豐店-彭店水庫連通應急引水工程小斷面隧洞爆破技術*

李建林，黃 露，趙逢澤，許 霄，李 桐，陳 明

(1.湖北水總水利水電建設股份有限公司，武漢 430056；2.武漢大學 水利水電學院，武漢 430072)

為均衡水資源分布，提高水資源利用率，近年來我國建設了眾多的引水工程。中小型引水工程建設中往往面臨著小斷面引水隧洞的開挖，這類隧洞工程往往建設規(guī)模較小、施工作業(yè)面狹窄、施工難度大，尤其是開挖堅硬隧洞巖體時，巖體受圍巖夾制作用強，開挖效率較低。高效環(huán)保的爆破開挖技術是小斷面硬巖隧洞重點研究內(nèi)容之一。

小斷面硬巖隧洞爆破開挖時，爆破自由面少且小，常通過掏槽來增加爆破自由面，但不同的掏槽形式產(chǎn)生的爆破效果也存在較大差異[1-3]。楊玉銀等[4]的研究表明合適的掏槽方式可大幅提高爆破開挖單循環(huán)進尺。歐明鑫等通過數(shù)值模擬對比了小空孔九孔直孔掏槽、大空孔單螺旋掏槽、三對孔水平楔形掏槽等掏槽型式的掏槽效果[5]。溫賀與劉澤等結合硬巖隧洞現(xiàn)場開挖試驗指出掏槽部位增設空孔可提高掏槽爆破效率[6,7]。Chakraborty和Jethwa指出掏槽爆破方式的選擇應結合開挖斷面的節(jié)理分布特性[8]。為降低爆破對圍巖的損傷以及提高輪廓成型效果，往往采用輪廓爆破技術，且主要是光面爆破技術[9]。傳統(tǒng)的光面爆破技術，利用導爆索起爆炮孔內(nèi)的炸藥，操作工序較多，一般還要求使用小直徑的成品炸藥卷。為了進一步簡化工序，同時達到相同的輪廓成型效果，在隧洞施工過程中越來越多的使用空氣間隔光面爆破技術。Moxon等通過室內(nèi)試驗探討了空氣間隔裝藥爆破的巖體破壞機理[10]，及其在輪廓爆破中的應用前景。Lou等分析了空氣間隔裝藥爆破的沖擊波形成及傳播規(guī)律[11]，研究表明空氣間隔裝藥爆炸荷載分布均勻，作用時間更長，對炮孔壁的沖擊作用較耦合裝藥弱。謝圣權綜合采用空氣間隔光面爆破[12]，M型掏槽爆破等技術，取得了良好的輪廓開挖成型效果，光爆半孔率接近100%。朱榮華與楊仁樹等對比了隧洞開挖過程中空氣間隔裝藥光面爆破與常規(guī)光面爆破開挖效果[13,14]，結果表明采用空氣間隔裝藥即可保證獲得良好開挖輪廓，同時可極大降低施工成本，經(jīng)濟效益可觀。但目前小斷面硬巖隧洞光面爆破存在爆破單耗高、炮孔利用率低、成型效果一般等問題。

綜合上述分析可知，掏槽及輪廓爆破方式對小斷面硬巖隧洞爆破施工效率有顯著影響本文結合豐店-彭店水庫連通應急引水工程隧洞爆破施工，研究了空氣間隔裝藥爆破技術與多空孔直孔掏槽技術在小斷面特堅硬巖隧洞爆破施工中的應用。

1 工程概況

豐店-彭店水庫連通應急引水工程位于湖北省大悟縣，地處鄂東北部鄂豫邊界大別山西端南麓。該工程的主要任務是聯(lián)通豐店水庫和彭店水庫。豐店水庫和彭店水庫均是以灌溉為主，兼顧防洪、供水、發(fā)電等綜合效益的中型水庫，其中豐店水庫溢洪次數(shù)較多，其水量沒有得到充分利用，而彭店水庫水源不足，存在供水安全問題。豐店-彭店水庫連通引水工程，就是通過工程措施，在雨量較為豐沛且豐店水庫水位較高的情況下，盡量減少豐店水庫溢洪，將豐店水庫的水引入彭店水庫。

引水工程設計輸水流量為5 m3/s，屬于Ⅲ等工程。主要建筑物包括：應急抗旱泵站、引水隧洞工程(進水渠、塔式進水口、引水隧洞、出口箱涵、出口消力池、明渠)、河道段等工程部分組成，工程永久性主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時工程為5級。

工程區(qū)域內(nèi)經(jīng)火成巖的大面積侵入，并進行變質(zhì)作用，自燕山運動以后未受到大規(guī)模構造活動的影響，地殼處于上升剝蝕階段，區(qū)內(nèi)構造活動不明顯，區(qū)域穩(wěn)定性好。隧洞巖體以片麻巖為主，巖體呈塊狀，層理不明顯，圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖，局部巖體為Ⅰ類，巖體單軸抗壓強度100 MPa以上。

引水隧洞工程總長3340 m，隧洞典型剖面如圖1所示，斷面面積約10 m2，根據(jù)隧道分類標準，屬于小斷面隧洞。該隧洞圍巖比較完整，主要巖體呈微風化，為堅固的片麻巖，根據(jù)普氏巖石分類，大部分隧洞圍巖屬于Ⅺ～Ⅻ級特堅石，隧洞巖石的密度、強度特征、波阻抗及內(nèi)聚力等相關參數(shù)較高，爆破破巖較困難。斷面積較小，采用鉆孔爆破全斷面開挖，開挖的質(zhì)量及速度，直接影響到工程的進度及效益，而隧洞開挖質(zhì)量及進度，關鍵的影響因素是工程地質(zhì)條件與鉆孔爆破方案。

圖1 隧洞斷面示意圖(單位：m)Fig. 1 Tunnel section diagram(unit:m)

2 鉆孔爆破方案

水利工程隧洞鉆孔爆破施工，爆破孔通常分為輪廓孔、掏槽孔及崩落孔。根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件，采用手風鉆鉆孔，直徑32 mm、長度20 cm、總量200 g規(guī)格的2#巖石乳化炸藥，循環(huán)進尺設計為1.8 m，鉆孔直徑42 mm，孔深2.0～2.2 m。隧洞掘進爆破效果主要受輪廓爆破及掏槽爆破效果控制。

2.1 掏槽爆破方案

掏槽孔布置在隧洞開挖斷面的中下部。掏槽孔按布孔形式通常可分為楔形掏槽、錐形掏槽和直孔掏槽，其爆破效果直接影響隧洞開挖循環(huán)進尺。豐店-彭店水庫連通應急引水工程隧洞，因斷面較小，主要考慮使用直孔掏槽。施工過程中，因無大型鉆孔設備，采用了小直徑空孔。隧洞開挖過程中，結合現(xiàn)場生產(chǎn)性爆破開挖開展現(xiàn)場試驗，對比分析了四角柱狀掏槽直孔掏槽及多空孔直孔掏槽爆破效果。

通過對不同的布孔方式進行現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，采用四角柱狀掏槽，如圖2(a)所示，包括1個空孔、8個掏槽孔，分兩段起爆，每次的進尺約為1.0～1.2 m，炮孔利用率不足60%，爆破掏槽效果差。

為提高在小斷面、特堅硬隧洞巖體開挖中的掏槽效果，在四角柱狀掏槽爆破效果分析的基礎上，采用了增加空孔的技術措施，采用多空孔直孔掏槽技術，如圖2(b)所示，包含1個主掏槽孔、8個輔助空孔、4個輔助掏槽孔，分為三段爆破掏槽，中心掏槽孔與周圍空孔間距為10 cm，與MS3段輔助孔間距為25 cm，與MS5段輔助孔間距為38 cm。試驗表明該技術循環(huán)進尺可達1.8 m以上，炮孔利用率可達90%以上，開挖效率較高。引水隧洞施工過程中，主要采用多空孔直孔掏槽技術。

圖2 掏槽方式示意圖(單位：cm)Fig. 2 Schematic diagram of cutting method(unit:cm)

2.2 輪廓爆破方案

隧洞開挖輪廓爆破一般采用傳統(tǒng)的光面爆破技術，即采用小直徑藥卷進行不耦合裝藥并利用導爆索起爆炮孔中的炸藥。但是在豐店-彭店水庫連通應急引水工程項目，難以獲得小直徑爆破孔傳統(tǒng)輪廓爆破使用的φ25 mm炸藥，導爆索也難以采購。而采用大直徑藥卷進行空氣間隔裝藥并利用導爆雷管起爆代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪廓爆破方案，不僅能解決無法獲得小直徑藥卷的問題，同時也可取得與采用傳統(tǒng)光面爆破同等的半孔率或開挖平整度指標[13]。

基于上述原因，該工程選用空氣間隔裝藥光面爆破技術。根據(jù)輪廓孔的部位、巖體的條件的不同，共設計了四種不同的裝藥結構。其中底板部位輪廓孔裝藥結構與崩落孔一致，側(cè)墻孔內(nèi)裝藥較崩落孔少2節(jié)炸藥，圓弧段孔內(nèi)裝3～4節(jié)炸藥，堵塞長度均為20 cm，側(cè)墻與圓弧段裝藥結構分別如圖3、圖4所示。

圖3 側(cè)墻裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 3 Chart of sidewall charge structure(unit:cm)

圖4 圓弧段裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 4 Chart of charge structure in arc section(unit:cm)

隧洞開挖共布置15個輪廓孔，頂部弧線段周邊孔間距約為65 cm，Ⅰ類、Ⅱ類圍巖側(cè)墻和底板周邊孔間距約為70 cm，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖側(cè)墻和底板周邊孔間距可適當較小，裝藥量適當減少，具體詳見圖5。

2.3 爆破參數(shù)

隧洞鉆孔爆破共布置了41個炮孔，其中掏槽孔13個(含空孔)、崩落孔13個、周邊孔15個，詳細的鉆孔參數(shù)及裝藥參數(shù)見表1，爆破孔的布置及起爆網(wǎng)路圖見圖5。

圖5 爆破孔布置示意圖(單位：cm)Fig. 5 Schematic layout of blasting hole(unit:cm)

表1 爆破鉆孔參數(shù)及裝藥參數(shù)表Table 1 Blasting drilling parameters and charge parameters table

3 隧洞爆破開挖效果

豐店-彭店水庫連通應急引水工程隧洞斷面積小，巖體完整且強度極高，掏槽爆破效果直接影響到隧洞開挖效果，工程聯(lián)合使用多空孔直孔掏槽爆破及空氣間隔裝藥輪廓爆破技術，實現(xiàn)了引水隧洞的安全高效開挖。隧洞開挖成型效果見圖6，最大超挖約20 cm，基本上無欠挖，采用空氣間隔裝藥光面爆破技術得到的輪廓面平整度與傳統(tǒng)輪廓爆破的相差不大，而且有操作工藝簡便、火工品用量少、施工速度快等特點，成功解決了小直徑炸藥卷、導爆索等火工品缺失對豐店—彭店水庫連通應急引水工程爆破開挖的制約。

圖6 輪廓成型效果圖Fig. 6 Contour shaping effect diagram

4 結語

針對豐店-彭店水庫連通應急引水工程小斷面、特堅硬巖隧洞爆破開挖，提出聯(lián)合使用多空孔直孔掏槽爆破技術、空氣間隔裝藥輪廓爆破技術方案，取得了較好的開挖循環(huán)進尺及輪廓面成型效果，高效地完成了該工程的引水隧洞開挖施工。