大型引水支洞開(kāi)挖圍巖爆破技術(shù)及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢(xún)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

大型引水支洞圍巖爆破存在許多技術(shù)難點(diǎn)[1]，為降低爆破施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響，需要對(duì)圍巖爆破技術(shù)進(jìn)行整體規(guī)劃，并優(yōu)化爆破參數(shù)[2]。當(dāng)前，對(duì)于圍巖爆破施工設(shè)計(jì)主要集中在港口、航道工程方面[3- 5]，而對(duì)于大型引水支洞圍巖爆破的研究還較少。近些年來(lái)，隨著區(qū)域調(diào)水工程的增多，引水支洞圍巖爆破的技術(shù)難點(diǎn)不斷涌現(xiàn)[6- 9]，為降低引水支洞爆破施工對(duì)支洞圍巖穩(wěn)定性的影響，本文結(jié)合大型引水支洞開(kāi)挖工程實(shí)例，對(duì)支洞開(kāi)挖圍巖爆破技術(shù)及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，研究成果對(duì)于其他圍巖爆破工程設(shè)計(jì)及施工具有重要的參考價(jià)值。

1 爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)合SL 378—2016《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》及工程現(xiàn)場(chǎng)的爆破物理模型試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)圍巖爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修正，優(yōu)化修正后的圍巖預(yù)裂爆破參數(shù)計(jì)算方程為：

W=60～90

(1)

a=(7～20)d

(2)

q=0.042[σp]0.63a0.60

(3)

式中，W—最小抵抗線(xiàn)，cm；a—炮孔之間間距，cm；d—預(yù)裂孔徑，cm，硬巖和破碎巖的炮孔間距取小值，對(duì)于軟巖取大值；q—裝藥密度，kg/m，該值為全部裝藥量減去底部增加的火藥量后除以裝藥的長(zhǎng)度；σp—巖體的極大抗壓強(qiáng)度，MPa，按照爆破工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，巖體的極大抗壓強(qiáng)度一般取其巖石極限強(qiáng)度的70%～80%作為標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于光巖爆破，其優(yōu)化參數(shù)方程為：

W=(7～20)d

(4)

a=(1.0～1.5)W

(5)

q=kaW

(6)

式中，k—松動(dòng)爆破圍巖每m2的消耗的火藥量，可參考文獻(xiàn)[10]對(duì)該值進(jìn)行設(shè)定。

2 工程實(shí)例概況

供水工程施工支洞長(zhǎng)度為1237.9m，縱坡為9.928﹪。支洞斷面為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸6.6m×6.0m(寬×高)。圍巖以Ⅲ、Ⅳ類(lèi)為主，剩余工程量中Ⅲ類(lèi)圍巖長(zhǎng)271.9m，Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)100m。Ⅲ類(lèi)圍巖拱頂局部布置Φ22，L=2.5m錨桿，拱頂局部Φ8@200×200mm鋼筋網(wǎng)，噴射C30混凝土厚度t=120mm；Ⅳ類(lèi)圍巖系統(tǒng)錨桿Φ22@1000×1000，L=2.5m，拱頂鋼筋網(wǎng)(拱頂148.6°)Φ8@150×150mm，I16型鋼鋼架支撐，噴射C30混凝土厚度t=150mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出現(xiàn)其他圍巖類(lèi)型，按照其他圍巖支護(hù)形式進(jìn)行支護(hù)，工程量情況見(jiàn)表1。

表1 引水支洞主要工程量表

3 支洞圍巖爆破技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化研究

3.1 圍巖爆破技術(shù)

3.1.1 爆破作業(yè)特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)本工程支洞的分析，支洞石方洞挖具有以下主要特點(diǎn)：

(1)支洞開(kāi)挖為城門(mén)洞型斷面，洞室斷面不大，但需要根據(jù)不同的圍巖制定最佳的分部開(kāi)挖方法，確保洞室開(kāi)挖穩(wěn)定。

(2)在開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)洞室周邊實(shí)施光面爆破技術(shù)，確保洞室成形光滑、圓順及美觀(guān)，并采取有效措施，將爆破對(duì)拱部圍巖的擾動(dòng)降低至最小程度。

(3)在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋信息，調(diào)整控制爆破參數(shù)，進(jìn)行信息化鉆爆設(shè)計(jì)與施工。

3.1.2 爆破方案確定

(1)循環(huán)進(jìn)尺確定

根據(jù)石方洞挖斷面內(nèi)不同部位、所使用的鉆孔機(jī)具以及開(kāi)挖方法，確定各部位的循環(huán)進(jìn)尺，Ⅲ類(lèi)圍巖采用3m的循環(huán)進(jìn)尺，圍巖較差的Ⅳ類(lèi)部位采用1.0～1.5m的循環(huán)進(jìn)尺。

(2)鉆孔設(shè)備及鉆孔直徑確定

主要采用手風(fēng)鉆造孔，選用Ф42mm鉆頭。

3.1.3 圍巖爆破器材類(lèi)型選用

應(yīng)根據(jù)施工圍巖的具體地質(zhì)特性，選用匹配性能較高、具有較強(qiáng)防水功能、爆破威力較為適宜以及在現(xiàn)場(chǎng)比較容易進(jìn)行分割的乳化質(zhì)炸藥進(jìn)行圍巖爆破施工，而在起爆器材上則選用具有延時(shí)功能的雷管進(jìn)行起爆。

3.1.4 鉆孔參數(shù)

掏槽孔：在洞室中取一個(gè)超前上導(dǎo)坑的作用，其循環(huán)進(jìn)尺決定著整個(gè)洞室的掘進(jìn)速度，為了確保每炮掘進(jìn)進(jìn)尺，根據(jù)本單位在隧洞中的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，支洞選用掏槽的方式進(jìn)行開(kāi)挖。

炮眼布置及孔網(wǎng)參數(shù)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，掏槽區(qū)應(yīng)布置在斷面的中下方，以減少石渣拋距，便于機(jī)械裝渣，且要求炮眼間距較密，以確保掏槽成功；周邊孔嚴(yán)格按光面爆破要求布置，間距0.5m，線(xiàn)裝藥密度為150～200g/m；崩落孔一般均勻布置，其孔距或排距應(yīng)控制在0.6～1.2m左右。

3.1.5 起爆網(wǎng)絡(luò)

工程地下洞室石方洞挖均采用非電毫秒延期雷管分段延期起爆，采用電雷管引爆。

3.2 圍巖爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖開(kāi)挖爆破參數(shù)見(jiàn)表2- 3。最大單響藥量須控制在規(guī)范要求之內(nèi)，施工中圍巖爆破設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爆破情況進(jìn)行逐步優(yōu)化。結(jié)合延時(shí)雷管進(jìn)行區(qū)域總的爆破實(shí)施起爆器材，采用毫秒微差的方式進(jìn)行雷管爆破施工。在進(jìn)行圍巖爆破時(shí)則針對(duì)圍巖主要類(lèi)型及周邊的爆破方式，形成一個(gè)較為光滑且平整度高的開(kāi)挖施工斷面，進(jìn)行爆破工程后，根據(jù)實(shí)際圍巖爆破情況進(jìn)行不同方式的支護(hù)。

表2 支洞III類(lèi)圍巖爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 支洞IV類(lèi)圍巖爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

從表2可看出，對(duì)于III類(lèi)圍巖而言，掏槽孔深度為2.1～4.0m，孔徑及藥卷直徑分別為Ф42及Ф32，單孔裝藥量在1.36～2.88kg之間，而對(duì)于該類(lèi)圍巖的崩落孔，孔深度為3.7m，單孔裝藥量為2.56kg，排距在0.5～0.7m之間。而對(duì)于周邊孔，其裝藥量最小，為180g/m。而從表3中可看出，IV類(lèi)圍巖其掏槽孔深度為1.5～2.4m，孔徑及藥卷直徑均與III類(lèi)圍巖相同，其單孔藥量要小于Ⅲ類(lèi)圍巖，為0.88～1.6kg，而對(duì)于這類(lèi)圍巖的崩落孔，其排距大于Ⅲ類(lèi)圍巖，為0.6～0.75m之間，但是單孔裝藥量偏小。對(duì)于IV類(lèi)圍巖的周邊孔，其藥卷直徑為前兩個(gè)類(lèi)別孔洞的一半，單孔裝藥量直接同Ⅲ類(lèi)圍巖一致。

3.3 圍巖爆破保障措施

(1)爆破鉆孔流程保障措施

在鉆孔施工過(guò)程嚴(yán)格按照中部、腰部以及整體輪廓線(xiàn)的方式進(jìn)行鉆孔布設(shè)工作，在各個(gè)炮孔及爆破分區(qū)中固定人員固定方位，并對(duì)鉆孔施工質(zhì)量進(jìn)行追蹤和嚴(yán)格控制。爆破施工技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行爆破參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。采用“平、直、齊”的施工作業(yè)流程，由施工監(jiān)理人員進(jìn)行仔細(xì)檢查，要求每一個(gè)炮孔的底部在同一個(gè)垂直斷面上。為了減少支洞的超挖量，所有爆破區(qū)域的周邊外孔為最小的偏向角度。各類(lèi)型炮孔之間的偏差距離不大于5cm，其他炮孔間距之間的偏差不大于10cm。

(2)裝藥、聯(lián)線(xiàn)、起爆流程保障措施

在裝火藥前對(duì)炮孔內(nèi)進(jìn)行高壓噴射沖洗，炮孔環(huán)境達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后，才可進(jìn)行圍巖爆破工程實(shí)施。裝藥過(guò)程中易造成炮孔堵塞并引起爆炸線(xiàn)路聯(lián)結(jié)，因此在爆破過(guò)程必須采取嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制，在炮孔裝藥期間需要有成熟的技術(shù)工人按照爆破流程進(jìn)行施工操作，在巖體光面區(qū)域的炮孔以及預(yù)裂孔上部區(qū)域安防竹片進(jìn)行不同間隔的裝藥過(guò)程。支洞開(kāi)挖的平臺(tái)區(qū)域停放高部區(qū)域炮孔裝藥的登高設(shè)備。掏槽孔、擴(kuò)槽孔及其他類(lèi)型炮孔之間必須進(jìn)行密實(shí)處理，對(duì)炮孔區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)密堵塞。在施工過(guò)程中對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，最后通過(guò)爆破施工及技術(shù)監(jiān)理人員現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)復(fù)核，確保爆破安全后，由爆破施工人員進(jìn)行支洞圍巖的爆破施工。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在大型引水支洞圍巖爆破中應(yīng)遵循“立體多層次、平面多工序”的原則進(jìn)行操作，在保障引水支洞整體穩(wěn)定安全的前提下，實(shí)現(xiàn)各道工序的順利開(kāi)展，可很大程度提高圍巖爆破的施工進(jìn)度。

(2)在支洞開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行支護(hù)方式調(diào)整，總體超挖控制在18cm以?xún)?nèi)，殘孔率控制在85%以上，為同類(lèi)型支洞圍巖開(kāi)挖爆破提供參考。

(3)還需對(duì)高應(yīng)力、大埋深支護(hù)方式下的不平衡支護(hù)理論、支洞圍巖爆破的開(kāi)挖方式、順序以及支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行深入研究。