特小斷面隧洞“多導一壓頂”爆破施工

孫寶山,王亞威,羅 坤

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

在中國特色社會主義新時代,各行各業(yè)的發(fā)展日新月異,尤其是我國的基建工程,更是被譽為世界的“基建狂魔”[1],其中,隧洞(道)工程的總里程也如春起之苗,日有所長。無論是公路工程、鐵路工程、市政工程,還是水利水電工程,隧洞施工經(jīng)過多年的探索和積累,其施工方法已經(jīng)多種多樣,大放異彩。目前,對于大斷面隧洞(道),如鐵路、公路和市政工程的隧道可采用鉆爆臺車、盾構(gòu)掘進機等成熟工藝施工,然而對于小斷面隧洞施工,因其體量小、空間受限、機械化程度不高,仍需采用傳統(tǒng)鉆爆工藝,單循環(huán)進尺短、光爆效果差、安全風險高[2]。針對以上問題,探索優(yōu)化形成“多導一壓頂”工藝爆破施工技術(shù),同時滿足了安全、質(zhì)量和進度要求。

1 工程概況

景寧縣金村水庫及供水工程,位于景寧縣紅星街道境內(nèi)。工程建設任務以城市供水為主,結(jié)合生態(tài)環(huán)境改善。其城市供水范圍為景寧縣城區(qū),遠期供水人口8.39萬人(2030年)。主要建筑物由攔河壩、溢洪道、輸水系統(tǒng)(進水口、隧洞及壓力管道)、放水建筑物(生態(tài)放空管)等組成。

輸水系統(tǒng)布置在上游,輸水隧洞全長9 164 m,設計開挖洞徑2.6 m×2.6 m,分為主洞、水廠支洞、外舍支洞三部分,呈Y字型分布。主洞長 2090 m,水廠支洞長5 139 m,平均縱坡1 ‰;外舍支洞長1 935 m,平均縱坡1.4 %。

輸水隧洞最大埋深約735 m。沿線巖石均屬堅硬巖,圍巖主要為弱～微風化,多屬Ⅱ～Ⅲ類,開挖后洞室穩(wěn)定性一般,存在局部掉塊現(xiàn)象。隧洞穿越節(jié)理密集帶或斷層破碎帶,屬Ⅳ類圍巖,巖體破碎,完整性差。外舍支洞發(fā)育F4斷層破碎帶,主要影響范圍為WS0+478～WS0+685 m,斷層充填物質(zhì)為角礫巖;水廠支洞發(fā)育F1斷層破碎帶,主要影響范圍的樁號為SD3+276～SD3+523 m,充填物質(zhì)為斷層泥、斷層角礫巖,斷層影響范圍內(nèi)圍巖等級為Ⅳ類。

2 工藝原理及特點

2.1 工藝原理

對于超小斷面隧洞開挖,先進行兩個循環(huán)的下半洞(即導洞)掘進,再進行上半洞的光爆壓頂施工,上半洞單循環(huán)進尺可達到下半洞單循環(huán)的1.5～2.0倍。以此類推,形成連貫的“多導一壓頂”施工。下一循環(huán)的下半洞可與上一循環(huán)的光爆壓頂同班施工。

2.2 工藝特點

本工藝與傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點:

(1)掏槽孔按照直眼掏槽結(jié)構(gòu)形式,中心孔爆破,第一圈掏槽孔為空孔,可為中心孔爆破提供擠壓破碎面,提高掏槽效果;

(2)掏槽孔爆破設計了兩次起爆,可為后續(xù)輔助孔提供更好的臨空面,增強爆破質(zhì)量;

(3)采用“多導一壓頂”工藝,可為頂拱周邊孔爆破創(chuàng)造獨立臨空面,提高光面爆破效果;

(4)采用“多導一壓頂”工藝,可減少爆破振動對周邊圍巖的影響,提高爆破后圍巖的穩(wěn)定性,確保施工安全;

(5)采用“多導一壓頂”工藝,增加了單循環(huán)進尺,減少了作業(yè)循環(huán)時間,經(jīng)濟效益顯著。

3 施工工藝流程

特小斷面隧洞開挖,先進行兩個循環(huán)下半洞(導洞)掘進開挖(圖1中①和②),待兩個循環(huán)下半洞開挖完成后,再進行上半洞光爆壓頂作業(yè)(圖中③),其中上半洞光爆壓頂(圖中③)與下一循環(huán)下半洞(圖中④)同時進行裝藥、聯(lián)網(wǎng)、爆破作業(yè),以此類推。

圖1 施工工藝流程

為保證安全,上半洞光爆壓頂(圖中③)與下一循環(huán)下半洞(圖中④)鉆孔作業(yè)宜分開進行。

4 施工方法

4.1 施工準備

進洞施工前,為保證隧洞內(nèi)環(huán)境舒適,采用軸流風機進行通風[3],以加快空氣流動速度、降低洞內(nèi)有害氣體濃度。嚴格按照要求,檢測洞內(nèi)有毒有害氣體含量,確認安全后,作業(yè)人員再進洞施工。

4.2 爆破設計

輸水隧洞以凝灰?guī)r和花崗巖為主,巖石較完整,自穩(wěn)能力較好,以Ⅱ-Ⅲ類圍巖為主,掌子面干燥。本工程爆破設計按照Ⅱ類圍巖,先采用理論計算方法、工程類比法得到初步爆破設計參數(shù),再通過現(xiàn)場爆破試驗優(yōu)化調(diào)整[4]。

炮孔數(shù)目與掘進斷面、巖石性質(zhì)、炮孔直徑、炮孔深度和炸藥性能等因素有關。采用公式(1)進行估算。

(1)

式中,N為炮孔個數(shù);f為巖石堅固性系數(shù);S為隧洞掘進斷面面積。

炸藥用量采用公式(2)進行估算。

Q=qSLη

(2)

式中,q為爆破1m3巖石用藥量,通常根據(jù)圍巖級別和圍巖類型的不同以經(jīng)驗值取得;S為開挖斷面積;L為鑿孔深度;η為炮孔利用率,一般為0.8～0.95。

根據(jù)理論計算獲得的初步爆破設計參數(shù),結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗,在保證爆破振動速度符合安全規(guī)定的前提下,對爆破參數(shù)進行優(yōu)化,最大限度提高隧洞開挖成形質(zhì)量和施工進度。通過優(yōu)化,隧洞“多導一壓頂”爆破參數(shù)如表1,爆破布孔如圖2。(注:圖2中方格填充部分為光爆壓頂區(qū)域;表1和圖2中孔1～8為導洞爆破孔,9為光爆壓頂爆破孔。)

表1 全斷面爆破參數(shù)

圖2 導洞開挖爆破布孔

4.3 放樣布孔

上一循環(huán)施工結(jié)束后,測量人員采用全站儀對隧洞輪廓進行復測,并準確定出隧洞中心線和頂面高程,用紅油漆畫出下一循環(huán)開挖輪廓線,標出炮眼位置,其誤差不得超過5 cm。

爆破技術(shù)人員根據(jù)測量人員復測結(jié)果,及時調(diào)整爆破參數(shù),以達到最佳爆破效果。

4.4 鉆孔

根據(jù)測量放線結(jié)果,采用YT-28手風鉆進行鉆孔,鉆孔人員按照測量放樣點位進行鉆孔。

下半洞(導洞)鉆孔時,布置2臺手風鉆,1臺進行掏槽孔鉆孔,1臺進行周邊孔及輔助孔鉆孔。上半洞(光爆壓頂)鉆孔時,搭設簡易平臺,2臺手風鉆同時作業(yè)。

鉆孔完畢后,現(xiàn)場爆破人員對孔位、孔深、孔向進行檢查并做好記錄,有不符合要求的炮孔應重鉆,經(jīng)檢查合格后,方可裝藥爆破。

4.5 裝藥

由于輸水隧洞開挖尺寸較小,首先進行下半洞(導洞)開挖,為頂拱光面爆破作業(yè)創(chuàng)造獨立臨空面,增強光面爆破效果,同時節(jié)約工序循環(huán)作業(yè)時間,提高生產(chǎn)效率。

下半洞開挖掘進鉆孔分為直眼掏槽孔、輔助孔、邊墻周邊孔、底孔,其中直眼掏槽孔分為中心孔直眼掏槽爆破孔,第一圈直眼掏槽空孔,第二圈直眼掏槽爆破孔。由于采用直眼掏槽形式進行作業(yè),工作面所提供的臨空面基本沒有,故在中心孔直眼掏槽爆破孔周圍施工6個直眼掏槽空孔,給中心直眼掏槽爆破孔提供破碎導向,第二圈直眼掏槽爆破孔利用中心孔爆破后提供的臨空面繼續(xù)進行掏槽,為后續(xù)輔助孔等提供更好的臨空面。

下半洞爆破孔裝藥采用2#巖石乳化炸藥(φ32,每節(jié)300g,長度30 cm)及非電半秒雷管進行施工爆破,裝藥形式為不耦合連續(xù)裝藥,單孔裝藥量詳見圖3和圖4。

圖3 掏槽孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

圖4 輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

壓頂開挖掘進裝藥采用2#巖石乳化炸藥(φ32,每節(jié)300g,長度30 cm)、導爆索及非電半秒雷管進行施工爆破,裝藥形式為不耦合間隔續(xù)裝藥,壓頂光面爆破孔底部裝藥150g,每間隔50 cm裝藥100g。單孔裝藥量詳見圖5。

圖5 光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意

4.6 爆破

爆破起爆網(wǎng)絡采用孔內(nèi)分段“一把抓”進行起爆。起爆順序:中心孔→第二圈掏槽孔→輔助孔→周邊空→底孔。

每次起爆前,爆破員必須仔細檢查起爆網(wǎng)絡。在同一開挖斷面上,起爆順序應由內(nèi)向外逐層起爆。爆破員必須最后離開爆破地點,并在有掩護的安全地點進行起爆。爆破前,爆破技術(shù)員或者是現(xiàn)場爆破負責人必須清點人數(shù),確認無誤后,方可下達起爆命令。爆破員接到起爆命令后,方可起爆。

4.7 爆后檢查

爆破后,經(jīng)通風除塵排煙確認洞內(nèi)空氣合格、等待時間超過15 min后,方準許檢查人員進入爆破作業(yè)地點進行檢查。發(fā)現(xiàn)盲炮,應首先查明原因,并派有經(jīng)驗的爆破員進行處理,處理盲炮時無關人員不許進人警戒區(qū)。

4.8 出渣

經(jīng)爆后檢查確認安全后,作業(yè)人員采用扒渣機裝渣、小型柴油自卸車運輸出渣。

5 應用情況

景寧金村水庫及供水工程輸水隧洞設計開挖斷面尺寸不足10m2,屬特小斷面隧洞。輸水隧洞爆破施工初期,受其斷面小、空間受限、通風困難等限制,單循環(huán)進尺較短,循環(huán)周期長,施工進度緩慢,且光爆效果不理想。采用“多導一壓頂”工藝后,在空間上節(jié)約了鉆孔及裝藥時間,且施工循環(huán)進尺加大,月單向最大進尺220m,與傳統(tǒng)施工爆破工藝月單向最大進尺180m相比,開挖工期縮短了18.18 %,減少了施工成本[5],同時隧洞開挖光面爆破效果有了明顯的提升,頂拱光面爆破殘孔率達到95 %以上。

6 結(jié)語

“多導一壓頂”施工工藝在本工程輸水隧洞投入使用以來,整個施工過程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài),很好地解決了特小斷面隧洞爆破施工的技術(shù)難題,得到了各方的好評。采用“多導一壓頂”施工工藝,對特小斷面隧洞的快速施工具有一定指導意義,為后期同類工程施工積累了寶貴經(jīng)驗。