圓柱狀直線掏槽與空氣間隔裝藥相結(jié)合光面爆破施工工法

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

隧洞巖體開(kāi)挖是中小型水利水電建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一，爆破以其經(jīng)濟(jì)、安全、高效的施工特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)巖體結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖過(guò)程中。工程實(shí)踐中，為降低隧洞開(kāi)挖爆破對(duì)圍巖的損傷，在巖體開(kāi)挖輪廓線處通常采用光面爆破技術(shù)。傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)或費(fèi)用昂貴或操作費(fèi)時(shí)，巖體開(kāi)挖成型質(zhì)量差，給工程長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患，在很多中小型水利水電工程建設(shè)中，傳統(tǒng)的光面爆破在不斷的優(yōu)化。基于上述原因，大悟縣豐店-彭店水庫(kù)引水連通應(yīng)急工程中優(yōu)化了傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，摸索出圓柱狀直線掏槽與空氣間隔裝藥相結(jié)合的光面爆破技術(shù)。此技術(shù)的特點(diǎn)在于，將炸藥集中裝在孔底，在堵塞段和裝藥段之間形成空氣間隔；同時(shí)采用導(dǎo)爆雷管起爆，取消導(dǎo)爆索，簡(jiǎn)化了施工工藝，可取得與傳統(tǒng)光面爆破同等的半孔率或開(kāi)挖平整度，大大提高掏槽的成功率，減少炸藥浪費(fèi)的情況。

1 工法特點(diǎn)

?與普通爆破相比，該施工方法爆破鉆孔、裝藥技術(shù)要求較簡(jiǎn)單。

?隧洞圍巖表面光滑平整，降低了超、欠挖概率，對(duì)巖體擾動(dòng)小，施工安全有保障，減少了后期維護(hù)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

?施工工藝簡(jiǎn)單，易于掌握，便于操作，不采用導(dǎo)爆索，炸藥不需綁扎，降低了爆破器材成本，縮短了作業(yè)循環(huán)時(shí)間。

?能夠制造較好的臨空面，掏槽成功率高。

此工法適用于中小型水利工程、礦山、交通工程的隧洞輪廓面爆破。

2 工藝原理

光面爆破成縫的機(jī)理分為兩個(gè)過(guò)程，即應(yīng)力波的作用過(guò)程和高壓氣體的作用過(guò)程，兩個(gè)作用過(guò)程有先后，但又是連續(xù)不可分割的。首先是應(yīng)力波作用過(guò)程，當(dāng)應(yīng)力波從孔壁向四周傳播后，產(chǎn)生的切向拉伸應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度而使得巖石斷裂，初始裂紋由炮孔壁開(kāi)始向外在短距離范圍內(nèi)擴(kuò)展，如果相鄰孔傳播的應(yīng)力波疊加也會(huì)促使初始裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，應(yīng)力波的作用既能夠疊加，也能在炮孔之間出現(xiàn)某些發(fā)狀破裂，上述裂紋可能連通，這樣炮孔連線方向上出現(xiàn)較長(zhǎng)的裂縫的概率較其他方向上大得多，從而給輪廓面的形成創(chuàng)造有利的導(dǎo)向條件。隨后爆破產(chǎn)生高壓氣體作用在孔壁上，其作用時(shí)間長(zhǎng)，炮孔周?chē)纬蓽?zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，垂直于炮孔連線方向上會(huì)產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力，若炮孔間距足夠小，該拉伸應(yīng)力可以達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度的數(shù)倍，因此，即使應(yīng)力波沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，單靠高壓氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用也可能使巖石斷裂。

3 工藝流程及施工要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工工藝流程

3.2 施工要點(diǎn)

?施工人員要嚴(yán)格按照光面爆破設(shè)計(jì)說(shuō)明與爆破圖表要求施工。測(cè)量人員要及時(shí)給出巷道的腰線和中心線。鑿巖施工人員必須掌握巷道斷面規(guī)格和三心拱的形狀特征，熟記斷面參數(shù)并繪出三心拱的基本形狀。根據(jù)中心線，腰線準(zhǔn)確布置炮孔位置，炮孔方向及深度。嚴(yán)格控制周邊孔的間距，根據(jù)巖石的穩(wěn)定性和堅(jiān)硬程度為50～75cm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最佳炮孔間距。

?打孔時(shí)要找線與點(diǎn)，精心打出拱頂中孔，將鉆桿插入以指示方向，其他周邊孔與拱頂中孔平行打，頂孔需在渣堆或?qū)Ｓ闷脚_(tái)上打，周邊孔開(kāi)孔位置一般應(yīng)使炮孔中心落在設(shè)計(jì)輪廓線上，一般以5%的傾斜率向外傾斜，既每米炮孔向外傾斜5cm，根據(jù)炮孔深度調(diào)整傾斜率，保證周邊炮孔底在設(shè)計(jì)輪廓線外10cm左右。鉆桿鉆進(jìn)長(zhǎng)度要保證各孔底落在同一平面上，如開(kāi)挖面不齊，應(yīng)按實(shí)際情況調(diào)整炮孔深度和裝藥量，工作面規(guī)格不夠或嚴(yán)重不齊時(shí)，必須及時(shí)處理后才能繼續(xù)施工。

?為獲得較高的炮孔利用率和給光面層炮孔爆破創(chuàng)造良好的自由面，還需掌握好掏槽孔和輔助孔的位置，掏槽孔要布置在巖石軟弱部位，如巖石比較均勻，則布置在斷面中央或偏下部，采用何種掏槽形式，可根據(jù)巖石的種類(lèi)而定。

?炮孔打好后，必須用高壓風(fēng)吹干凈，對(duì)打好的炮孔進(jìn)行質(zhì)量檢查，如發(fā)現(xiàn)深度、位置、角度不合格的炮孔，應(yīng)重新打孔，經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能裝藥。

3.3 光面爆破設(shè)計(jì)

3.3.1 爆破參數(shù)

根據(jù)機(jī)械裝備情況，隧洞掘進(jìn)爆破一般選用鉆頭直徑為42mm。光面爆破最小抵抗線采用0.65m，炮孔間距采用0.5m，線裝藥密度采用0.8kg/m。

3.3.2 起爆網(wǎng)絡(luò)和裝藥結(jié)構(gòu)

爆破采用毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)，非電毫秒雷管引爆，先進(jìn)行直孔掏槽，然后依次按照起爆網(wǎng)絡(luò)對(duì)崩落孔和周邊孔進(jìn)行爆破，此施工工法中所介紹的隧洞尺寸為3.2m×3.4m。

a.掏槽孔布置。掏槽運(yùn)用圓柱狀的布孔方式，掏槽形式采用小直徑直孔掏槽，1個(gè)掏槽孔，8個(gè)輔助空孔，4個(gè)輔助掏槽孔，掏槽孔與周?chē)湛组g距為10cm，與MS3段輔助孔間距為25cm，與MS5段輔助孔間距為38cm。共分為三段爆破掏槽，MS1段最先起爆，與周?chē)目湛滓黄鹦纬梢粋€(gè)臨空面，MS3段與凌空面之間就會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似菱形的抵抗面，接著MS3段起爆，形成一個(gè)新的臨空面，MS5段與新形成的臨空面也會(huì)有一個(gè)類(lèi)似菱形的抵抗面，通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，形成菱形的抵抗面后，對(duì)于后面段位的爆破更加有利，孔位與段位布置如圖2所示。

MS1段的中心孔孔深為2.4m，裝藥11條，共2.2kg炸藥量，裝藥長(zhǎng)度為220cm，堵塞長(zhǎng)度為20cm，MS1段裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 掏槽孔布置示意

圖3 MS1裝藥結(jié)構(gòu)示意

MS3和MS5段掏槽孔孔深為2.2m，各裝藥10條，共4.0kg炸藥量，裝藥長(zhǎng)度為200cm，堵塞長(zhǎng)度為20cm。

b.崩落孔與周邊孔布置。崩落孔與周邊孔鉆孔深度均采用2.2m，其中崩落孔有13個(gè)，周邊孔有15個(gè)，共分為5個(gè)不同段位爆破。頂部弧線段周邊孔間距約為65cm，Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)圍巖側(cè)墻和底板周邊孔間距約為70cm，Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖側(cè)墻和底板周邊孔間距可適當(dāng)增加，孔位與段位布置如下頁(yè)圖4所示。

鉆孔參數(shù)及裝藥參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破鉆孔參數(shù)及裝藥參數(shù)

圖4 崩落孔與周邊孔布置示意

MS7段和MS9段各裝9條炸藥，裝藥長(zhǎng)度為180cm，堵塞長(zhǎng)度為20cm，裝藥與堵塞間隔20cm。

MS11段和MS13段各裝8條炸藥，裝藥長(zhǎng)度160cm，堵塞長(zhǎng)度20cm，裝藥與堵塞間隔40cm。

MS15段分4種不同的裝藥結(jié)構(gòu)，底板最外兩側(cè)孔各裝9條炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)與MS7、MS9相同，底板中間兩個(gè)孔各裝8條炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)與MS11、MS13相同，側(cè)墻孔內(nèi)各裝7條炸藥，圓弧段孔內(nèi)各裝藥4條，堵塞長(zhǎng)度均為20cm，裝藥與堵塞間隔分別為60cm和120cm。

4 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

?隧洞施工應(yīng)嚴(yán)格控制欠挖。當(dāng)巖層完整、巖石抗壓強(qiáng)度大于30MPa并確認(rèn)不影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度時(shí)，允許巖石個(gè)別突出部分欠挖(每1m2內(nèi)不宜大于0.1m2)，但其隆起量不大于50mm；拱腳和墻腳以上1m范圍內(nèi)嚴(yán)禁欠挖。

?應(yīng)盡量減少超挖，不同圍巖地質(zhì)條件下的允許超挖值規(guī)定，平均超挖值按以下公式計(jì)算。

?超挖部分必須采用強(qiáng)度不低于C20的混凝土回填密實(shí)。

?嚴(yán)格要求采取光面爆破技術(shù)。在施工中，嚴(yán)格按光面爆破要求施工，采取提高鉆孔精度、適當(dāng)控制藥量、不斷視爆破效果合理優(yōu)化和改善爆破參數(shù)等措施，提高光面效果，不斷提高爆破作業(yè)人員的技術(shù)水平。

?開(kāi)挖后宜采用斷面儀或激光投影儀直接測(cè)定開(kāi)挖面面積，并繪制斷面圖。

?隧洞周邊炮孔痕跡保存率是衡量開(kāi)挖面平整度的一個(gè)指標(biāo)，炮孔痕跡保存率應(yīng)滿足表2的規(guī)定。

表2 各種圍巖周邊炮孔痕跡保存率

注周邊炮孔痕跡保存率=(殘留有痕跡的炮孔數(shù)/周邊孔總數(shù))×100%。

5 安全措施

對(duì)施工作業(yè)人員加強(qiáng)安全教育和技能培訓(xùn)，提高應(yīng)對(duì)和防范安全隱患的意識(shí)和能力。

對(duì)爆破器材的領(lǐng)取、運(yùn)輸、使用要遵照民用爆炸物品管理?xiàng)l例和爆破安全規(guī)程的規(guī)定和要求。

裝藥前仔細(xì)檢查導(dǎo)爆管、炸藥、爆破器材有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題；起爆前認(rèn)真檢查起爆網(wǎng)絡(luò)連接情況；爆破后詳細(xì)檢查有無(wú)殘爆、盲炮情況。

隧洞開(kāi)挖后，應(yīng)由專(zhuān)職人員找頂，防止落石。危石沒(méi)有清除完畢，其他人員不得進(jìn)入工作面。

爆破人員應(yīng)持證上崗，爆破后20min方準(zhǔn)進(jìn)入工作面，確認(rèn)安全后方可清渣。瞎炮應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的爆破員處理，其他人員不得進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。

所有機(jī)電設(shè)備及施工機(jī)械應(yīng)由專(zhuān)人保管、專(zhuān)人操作，并在機(jī)械旁掛置操作警示牌，嚴(yán)禁違章操作。施工用電線路須按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架設(shè)，各種電器設(shè)備都應(yīng)安裝漏電保護(hù)器。

隧洞內(nèi)要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，記錄圍巖的變形情況。

6 環(huán)保措施

爆破作業(yè)應(yīng)查明空中纜線、地下管線的位置，確定爆破作業(yè)的危險(xiǎn)區(qū)域，并采取有效措施防止人、畜、建筑物和其他公共設(shè)施產(chǎn)生損失。

合理安排工作人員輪流操作機(jī)械，減少接觸高噪聲的時(shí)間，或穿插安排高噪聲和低噪聲的工作；對(duì)距噪聲源較近的施工人員，除采取戴防護(hù)耳塞或頭盔等勞保措施外，還應(yīng)適當(dāng)縮短其勞動(dòng)時(shí)間；注意保養(yǎng)機(jī)械和正常操作。

經(jīng)常對(duì)施工通道進(jìn)行灑水處理；隧洞內(nèi)的工程施工應(yīng)具備相應(yīng)的防塵、防水、防頂部落石等安全設(shè)施和環(huán)保措施，確保施工人員的人身健康安全。

施工期間不隨意破壞設(shè)計(jì)范圍外的任何植被及超占設(shè)計(jì)范圍外的任何土地，并嚴(yán)禁在河流、溝渠旁及棄土場(chǎng)以外的任何地方隨意傾倒垃圾及棄土。土石方棄碴應(yīng)妥善處理，不得侵占正式工程建筑物位置、擠壓河道、污染水源、引起流石流沙、毀壞農(nóng)田危及行車(chē)安全。

7 效益分析

圓柱狀直線掏槽與空氣間隔裝藥相結(jié)合的光面爆破技術(shù)提高了掏槽成功率，極大避免了掏槽不成功導(dǎo)致炸藥浪費(fèi)的情況，取消了導(dǎo)爆索較復(fù)雜的操作，不需要將炸藥綁到竹片上，簡(jiǎn)化了施工工藝，縮短了裝藥時(shí)間，而且成型斷面光爆效果好，能有效控制超欠挖，為后期混凝土襯砌提供了良好的作業(yè)面，輪廓爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)少，隧洞輪廓面光滑平順，整體美觀，有利于圍巖的穩(wěn)定，能有效減少落石、塌方的危險(xiǎn)。

采用傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)時(shí)，炸材費(fèi)用為85.52元/m3，鉆孔裝藥所需工時(shí)為3.9個(gè)/m；采用圓柱狀直線掏槽與空氣間隔裝藥相結(jié)合的光面爆破技術(shù)時(shí)，炸材費(fèi)用為57.57元/m3，鉆孔裝藥所需工時(shí)為2.7個(gè)/m，通過(guò)比較，后者可在炸材及人工成本上節(jié)省30%以上。

目前圓柱狀直線掏槽與空氣間隔裝藥相結(jié)合的光爆技術(shù)應(yīng)用于大悟縣豐店-彭店水庫(kù)連通應(yīng)急引水工程第一標(biāo)段、鄖西縣水石門(mén)水庫(kù)水源項(xiàng)目、鄖西縣天河干流水石門(mén)電站建設(shè)工程等三個(gè)項(xiàng)目上，在實(shí)際應(yīng)用中，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，設(shè)備損耗減少，炸材消耗少，施工進(jìn)度加快，施工質(zhì)量和安全得到了有效控制，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為其他項(xiàng)目采用該成果提供了較好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，豐富了小型隧洞光面爆破的開(kāi)挖方式，具有良好的應(yīng)用前景和社會(huì)效益，可推廣使用。