，巖面平整，滿足了水工隧洞質(zhì)量要求。渣塊大小適中，符合100型履帶式扒渣機(jī)出渣粒徑，作業(yè)速度快。出渣采用小型汽車，運(yùn)輸速度快。放樣—鉆孔—裝藥—爆破—出渣—初期支護(hù)，每循環(huán)平均耗時(shí)8小時(shí)。達(dá)到了通過(guò)光面爆破設(shè)計(jì)控制超欠挖量的目的，同時(shí)在一定程度上滿足了安全、質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)的多重要求。