寒山水庫供水管線隧洞工程爆破方案分析

裴智超

（江西省水利水電開發(fā)有限公司,江西 南昌 330000）

1 工程概況

寒山水庫座落于贛江二級支流、禾水一級支流鳧水河（南村水）上,地處萍鄉(xiāng)市蓮花縣荷塘鄉(xiāng)寒山村境內(nèi),是一座以供水、灌溉為主,兼有防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫工程。供水管線設(shè)計(jì)采用壓力管道自流輸水方式,管線總長約7.0 km。取水口布置于發(fā)電廠房下游1.42 km水頭村附近尾水渠內(nèi),改造渠道形成壓力前池,在前池邊墻內(nèi)埋設(shè)壓力鋼管并設(shè)置閘閥控制,沿途除管橋段為鋼管外,均為DN600 球墨鑄鐵管,水流經(jīng)水頭村、院背、沖背嶺山腳、隧洞段、何家坊、跨河至左岸、鳧村、下田屋至規(guī)劃建設(shè)的第二水廠。供水管線在穿越?jīng)_背嶺山體處需要修建兩段門洞型結(jié)構(gòu)隧洞,分別為1#、2#隧洞,其中1#隧洞段樁號為供2+160～2+700,長540 m,2#隧洞段樁號為供3+160～4+100,長940 m。兩隧洞分別遇Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種圍巖類型,設(shè)計(jì)處理措施為：Ⅲ類圍巖隧洞凈寬2.0 m,凈高2.0 m,采用0.1 m混凝土噴護(hù)；Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞凈寬2.6 m,凈高2.6 m,采用0.3 m厚混凝土襯砌。

2 隧洞爆破方案選擇

根據(jù)隧洞開挖圍巖級別,以及地質(zhì)復(fù)雜情況,采用以下施工方法：

城門洞型,直墻半圓拱形,洞身斷面尺寸如圖1 所示,1#隧洞從管道水流出洞口往進(jìn)洞口處單項(xiàng)掘進(jìn)；2#隧洞采取雙向掘進(jìn)。

圖1 1#隧洞、2#隧洞開挖斷面示意圖（單位：mm）

Ⅲ類圍巖采用平行空孔直眼掏槽全斷面開挖,Ⅳ類圍巖采采用人工、機(jī)械挖掘或弱爆破開挖,Ⅴ類圍巖采用機(jī)械開挖方法,若在施工過程中遇到較穩(wěn)定的弱風(fēng)化巖時(shí),可用小炮輔以松動。Ⅳ類、Ⅴ類圍巖在開挖前先進(jìn)行超前錨桿支護(hù),開挖一段支護(hù)一段,及時(shí)進(jìn)行頂拱封閉。后期支護(hù)緊跟工作面,作業(yè)到哪里支護(hù)要及時(shí)跟上。

選用平行空孔直眼掏槽全斷面光面爆破法進(jìn)行爆破開挖。

選用YT28 風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆設(shè)炮眼,孔徑為42 mm,根據(jù)施工進(jìn)度及圍巖種類,初步定循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m～2.0 m。爆破采用塑料導(dǎo)爆管爆破網(wǎng)路,以毫秒延期雷管實(shí)現(xiàn)微差延時(shí)爆破。

3 隧洞爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 爆破參數(shù)選擇

光面爆破主要參數(shù)有：炮眼數(shù)量、周邊眼間距、炮眼大小、炮眼深度、不耦合系數(shù)、裝藥直徑、線性裝藥密度、最小抵抗線（爆破層厚度）等。在施工中按照設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行爆破效果的試爆,根據(jù)試爆效果對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.1.1 Ⅲ類圍巖

（1）炮孔直徑

本工程選用42 mm的炮孔直徑。

（2）炮眼深度與循環(huán)進(jìn)尺

在小面積隧洞入巖爆破中,巖石的周邊夾制力大,炮眼利用率低。一般炮眼深度L取1.5 m～2.0 m,其中掏槽眼應(yīng)比周邊眼加深10 cm～20 cm。

炮眼利用率η一般可以達(dá)到85%～95%,則循環(huán)進(jìn)尺L'=ηL=（0.85～0.95）L。

本工程設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m,炮孔利用率取88%,則周邊孔、底板孔和輔助孔炮孔深度取1.7 m,掏槽眼深度為1.9 m。

（3）炸藥單耗

炸藥單耗因巖層的特性和孔樁斷面大小而各不相同,可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q為炸藥單耗,kg/m3；f為巖石的堅(jiān)固系數(shù),本標(biāo)段取f=10（參考值,根據(jù)各開挖段實(shí)際圍巖堅(jiān)固性進(jìn)行取值）；S為隧洞斷面面積,3.57 m2,計(jì)算得炸藥單位為2.3 kg/m3,此數(shù)值為參考值,設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),對炸藥單耗進(jìn)行驗(yàn)算,實(shí)際單耗要根據(jù)施工現(xiàn)場的情況靈活調(diào)整。

（4）炮孔數(shù)目

確定炮眼數(shù)目的基本原則是在保證爆破效果的前提下,盡可能地減少炮眼數(shù)目。借鑒著隧道掘進(jìn)所用到的公式估算：

式中：N為炮眼數(shù)目,個(gè)；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；本工程取f=10（參考值,根據(jù)各開挖段實(shí)際圍巖堅(jiān)固性進(jìn)行取值）；S為隧洞掘進(jìn)斷面,3.57 m2。

計(jì)算得到：炮孔N為16.6 個(gè),這也是一種參考值。

（5）炮孔布置：

1）本工程暫定布置中空眼2 個(gè),掏槽眼3 個(gè)（水平直眼掏槽）,輔助眼4 個(gè),周邊眼10 個(gè)（孔向外傾斜3°～5°）,底板眼4 個(gè)（孔向外傾斜3°～5°）,總計(jì)炮孔23個(gè)。炮孔布置見圖2。

圖2 炮眼布置、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序圖

2）周邊眼間距

周邊眼間距適當(dāng)縮小,可以控制爆破輪廓,避免超欠挖,又不致過大的增加鉆眼工作量,孔間距的大小與巖石性質(zhì)、炸藥種類、炮眼直徑有關(guān),一般為E=（8～18）d,E為孔距,d為炮眼直徑。E=32 cm～72 cm,本次兩幫周邊眼E=50 cm,圈頂眼E=44.6 cm,底板眼E=66.7 m。

3）光面爆破層

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層,光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W,本次選值為50 cm,詳見炮孔布置圖。

4）裝藥量計(jì)算

式中：qz為單孔裝藥量,kg；為裝藥系數(shù)；L為炮眼深度,m；為2號巖石炸藥的每米重量γ值,1.0 kg/m。

周邊眼、底板眼藥量計(jì)算,兩幫周邊眼和圈頂眼裝藥系數(shù)取0.235,單孔裝藥量為0.4 kg,小計(jì)藥量為4.0；底板眼裝藥系數(shù)取0.5,單孔裝藥量為0.8 kg,小計(jì)藥量為3.2 kg；掏槽眼用藥量計(jì)算,掏槽眼裝藥系數(shù)取0.65,單孔裝藥量為1.2 kg,小計(jì)藥量為2.4 kg ；輔助眼用藥量計(jì)算,輔助眼裝藥系數(shù)為0.5,單孔裝藥量為0.8 kg,小計(jì)藥量為3.2 kg。

對設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)及爆破藥量須進(jìn)行爆破試驗(yàn)確認(rèn)、優(yōu)化,以進(jìn)一步符合地質(zhì)情況,使爆破方案及參數(shù)更科學(xué)合理,使爆破效果良好和確保安全。

3.1.2 Ⅳ類圍巖

（1）炮孔直徑D

本工程選用42 mm的炮孔直徑。

（2）炮眼深度與循環(huán)進(jìn)尺

本工程設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺為1.8 m,炮孔利用率取90%,則周邊孔和輔助孔炮孔深度取2.0 m,掏槽眼深度為2.2 m。

（3）炸藥單耗

本標(biāo)段取f=6（參考值,根據(jù)各開挖段實(shí)際圍巖堅(jiān)固性進(jìn)行取值）,S為隧洞斷面面積,6.04 m2,計(jì)算得炸藥單位為1.4 kg/m3,此數(shù)值為參考值,設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),對炸藥單耗進(jìn)行驗(yàn)算,實(shí)際單耗要根據(jù)施工現(xiàn)場的情況靈活調(diào)整。

（4）炮孔數(shù)目

巖石堅(jiān)固性系數(shù)取f=6（參考值,根據(jù)各開挖段實(shí)際圍巖堅(jiān)固性進(jìn)行取值）；S為隧洞掘進(jìn)斷面面積,4.0 m2。計(jì)算得到：炮孔N約為20 個(gè),為參考值。

炮孔布置：

（1）本工程暫定布置中空眼1 個(gè),掏槽眼3 個(gè)（水平直眼掏槽）,輔助眼5 個(gè),周邊眼12 個(gè)（向外傾斜3°～5°）,底板眼5 個(gè)（向外傾斜3°～5°）,總計(jì)炮孔26 個(gè)。炮孔布置見圖3。

（2）周邊眼間距

周邊眼間距適當(dāng)縮小,可以控制爆破輪廓,避免超欠挖,又不致過大的增加鉆眼工作量,孔間距的大小與巖石性質(zhì)、炸藥種類、炮眼直徑有關(guān),一般為E=（8～18）d, E為孔距, d為炮眼直徑。E=32 cm～72 cm,本次設(shè)計(jì)周邊眼E=45.1 cm。

（3）光面爆破層

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層,光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W,本次選值為50 cm。

（4）裝藥量計(jì)算

周邊眼、底板眼藥量計(jì)算,兩幫周邊眼和圈頂眼裝藥系數(shù)取0.2,單孔裝藥量為0.4 kg,小計(jì)藥量為4.8；底板眼裝藥系數(shù)取0.45,單孔裝藥量為0.9kg,小計(jì)藥量為4.5 kg；掏槽眼用藥量計(jì)算,掏槽眼裝藥系數(shù)取0.55,單孔裝藥量為1.2 kg,小計(jì)藥量為3.6 kg；輔助眼用藥量計(jì)算,輔助眼裝藥系數(shù)為0.45,單孔裝藥量為0.9 kg,小計(jì)藥量為4.5 kg。

對設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)及爆破藥量須進(jìn)行爆破試驗(yàn)確認(rèn)和優(yōu)化,以進(jìn)一步符合地質(zhì)情況,使爆破方案及參數(shù)達(dá)到預(yù)計(jì)爆破效果要求和確保安全。

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

光面爆破采用不連續(xù)裝藥,炮眼裝藥按裝藥集中度計(jì)算出的藥量均勻分布裝入炮眼內(nèi)。具體見圖2和圖3裝藥結(jié)構(gòu)圖。

圖3 炮眼布置、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序圖

3.3 起爆網(wǎng)路及起爆方式

采用孔內(nèi)延期,孔外采用“大把抓”簇聯(lián)起爆網(wǎng)路,激發(fā)針起爆。具體起爆順序見圖2和圖3。網(wǎng)路連接示例圖見圖4。

圖4 起爆網(wǎng)路連接示例

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

寒山水庫供水管線在穿越?jīng)_背嶺山體處需要修建兩段門洞型結(jié)構(gòu)隧洞,選用平行空孔直眼掏槽全斷面光面爆破法進(jìn)行爆破開挖。通過編制爆破設(shè)計(jì),合理調(diào)整周邊眼間距、裝藥數(shù)量、鉆眼深度等爆破參數(shù),達(dá)到控制隧洞超欠挖,減少噴射混凝土用量,并根據(jù)地質(zhì)條件的變化和對振動波的要求不同,優(yōu)化鉆爆參數(shù),實(shí)現(xiàn)光面爆破,降低對圍巖、支護(hù)及襯砌的擾動,以達(dá)到施工質(zhì)量與成本控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 建議

根據(jù)隧洞開挖技術(shù)特點(diǎn),以及為使隧洞開挖成形良好,減少超挖量,減少爆破對圍巖的擾動深度,確保需保護(hù)物的安全,在開挖中做好以下施工措施：

①為保證地表建筑物的安全和周圍環(huán)境的影響,在確保高質(zhì)量的隧洞開挖斷面同時(shí),將爆破震動控制在允許范圍,以保證爆破周邊環(huán)境的安全,并盡量減少對周邊的干擾。

②采取有效的控制爆破技術(shù),減少振動與降低噪音,同時(shí)要求成形效果好,采用光面爆破。根據(jù)地質(zhì)條件,開挖斷面、開挖進(jìn)尺、爆破器材、振速要求等條件編制爆破設(shè)計(jì)。

③根據(jù)圍巖特點(diǎn)合理選擇周邊眼間距E及周邊眼的最小抵抗線W,輔助炮眼交錯均勻布置,周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上。

④嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量,借助導(dǎo)爆索、竹片進(jìn)行間隔裝藥,或不耦合裝藥,使藥量沿炮眼均勻分布,以確保隧洞周邊成形良好,并減少對圍巖的擾動。

⑤破碎帶,松軟巖增加小導(dǎo)管提前注漿方可爆破,爆破出渣后立鋼供架掛網(wǎng)噴漿。