分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)實(shí)踐

王忠康，顧曉薇，施傳斌，胥孝川，王 青

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.鴻基建設(shè)工程有限公司，浙江 溫州 325800)

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，交通隧道、能源洞庫(kù)等大斷面巖石地下工程建設(shè)日益增多。目前，鉆爆法仍是硬巖掘進(jìn)開(kāi)挖的主要手段。然而，爆炸破巖的同時(shí)難免產(chǎn)生爆破振動(dòng)等有害效應(yīng)，所以控制爆破振動(dòng)等有害效應(yīng)歷來(lái)是工程爆破中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，掏槽孔振動(dòng)強(qiáng)度大于其他炮孔，控制爆破振動(dòng)的關(guān)鍵在于控制掏槽孔[1-3]，石洪超等[4]采用孔內(nèi)分段毫秒延時(shí)起爆的掏槽孔間隔裝藥技術(shù)，能夠有效控制爆破振動(dòng)，相比于常規(guī)爆破技術(shù)振動(dòng)強(qiáng)度可降低30%以上。杜小剛等[5]針對(duì)泄水洞0.5 m超小凈距下穿高鐵隧道工程，研究采用砂質(zhì)緩沖和鋼筋混凝土板加固組成的減振保護(hù)結(jié)構(gòu)，減振效果良好，給出了基于預(yù)設(shè)緩沖層等技術(shù)措施的超小凈距下穿隧道減振體系。管曉明等[6]采用多級(jí)楔形掏槽+分部爆破+孔外延時(shí)的綜合爆破減振技術(shù)，有效控制爆破振速在安全限值以下，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下安全、經(jīng)濟(jì)、快速的穿越城市建筑群和地下管線等高風(fēng)險(xiǎn)源區(qū)的隧洞開(kāi)挖爆破。此外，采用高精度延時(shí)起爆的電子雷管等延時(shí)爆破技術(shù)對(duì)控制爆破振動(dòng)也較為有利，工程實(shí)踐表明[7-9]，與普通導(dǎo)爆管雷管相比，可有效降振30%～60%。由于待爆巖體差異很大，加之掘進(jìn)爆破作用機(jī)理還不夠完善，實(shí)際工程中往往是以理論分析為基礎(chǔ)，經(jīng)工程類(lèi)比后設(shè)計(jì)爆破方案，再經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)與調(diào)整確定最佳施工方案?；诘叵滤馐投磶?kù)對(duì)爆破開(kāi)挖的特殊要求，針對(duì)特大斷面硬巖隧洞爆破開(kāi)挖存在的諸多問(wèn)題，提出“大洞小打，分部開(kāi)挖”原則，研究制定分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)，以期能夠?yàn)樘卮髷嗝嬗矌r掘進(jìn)開(kāi)挖提供弱振動(dòng)、高效率的鉆爆開(kāi)挖技術(shù)。

1 工程概況

華南某儲(chǔ)存500萬(wàn)m3水封石油儲(chǔ)庫(kù)工程是目前世界上規(guī)劃庫(kù)容最大的超大型地下水封洞庫(kù)，由5組洞罐共10個(gè)長(zhǎng)約900 m的主洞室組成。洞室設(shè)計(jì)斷面為直墻圓拱形，本次爆破對(duì)象為洞室頂部特大斷面拱形巷道，其跨度20 m，高10 m。庫(kù)區(qū)屬低山至丘陵區(qū)，巖體主要為黑云母二長(zhǎng)花崗巖，屬于堅(jiān)硬，普氏系數(shù)約為11～13，巖體完整性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育。隧洞掘進(jìn)采用全斷面一次爆破開(kāi)挖，施工過(guò)程中存在爆破振動(dòng)過(guò)強(qiáng)、掏槽效果不佳、炮孔利用率不高、壁面成型不良及圍巖損傷過(guò)大等問(wèn)題，出現(xiàn)導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢、質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，爆破方案亟待改進(jìn)，爆破效果亟待提高的情況。

2 存在問(wèn)題

超大斷面硬巖隧洞前期開(kāi)挖采用全斷面一次爆破，然而，由于一次起爆藥量過(guò)多且爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不甚合理，施工過(guò)程遇到諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響到隧洞掘進(jìn)速度與質(zhì)量。

1)掏槽孔設(shè)置不合理，孔底距高達(dá)130 cm，距離過(guò)大，爆后巖石破壞區(qū)不能相互貫通，在掏槽底部留有較大體積的根底。

2)中深孔爆破，設(shè)計(jì)孔深為3.7 m，實(shí)際進(jìn)尺僅為2.6～2.8 m，炮孔利用率低于75%，影響掘進(jìn)速度。

3)斷面超大，約為170 m2，炮孔數(shù)量多，單次起爆藥量高達(dá)645 kg，最大單段藥量達(dá)80 kg，圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速高達(dá)18.5 cm/s，產(chǎn)生的振動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈，造成周邊巖體產(chǎn)生較多微小裂紋，開(kāi)挖質(zhì)量難以達(dá)到地下水封石油洞庫(kù)的設(shè)計(jì)要求。

4)周邊孔裝藥不夠均勻，光面爆破效果不理想，超、欠挖現(xiàn)象普遍存在，爆后半孔率不足70%，壁面成型不佳。

3 改進(jìn)方案

在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)施工情況及前期的施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)隧洞爆破開(kāi)挖存在的諸多問(wèn)題，提出“大洞小打，分部開(kāi)挖”原則，研究制定分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)，即左側(cè)開(kāi)挖先行，右側(cè)擴(kuò)挖跟進(jìn)；左側(cè)開(kāi)挖寬12 m，右側(cè)開(kāi)挖寬 8 m。優(yōu)化爆破參數(shù)，改進(jìn)炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)，采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配合人工作業(yè)，精細(xì)化施工。鉆孔直徑45 mm，采用2號(hào)巖石乳化炸藥，用導(dǎo)爆管雷管引爆，周邊孔光面爆破時(shí)輔以導(dǎo)爆索。

3.1 爆破設(shè)計(jì)

1)掏槽形式。隧洞掘進(jìn)爆破自由面單一，受到周?chē)鷰r體的夾制作用大，掏槽效果對(duì)開(kāi)挖進(jìn)程往往起著決定性作用。楔形掏槽具有炮孔數(shù)目少、巖石容易拋擲、鉆孔精度要求低等諸多優(yōu)勢(shì)，在中、大斷面硬巖掘進(jìn)開(kāi)挖中應(yīng)用最為普遍[10-11]。隧洞左側(cè)開(kāi)挖時(shí)，選用三級(jí)復(fù)式楔形掏槽。由于開(kāi)挖斷面大，掏槽孔間距取值相比中、小斷面明顯增大，掏槽孔布置如圖1所示。

圖1 掏槽孔布置Fig.1 Layout of cut holes

2)輔助孔。輔助孔是單次循環(huán)崩落巖石的主體，在掏槽孔和周邊孔布設(shè)完畢之后，均勻布置在開(kāi)挖工作面上。由于掏槽孔已為輔助孔爆破提供了更好的自由面條件和巖石膨脹空間，輔助孔最小抵抗線偏大，常在70～90 cm之間取值，裝藥量比掏槽孔小。

3)周邊孔光面爆破。周邊孔的光面爆破是決定隧洞開(kāi)挖成型質(zhì)量的關(guān)鍵所在，光面爆破效果主要受炮孔間距、光爆層厚度、裝藥集中度及炮孔密集系數(shù)等因素影響。根據(jù)硐室圍巖情況及施工經(jīng)驗(yàn)，周邊孔間距E=56 cm，光爆層厚度W=70 cm，則密集系數(shù)K=E/W=0.8。周邊孔采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，常按松動(dòng)爆破來(lái)計(jì)算裝藥量。本工程光爆孔裝填特制的φ25 mm藥卷并輔以導(dǎo)爆索爆破，以便獲得良好的光面爆破效果，裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charging structure of contour holes

3.2 左側(cè)開(kāi)挖

左側(cè)開(kāi)挖斷面面積S=105 m2，結(jié)合花崗巖巖性，依據(jù)理論計(jì)算及施工經(jīng)驗(yàn)確定炮孔數(shù)目N=186，炮孔布置如圖3所示。

圖3 左側(cè)炮孔布置Fig.3 Layout of boreholes on the left

開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺定為3.4 m，炮孔深3.7 m，掏槽孔超深20 cm。掏槽孔和輔助孔裝填φ32 mm藥卷，導(dǎo)爆管雷管孔底起爆，延時(shí)爆破，裝藥參數(shù)如表1所示。

表1 左側(cè)開(kāi)挖裝藥參數(shù)Table 1 Charging parameters of left excavation

3.3 右側(cè)擴(kuò)挖

右側(cè)擴(kuò)挖斷面面積S=65 m2，結(jié)合花崗巖巖性，依據(jù)理論計(jì)算及施工經(jīng)驗(yàn)確定炮孔數(shù)目N=100，炮孔布置如圖4所示。

圖4 右側(cè)炮孔布置Fig.4 Layout of boreholes on the right

擴(kuò)挖循環(huán)進(jìn)尺定為3.6 m，炮孔深3.8 m。輔助孔裝填φ32 mm藥卷，導(dǎo)爆管雷管孔底起爆，延時(shí)爆破，裝藥參數(shù)如表2所示。

表2 右側(cè)擴(kuò)挖裝藥參數(shù)Table 2 Charging parameters of right excavation

4 效果與分析

測(cè)振儀器選用成都中科測(cè)控生產(chǎn)的TC-4850爆破測(cè)振儀，測(cè)點(diǎn)布置于已開(kāi)挖隧洞的拱頂、左側(cè)壁(高約2.0 m)、左側(cè)拱肩(高約4.5 m)、右側(cè)拱肩(高約4.5 m)和右側(cè)壁(高約2.0 m)，距掌子面距離約為35 m。記錄每一循環(huán)爆破圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of blasting vibration

掏槽孔單段最大藥量約為49 kg，輔助孔單段最大藥量約為54 kg。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，即使輔助孔和周邊孔爆破的單段藥量稍微大于掏槽孔爆破的單段藥量，掏槽孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)仍然最為強(qiáng)烈。這是由于掏槽孔爆破自由面單一，周?chē)鷰r體夾制作用大，導(dǎo)致更多的爆炸能量傳入巖體，引起圍巖振動(dòng)較為強(qiáng)烈。隧洞壁振速峰值出現(xiàn)在左側(cè)壁和左側(cè)拱肩附近區(qū)域，拱頂區(qū)域振速相對(duì)偏小，因?yàn)楣绊敎y(cè)點(diǎn)爆心距更大。右側(cè)壁和右側(cè)拱肩附近區(qū)域振速明顯小于左側(cè)相應(yīng)區(qū)域的振速，這是由于采用左右分幅爆破，左側(cè)先行開(kāi)挖產(chǎn)生的爆破地震波經(jīng)右側(cè)預(yù)留巖體的阻隔已經(jīng)衰減，作用于右側(cè)圍巖的應(yīng)力峰值相對(duì)較小，引發(fā)的振動(dòng)較弱，右側(cè)預(yù)留巖體對(duì)圍巖起到保護(hù)作用。

數(shù)十次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均獲得了良好的爆破效果(見(jiàn)圖5)。改進(jìn)前，圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速達(dá)18.5 cm/s，明顯超出限值，不可避免地對(duì)隧洞周邊巖體造成較大損傷，開(kāi)挖質(zhì)量難以達(dá)到水封石油洞庫(kù)的密封要求，需要對(duì)微小裂隙進(jìn)一步密封處理，增加了施工成本，降低了施工效率。改進(jìn)后，圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速約為13.1 cm/s，降低29.2%，峰值振速控制在限值以?xún)?nèi)，圍巖損傷減輕，微小裂隙減少，洞庫(kù)密封性能有了較大提升。通過(guò)優(yōu)化掏槽形式及布置，相比之前減小了掏槽孔底距，將其控制在100 cm左右，提高了掏槽孔利用率，爆后未再出現(xiàn)大體積根底，開(kāi)挖斷面更為平整，為下一循環(huán)鉆孔作業(yè)提供了較大便利。硬巖隧洞爆破開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺大為改善，改進(jìn)前平均炮孔利用率不到75%，改進(jìn)后平均炮孔利用率高達(dá)90%以上，利用率約提高15%，單次循環(huán)進(jìn)尺達(dá)3.2～3.4 m，提高了掘進(jìn)開(kāi)挖效率。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，光面爆破的半孔率提高到85% 以上，開(kāi)挖成型良好，超、欠挖值均控制在限值以?xún)?nèi)，壁面光滑、平整。改進(jìn)前，全斷面爆破的單次起爆藥量高達(dá)645 kg，炸藥單耗約為1.4 kg/m3；改進(jìn)后，左側(cè)開(kāi)挖的單次起爆藥量為395.13 kg，炸藥單耗約為1.1 kg/m3；右側(cè)擴(kuò)挖的單次起爆藥量為195.90 kg，炸藥單耗約為0.9 kg/m3；每循環(huán)進(jìn)尺總藥量為591.03 kg，節(jié)省炸藥約54 kg，成本更低，效率更高。

圖5 光爆效果Fig.5 Effects of smooth blasting

獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)，自由面單一，周?chē)鷰r體夾制作用大，爆破更為困難，爆破振動(dòng)往往也更為劇烈。分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)可將大斷面劃分為兩個(gè)及兩個(gè)以上的較小斷面，單次起爆藥量和最大單段藥量均有所減少，通過(guò)控制爆源的能量釋放達(dá)到減振的目的。同時(shí)，前次爆破也為后續(xù)斷面爆破創(chuàng)造了新的自由面，并提供巖石膨脹空間，炸藥爆炸能量可以更多地用來(lái)破巖，在減振方面也起到一定的積極作用。此外，分幅減振爆破所創(chuàng)造良好的自由面條件及適宜的開(kāi)挖次序，在提升炮孔利用率，提高壁面成型質(zhì)量及節(jié)能減耗等方面也具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水封石油洞庫(kù)頂部170 m2三心拱形巖巷全斷面爆破開(kāi)挖掏槽效果不佳、炮孔利用率不高、爆破振動(dòng)過(guò)強(qiáng)及圍巖損傷過(guò)大等問(wèn)題，通過(guò)理論分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出“大洞小打，分部開(kāi)挖”原則，研究制定分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)。工程實(shí)踐表明，分幅減振爆破開(kāi)挖技術(shù)在爆破減振、提升炮孔利用率、提高壁面成型質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì)明顯，能夠滿足水封石油洞庫(kù)爆破開(kāi)挖的設(shè)計(jì)要求，可為硬巖大斷面鉆爆開(kāi)挖提供借鑒與參考。