引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞開(kāi)挖爆破技術(shù)淺析

白少博

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著我國(guó)隧道及地下工程施工技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多隧道工程投入建設(shè)，鉆爆法開(kāi)挖是巖土開(kāi)挖的重要手段，以其地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、適于硬巖掘進(jìn)、成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。

山嶺隧道工程在鉆爆法開(kāi)挖過(guò)程中，如遇圍巖單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)100MPa時(shí)，由于硬巖鉆孔困難、缺少爆破臨空面、巖體夾制作用大等因素影響，往往需要加密掏槽炮孔、加深掏槽深度、增加掏槽藥量，這樣不僅施工進(jìn)度緩慢，而且加大了圍巖的擾動(dòng)，加之在大埋深、高地應(yīng)力地段應(yīng)力集中，巖爆發(fā)生的概率增加，影響施工安全，增加了施工難度。本文結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺隧道4號(hào)支洞在硬巖、巖爆地段的鉆爆開(kāi)挖施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)爆破方案、爆破參數(shù)、爆破施工、支護(hù)方案等技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞是為解決引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞TBM長(zhǎng)距離出渣和通風(fēng)問(wèn)題而在標(biāo)段中間設(shè)置的一座施工支洞。4號(hào)支洞位于秦嶺嶺南高中山區(qū)，山高坡陡，工點(diǎn)范圍內(nèi)地形起伏不平，最大高差約760m，支洞洞身埋深250~1430m，軸線與主洞上游方向水平夾角為45°0′0″，支洞平距5784m，斜距5820.21m，綜合縱坡-11.96%，施工斷面為圓拱直墻型，斷面凈空尺寸6.7m×6.5m（高×寬）?？v斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞通過(guò)區(qū)涉及地層主要為印支期花崗巖（γ5），圍巖以Ⅱ類圍巖為主，Ⅱ類圍巖總長(zhǎng)5186 m，Ⅲ類圍巖總長(zhǎng)500m，Ⅳ類圍巖總長(zhǎng)98m。4號(hào)支洞開(kāi)挖段主要以硬巖為主，巖體單軸干燥抗壓強(qiáng)度133.0 MPa～184.9 MPa，σmax=30.0 MPa。標(biāo)段地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖1 引漢濟(jì)渭4號(hào)支洞縱斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞4號(hào)洞地質(zhì)剖面圖

巖爆是在隧道開(kāi)挖后，在較短的時(shí)間內(nèi)巖體產(chǎn)生脆性破壞后巖體內(nèi)殘留的彈性應(yīng)變能突然釋放，發(fā)生高速崩潰、彈射、甚至拋擲的一種局部失穩(wěn)現(xiàn)象。引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞開(kāi)挖過(guò)程中累計(jì)發(fā)生巖爆58次（輕微巖爆30次，中等巖爆15次，強(qiáng)烈?guī)r爆13次），巖爆段共計(jì)1760 m，對(duì)施工安全造成較大影響。

2 爆破設(shè)計(jì)方案的選擇

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

光面爆破是一種合理利用炸藥能量的控制爆破技術(shù)，用于隧洞爆破時(shí)，既能夠爆下設(shè)計(jì)輪廓線以內(nèi)的巖石，又不使輪廓線以外的巖石受到明顯的破壞，而且在圍巖面留下半個(gè)清晰可見(jiàn)的孔痕，從而使斷面成形規(guī)整、穩(wěn)定，為噴錨支護(hù)創(chuàng)造有利條件。4號(hào)洞洞口露天采用人工輔助機(jī)械開(kāi)挖，保證邊坡光滑穩(wěn)定；洞身開(kāi)挖爆破根據(jù)圍巖特點(diǎn)合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼交錯(cuò)均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm；嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，采用間隔裝藥，使藥量沿炮眼全長(zhǎng)均勻分布，導(dǎo)爆管誘爆。根據(jù)地質(zhì)條件，4號(hào)支洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用全斷面光面爆破，Ⅳ類圍巖臺(tái)階法或全斷面開(kāi)挖，采用鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔，裝載機(jī)裝渣，自卸式汽車(chē)運(yùn)輸。人工配合挖掘機(jī)修整開(kāi)挖輪廓。

2.2 光面爆破參數(shù)的選擇

確定合理的隧洞開(kāi)挖爆破參數(shù)，是取得良好爆破效果與加快開(kāi)挖速度的前提。隧洞開(kāi)挖爆破參數(shù)主要包括炸藥消耗量、炮孔直徑、炮孔深度（角度、位置、孔口距和孔底距）。高地應(yīng)力穩(wěn)定性差地段的隧洞爆破參數(shù)設(shè)計(jì)上主要采取“短進(jìn)尺、密集孔、弱爆破”的開(kāi)挖方式，以減少爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，對(duì)堅(jiān)硬完整巖體的爆破設(shè)計(jì)采數(shù)可適當(dāng)放寬。

表1 爆破參數(shù)表

參照類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，得出本工程爆破參數(shù)：

（1）孔深確定：Ⅱ、Ⅲ類圍巖取3m、Ⅳ、Ⅴ類圍巖取0.5～1.0m；

（2）周邊光爆孔孔網(wǎng)確定：根據(jù)a/w=0.07～1.0原則確定，一般孔距a不大于Ⅱ、Ⅲ類圍巖≤50 cm，Ⅳ類圍巖≤35 cm；最小抵抗線w=60～80 cm，Ⅱ、Ⅲ類圍巖取65 cm，Ⅳ類圍巖取75 cm；

（3）周邊眼線裝藥密度確定：q線在硬巖段一般取100～150g/m；

（4）掘進(jìn)孔孔網(wǎng)參數(shù)確定：

掘進(jìn)孔孔網(wǎng)根據(jù)單孔裝藥量負(fù)擔(dān)面積確定：

式中，Q單為單孔裝藥量；q為單耗；l為孔深；a為孔距；w為抵抗線；S為炮孔負(fù)擔(dān)面積。

（5）掏槽方式

采用楔形掏槽。楔形掏槽適用于中等硬度以上的圍巖，且隧洞斷面大于4m2的工作面。

（6）單耗確定：?jiǎn)魏母鶕?jù)前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖周邊眼取0.2 kg/m。

2.3 炮孔布置及藥量分配

2.3.1 炮孔布置

按掘進(jìn)斷面的炮孔位置和作用，炮孔分為周邊眼、掏槽眼和掘進(jìn)眼，引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞開(kāi)挖斷面在開(kāi)挖輪廓線設(shè)置一圈周邊眼，中線兩側(cè)1.3 m位置設(shè)置兩排掏槽眼，掏槽眼與工作面的交角為68°、72°，沿拱頂周邊眼內(nèi)側(cè)設(shè)置三排掘進(jìn)眼，為了獲得更好的掘進(jìn)效果，在掏槽眼和周邊眼之間分別設(shè)置了三排輔助眼，與工作面交角分別為 76°、81°、88°。4# 支洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖斷面爆破炮孔布置圖見(jiàn)圖3。4#支洞Ⅳ類圍巖斷面爆破炮孔布置圖見(jiàn)圖4。

圖3 Ⅱ、Ⅲ類圍巖斷面爆破炮孔布置圖

圖4 Ⅳ類圍巖斷面爆破炮孔布置圖

2.3.2 裝藥參數(shù)

（1）藥卷規(guī)格、裝藥密度：藥卷直徑為φ32和φ40兩種規(guī)格，裝藥密度為ρ=0.95~1.25 g/cm3，爆速不低于4500 m/s，周邊孔采用低威力、低爆速炸藥，藥卷直徑為φ32。

（2）炸藥單耗：Ⅱ、Ⅲ類圍巖為1.89 kg/m3；Ⅳ類圍巖上臺(tái)階裝藥量為0.33 kg/m3，下臺(tái)階為0.45 kg/m3。

Ⅱ、Ⅲ類圍巖爆破參數(shù)表見(jiàn)表2。

2.3.3 裝藥方法、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔堵塞及起爆網(wǎng)絡(luò)

（1）裝藥方法

人工使用炮棍裝藥，起爆體均在火工品加工房進(jìn)行加工，起爆體必須專人加工，分段存放。

表2 Ⅱ、Ⅲ類圍巖爆破參數(shù)表

（2）裝藥結(jié)構(gòu)

周邊眼采用光面或預(yù)裂爆破，裝藥結(jié)構(gòu)為間隔裝藥；掏槽孔和掘進(jìn)孔、底板孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

（3）炮孔堵塞

炮孔采用人工堵塞，堵塞材料為粘性土卷(需提前加工)，用木制炮棍壓緊。堵塞長(zhǎng)度一般不小于30 cm；嚴(yán)禁不堵孔爆破。

（4）起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

起爆網(wǎng)路采用先并聯(lián)、后串聯(lián)組成起爆。

每段雷管段數(shù)采用并聯(lián)方式進(jìn)行連接后，接頭位置采用2根導(dǎo)爆管反向傳爆，等每段段數(shù)并聯(lián)完成后，最后將所有的段數(shù)進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)采用2根瞬發(fā)電雷管進(jìn)行起爆，采用起爆器起爆。

2.3.4 爆破效果監(jiān)測(cè)

超欠挖檢查:開(kāi)挖輪廓圓順，開(kāi)挖面平整檢查;爆破進(jìn)尺是否達(dá)到爆破設(shè)計(jì)要求;爆出石渣塊是否適合裝渣要求；炮眼痕跡保存率，硬巖≥80%，軟巖≥60%并在開(kāi)挖輪廓面上均勻分布。

2.3.5 爆破安全度計(jì)算

（1）由于爆破過(guò)程中部分炸藥能量轉(zhuǎn)化為地震波，同時(shí)產(chǎn)生一定飛石、沖擊波、爆破毒氣和噪聲，影響機(jī)械設(shè)備、環(huán)境及生命財(cái)產(chǎn)的安全，務(wù)必對(duì)其安全情況進(jìn)行校驗(yàn)，采取嚴(yán)格的防范措施加以保護(hù)確定爆破安全。

爆破振動(dòng)計(jì)算：

控制最大段裝藥量為，Q max=1.5 kg，V=k（Q1/3/R）a，取 k=50，a=1.3，R=65 M 時(shí)，V=50×（1.5/3/65）1.5=0.58 cm/s＜1cm/s（山體穩(wěn)定度）。

（2）根據(jù)《中華人民共和國(guó)爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）中有關(guān)爆破安全振動(dòng)速度的要求，房屋類建筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全振動(dòng)速度規(guī)定如下：

土窯洞、土坯房、毛石房屋：1.0 cm/s；一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物：2～3 cm/s；鋼筋混凝土框架房屋：5 cm/s。

由于爆破設(shè)計(jì)參數(shù)和樓房現(xiàn)有質(zhì)量與實(shí)際情況存在一些差異，因此實(shí)際建筑物對(duì)施工爆破振動(dòng)的要求可能更高，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)還需要考慮一定的安全系數(shù)。本工程設(shè)計(jì)文件給出下穿房屋段時(shí)爆破振動(dòng)波速應(yīng)控制在1.5～2.0 cm/s，本次施工設(shè)計(jì)在實(shí)際選用上，一般磚混結(jié)構(gòu)房屋選其下限1.5 cm/s，框架結(jié)構(gòu)房屋選其上限2.0 cm/s。

區(qū)段為Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖，Ⅱ級(jí)為主，按中硬巖石取K=250，a=1.8，爆心距R=21m，振動(dòng)安全速度框架結(jié)構(gòu)選V=2.0 cm/s則：

最大分段藥量Q=（V/K）3/a.R3=2.9 kg

區(qū)段為Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖，Ⅲ級(jí)為主，按硬巖石取K=150，a=1.5，爆心距R=23m，振動(dòng)安全速度框架結(jié)構(gòu)選V=2.0 cm/s則：

最大分段藥量Q=（V/K）3/a.R3=2.16 kg

區(qū)段為Ⅳ級(jí)圍巖，按軟巖石取K=300，a=1.9，爆心距R=44m，振動(dòng)安全速度磚混結(jié)構(gòu)選V=1.5 cm/s則：

最大分段藥量Q=（V/K）3/a.R3=19.9 kg

躲炮距離均按照300～500m范圍加強(qiáng)警戒。

3 巖爆洞段輔助開(kāi)挖措施

開(kāi)挖：巖爆地段采用“短進(jìn)尺、密集孔、弱爆破”的開(kāi)挖方式，有針對(duì)性的調(diào)整爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)。

支護(hù)：（1）利用鑿巖臺(tái)車(chē)施作超前應(yīng)力釋放孔，每循環(huán)10個(gè)，孔深5m；

（2）利用噴砼臺(tái)車(chē)初噴納米仿鋼纖維砼3～5 cm，而后復(fù)噴至15 cm；

（3）利用人工配合鑿巖臺(tái)車(chē)施作Ф22砂漿錨桿，L=3.5 m，間距1.2m×1.2m，錨桿墊板20 cm×20 cm（厚度8mm）。施作范圍根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果確定，必要時(shí)，可采取漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿；

（4）由人工配合機(jī)械采用I16型鋼拱架支護(hù)，縱向間距0.8～1.2m。

4 結(jié)語(yǔ)

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞4號(hào)支洞作為引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞中段通風(fēng)、出渣的臨時(shí)施工支洞，在鉆爆開(kāi)挖施工過(guò)程中分別遭遇硬巖、巖爆、圍巖坍塌等不良地質(zhì)，施工難度大，同時(shí)施工工期相對(duì)緊張，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)合理設(shè)計(jì)開(kāi)挖方法、組織開(kāi)挖工序和優(yōu)化爆破參數(shù)，獲得了合理應(yīng)對(duì)硬巖、巖爆條件下的鉆爆開(kāi)挖技術(shù)，保證了支洞工程的安全、快速開(kāi)挖施工。