天山北麓凝灰?guī)r地層引水隧道爆破方案優(yōu)化

劉西森，吳衛(wèi)東，姜波，姚進(jìn)，馬林文，邱斌

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.新疆兵團(tuán)水利水電工程集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆第八師石河子市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子 832000）

0 引言

目前，鉆爆法仍是大型水利水電樞紐基礎(chǔ)工程開挖工程生產(chǎn)的常用手段，隨著隧道爆破施工的發(fā)展，遇到各種極端地質(zhì)條件的情況也是愈發(fā)常見，軟弱圍巖是其中一種，軟巖強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，在隧道施工過程中易發(fā)生變形、塌方、拱架扭曲和襯砌開裂等問題，給隧道施工和支護(hù)帶來重大安全隱患[1]。因此，對(duì)于軟弱巖層的爆破參數(shù)優(yōu)化研究是十分有必要的。姚洪瑞等[2]提出短進(jìn)尺淺孔弱爆破的方法，并結(jié)合超前支護(hù)和注漿止水措施，解決了圍巖失穩(wěn)坍塌、突水等問題。高建坡等[3]對(duì)軟弱圍巖大斷面上臺(tái)階光面爆破的炮孔深度及角度進(jìn)行了優(yōu)化，提高了斷面輪廓的光滑、平整性。于飛飛等[4]提出了將周邊眼內(nèi)移，且“長(zhǎng)短眼”+“空眼”的組合布控方式，有效地緩解了水平層狀巖隧道超欠挖問題。陳瑞等[5]在瑯琊山大斷面軟巖隧道中，采用分部開挖與光面爆破相結(jié)合，并增設(shè)光爆孔及優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)的措施，提高了開挖輪廓線的完整，改善了爆破效果。蘇一夫等[6]為了控制水平巖層特長(zhǎng)隧道的爆破施工超欠挖量，利用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬了周邊孔距輪廓線的范圍，降低了爆炸應(yīng)力波的沖擊影響。李玉樓等[7]在小凈軟巖隧道施工技術(shù)研究中，針對(duì)中夾巖減振采取了注漿加固和錨桿加固兩種方法，發(fā)現(xiàn)注漿加固有效提高了圍巖強(qiáng)度，降低了爆破振動(dòng)，而錨桿加固并未有所作用。劉國(guó)強(qiáng)等[8]通過調(diào)整不同周邊孔間距、抵抗線大小等因素，有效改善了巖溶隧道的光爆效果，一定程度上控制了超欠挖及爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。陳雪峰等[9]針對(duì)栗木山隧道爆破開挖，提出了增加中空孔及藥量，并控制底板孔、周邊孔到節(jié)理距離的方法，增強(qiáng)爆破效果。曾凡偉等[10]對(duì)炸藥、炮孔及起爆順序等因素進(jìn)行了分析和優(yōu)化，不僅使炸藥利用率達(dá)到94%，還保證了施工進(jìn)度及效益。陳正林等[11]借助ANSYS 數(shù)值軟件，針對(duì)Ⅳ類泥巖隧道的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)微差為5 ms、孔間距為38 cm 時(shí)，爆破效果最好。

綜上，相關(guān)學(xué)者在軟弱圍巖爆破參數(shù)及開挖后支護(hù)體系的優(yōu)化等方面，取得了一定的研究成果。但各種工況地質(zhì)條件之間，以及實(shí)踐運(yùn)用有一定的差異，需要依托現(xiàn)場(chǎng)爆破效果進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，確定出符合現(xiàn)場(chǎng)工況的最佳爆破參數(shù)。因此，為提高新疆奎屯河引水工程的施工進(jìn)度及效益，進(jìn)行控制超欠挖，改善光爆效果的爆破參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)是十分必要的，并且可為類似工程提供參考。

1 工程概況

新疆奎屯河引水工程總長(zhǎng)11.2 km，工程區(qū)地勢(shì)南高北低，海拔500～4 800 m，受北天山緯向構(gòu)造控制，地形具有分帶性。南部依連哈比爾尕山為構(gòu)造剝蝕高山—中山區(qū)，北部準(zhǔn)噶爾盆地南緣為構(gòu)造剝蝕低山區(qū)和向北傾斜的沖洪積平原區(qū)。引水工程位于6.5 級(jí)潛在震源區(qū)，處于北天山優(yōu)地槽褶皺帶（Ⅱ3）中部，壩址距兩側(cè)分界斷裂F1（博羅霍洛斷裂）、F4（獨(dú)山子安集海斷裂）分別為27.0 km 和35.0 km。北天山優(yōu)地槽帶（Ⅱ3）以F3（清水河子斷裂）為界分為兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，南為依連哈比爾尕復(fù)背斜（Ⅱ34），北為烏魯木齊山前坳陷（Ⅱ36），F(xiàn)3（清水河子斷裂）從引水隧洞出口處通過。圍巖主要為石炭系中統(tǒng)巴音溝組凝灰質(zhì)砂巖，以中硬巖—堅(jiān)硬巖、微風(fēng)化為主，圍巖類型以Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類為主。

引水工程分為5 個(gè)標(biāo)段，此次試驗(yàn)對(duì)象為四標(biāo)段3 號(hào)支洞，該標(biāo)段隧洞全長(zhǎng)2 085 m，樁號(hào)為8+205～10+290，在樁號(hào)9+400 處設(shè)置3 號(hào)施工支洞，3 號(hào)施工支洞長(zhǎng)380 m。引水隧洞洞身為城門型洞，正常引水流量48.50 m3/s，冬季引水流量2.52 m3/s。3 號(hào)洞上游掌子面當(dāng)前樁號(hào)為9+167，樁號(hào)9+030～9+380 段地層巖性為石炭系中統(tǒng)巴音溝組第二亞組（C2bc），凝灰質(zhì)砂巖，灰黑色，為中硬巖，受斷層f202 和f203 層影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，洞室位于微風(fēng)化—新鮮巖體中，上覆巖體厚30～100 m，圍巖條件為Ⅳ類。巖層向下微微傾斜，接近垂直狀，與隧洞掌子面掘進(jìn)方向成10°夾角，為穿層節(jié)理。

2 隧洞原爆破方案及效果分析

隧洞開挖施工采用“新奧法”施工工藝，全斷面掘進(jìn)，不良地質(zhì)洞段及時(shí)跟進(jìn)安全支護(hù)。隧洞開挖采用楔型掏槽的光面爆破方法，人工手持YT-28手風(fēng)鉆造孔，炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥，電子數(shù)碼雷管起爆。實(shí)驗(yàn)段隧洞開挖最大直徑6.20 m，高6.25 m，襯砌厚0.50 m，斷面面積34.63 m2，洞身采用鋼筋混凝土（C25F200W6，C30F200W6），優(yōu)化前炮孔布置見圖1，爆破參數(shù)見表1。

圖1 優(yōu)化前炮孔布置圖（單位：cm）

炮孔總數(shù)為80 個(gè)，實(shí)際總裝藥量96 kg（表1結(jié)果為93.9 kg），雷管56 發(fā)，循環(huán)進(jìn)尺2.5 m，炸藥單耗1.46 kg/m3，雷管消耗量為0.81 發(fā)/m3，炮孔利用率為65.3%。

表1 優(yōu)化前爆破參數(shù)表

爆破后開挖效果：1）光面爆破效果差，超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重。爆破后巖面不平整，平均超欠挖20 cm左右，尤其是超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，最大超挖達(dá)到1.2 m，且爆破后塊度太大，需要二次處理，增加了施工成本，拖延施工工期，也提高了隧道的成型難度。2）裝藥結(jié)構(gòu)不合理，炸藥利用效率低。炸藥單耗高，爆破中炸藥能量沒有得到充分利用，不僅不能滿足施工進(jìn)尺，也沒有得到良好的爆破效果。3）炮孔成孔質(zhì)量差，間排距及毫秒延遲布置不合理?？组g距與毫秒延遲技術(shù)是有效減小超欠挖，影響爆破效果的關(guān)鍵，原有施工方案的爆破方案及爆破參數(shù)中，毫秒延遲布置不合理，爆破后半孔無規(guī)律。且在實(shí)際施工中，由于巖石類型較差，打孔存在較多的廢孔，造成實(shí)際爆破效果與施工爆破參數(shù)存在較大差異。

3 隧洞爆破優(yōu)化方案

基于工程項(xiàng)目爆破開挖光爆效果差、超欠挖嚴(yán)重等問題，采用理論計(jì)算、工程類比與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從炮孔布置、裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式等方面對(duì)爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。主題思路為減少掏槽孔數(shù)量，提高塊度；增加周邊孔數(shù)量，減少單孔裝藥量，控制超欠挖及提高輪廓的光滑平整；采用多段毫秒延遲電子數(shù)碼雷管的起爆方式，炮泥堵孔，充分利用炸藥能量，同時(shí)在隧洞兩側(cè)布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)隧洞壁及洞內(nèi)設(shè)施的振動(dòng)影響。

3.1 炮孔布置

不同類型的炮孔合理布置，通過分段爆破，能夠充分利用炸藥能量，達(dá)到破巖效果，加快施工進(jìn)度。

1）掏槽孔形式采用三級(jí)楔形掏槽。為加強(qiáng)掏槽效果，將第一排掏槽孔設(shè)置在隧洞掌子面中心線兩側(cè)1.1 m 處，兩側(cè)各4 個(gè)炮孔，垂直布置，孔間距為0.6 m；在第一排掏槽孔外0.5 m 左右設(shè)置第二排掏槽孔，兩側(cè)各6 個(gè)炮孔，孔間距為0.7 m；在第二排掏槽孔外0.5 m 左右設(shè)置第三排掏槽孔，兩側(cè)各4 個(gè)炮孔，孔間距為0.8 m。

2）輔助孔在掏槽孔和周邊孔之間，在隧洞兩側(cè)三級(jí)掏槽孔外0.5 m 處設(shè)置1 排輔助孔，兩側(cè)各6 個(gè)炮孔，垂直布置，孔間距為0.7 m；在掌子面上部設(shè)置3 排輔助孔，下排輔助孔3 個(gè)，孔間距為1.1 m；中間一排輔助孔4 個(gè)，孔間距取0.9 m；上排輔助孔10 個(gè)，孔間距為0.7 m。

3）在周邊孔與兩側(cè)輔助孔之間預(yù)留0.5 m 光爆層，周邊孔在原方案的基礎(chǔ)上孔間距由0.6 m 減小到0.5 m，沿輪廓均勻布置一圈，加強(qiáng)光爆效果；在底板段設(shè)置周邊孔數(shù)為8 個(gè)，孔間距為0.8 m。

3.2 爆破器材

炸藥選擇為2 號(hào)巖石乳化炸藥，藥徑32 mm，孔內(nèi)采用電子數(shù)碼雷管起爆，依舊采用光面爆破掏槽孔→輔助孔→周邊孔的爆破方案。為充分利用炸藥能量，并降低單段裝藥量，控制爆破振動(dòng)影響，將炮孔充分分階段分層次地爆破，毫秒延遲電雷管段別為八段，每段別延遲為50 ms，具體如下：第一排掏槽孔為第1 段，第二排掏槽孔為第2 段，第三排掏槽孔和掌子面上部最下排輔助孔為第3段，掌子面上部中間一排輔助孔和兩側(cè)輔助孔為第4 段，掌子面上部最上排輔助孔為第5 段，兩側(cè)周邊孔為第6 段，拱頂周邊孔為第7 段，底板孔為第8 段。

3.3 鉆孔、裝藥與填塞

該工程人工手持YT-28手風(fēng)鉆造孔，鉆桿直徑為42 mm，炮孔直徑為42 mm，孔深根據(jù)進(jìn)尺要求確定，優(yōu)化的爆破方案將循環(huán)進(jìn)尺定為3.0 m，其中3 級(jí)掏槽角度分別為49°，66°，75°，3 級(jí)掏槽孔深分別為1.5，3.6，3.1 m，其他炮孔深度取3.0～3.1 m。

優(yōu)化前爆破方案的炸藥單耗為1.5 kg/m3，單耗較高，炸藥利用率低，光爆效果差。因此，參考類似工程并經(jīng)過優(yōu)化方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，循環(huán)進(jìn)尺為3.0 m，炸藥單耗為0.92 kg/m3，炸藥利用率高，光爆效果較好。3 級(jí)掏槽孔裝藥分別為2 卷、6 卷、5 卷，最大單段裝藥量為21.6 kg；中排和下排輔助孔4卷，單孔裝藥量為1.2 kg；兩側(cè)和上排輔助孔裝藥3卷，單孔裝藥量為0.9 kg；周邊孔裝藥2卷，單孔裝藥量為0.6 kg；底板孔裝藥5 卷，單孔裝藥量為1.5 kg。優(yōu)化后，實(shí)際總裝藥量不變，為96 kg，炮孔總數(shù)為95 個(gè)，炮孔布置見圖2，爆破參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化后爆破參數(shù)表

圖2 優(yōu)化后炮孔布置圖（單位：cm）

為充分利用炸藥能量，確保爆破效果，炮孔采用耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，用炮泥堵塞封實(shí)，填塞長(zhǎng)度不小于0.5 m。

4 優(yōu)化方案爆破效果分析

優(yōu)化方案爆破后，隧洞光爆效果較好，斷面輪廓光滑平整，半孔明顯，排布均勻規(guī)律；炮堆集中，塊度均勻，大小適中，便于鏟裝；超欠挖控制在5 cm左右，如圖3 所示，有效改善了光面爆破效果，提高了施工進(jìn)度和效益。

圖3 掌子面輪廓線

優(yōu)化后在每循環(huán)炸藥總量不變的情況下，掘進(jìn)進(jìn)尺由2.3～2.5 m 提高至2.8～3.0 m，炸藥利用率明顯提高。在距掌子面20.0 m 處，沿隧洞壁兩側(cè)邊墻位置各布置1 臺(tái)、拱腰拱頂位置布置3 臺(tái)，共計(jì)5 臺(tái)TC-4850 爆破測(cè)振儀，測(cè)得各測(cè)點(diǎn)三向峰值振速，見表3。

表3 各測(cè)點(diǎn)三向峰值振速 cm/s

由表3 可以看出，各測(cè)點(diǎn)X方向的最大振速為6.87 cm/s，Y方向最大振速為5.03 cm/s，Z方向最大振速為9.77 cm/s，三矢量合速度最大為10.01 cm/s，滿足GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)要求，水工隧道的允許標(biāo)準(zhǔn)為7～15 cm/s，保證了隧洞壁及洞內(nèi)設(shè)施的安全。

5 結(jié)語

上文針對(duì)新疆奎屯河引水工程爆破開挖過程中出現(xiàn)光爆效果差及超欠挖問題，進(jìn)行了爆破參數(shù)優(yōu)化，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到成果如下。

1）在沒有改變實(shí)際炸藥總用量的條件下，將進(jìn)尺提高到3.0 m，大大提高了炸藥利用率及施工進(jìn)度。

2）通過調(diào)整掏槽孔數(shù)量、炮孔深度及角度，增強(qiáng)了掏槽效果；通過調(diào)整輔助孔數(shù)量布置、周邊孔間距和單孔藥量，將超欠挖控制在5 cm 左右，并保證了隧洞輪廓的平整性和光滑性，增加了施工效益。

3）通過多段毫秒延遲電子數(shù)碼雷管的起爆方式，不僅充分利用了炸藥能量，達(dá)到破碎進(jìn)尺的效果，還降低了最大單段裝藥量，將隧洞壁最大振動(dòng)速度控制在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，保證了隧洞壁及洞內(nèi)設(shè)施的安全。