水工長隧洞小斷面開挖爆破施工技術(shù)研究

摘要：對于高流速的水工長隧道來說，為了減小隧道環(huán)境內(nèi)濾氣與沖擊波的不良影響，隧道洞身后續(xù)必須通過修建襯砌的方式來承受圍巖壓力以及內(nèi)水壓力，因此隧道小斷面施工必須采用一種“光面爆破”技術(shù)，以確保隧道洞身巖體的平整性要求。文章以某地引水隧道工程的施工項目為例，對小斷面開挖的光面爆破方案設(shè)計、爆破施工技術(shù)中洞內(nèi)炮眼布置、裝藥量控制、排氣通風以及排水布置等重要工序的施工要點進行了分析解讀。

關(guān)鍵詞：水工長隧道；小斷面開挖；爆破施工；技術(shù)研究

中圖分類號：TU74 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

水工長隧道是指在自然山體以及地下部位開鑿形成的大型隧道工程，它在農(nóng)業(yè)灌溉、水利工程、水上交通通航以及特殊工程施工導(dǎo)流等情景中被廣泛采用，是水利樞紐系統(tǒng)的重要組成部分之一。如今的水工長隧道在小斷面部位的施工過程中，必須使用一種爆破開挖技術(shù)，出于施工成本、施工進度、施工質(zhì)量以及安全生產(chǎn)等方面的目標效益追求，需要根據(jù)隧道工程的地質(zhì)情況、水文條件以及地形條件來合理控制爆破施工的參數(shù)精度與工序，以此確保水工長隧道工程項目得以圓滿完工。

1 水工長隧道小斷面爆破施工的問題匯總

1.1 光面爆破的參數(shù)設(shè)計問題

在水工長隧道進行小斷面爆破施工時，必須考慮到為后續(xù)襯砌施工提供良好作業(yè)場地的問題，即對破壁面的平整度以及堅固度有著較為苛刻的要求，因此通常會選擇光面爆破技術(shù)來開挖形成隧道結(jié)構(gòu)。然而在光面爆破作業(yè)的過程中，最重要的就是爆破參數(shù)的選擇，合理設(shè)置爆破參數(shù)的目的是確保爆破作業(yè)實施時不產(chǎn)生爆破裂隙，不出現(xiàn)超挖欠挖問題。爆破參數(shù)取值過大或過小，將會導(dǎo)致爆破后的壁面出現(xiàn)巨坑或巖梗，導(dǎo)致最終光面層厚度與水工長隧道工程的設(shè)計內(nèi)容存在較大差距，影響隧道施工質(zhì)量。實際采用光面爆破技術(shù)時，與開挖質(zhì)量相關(guān)的爆破參數(shù)有很多，例如炮眼深度、循環(huán)進尺等。

1.2 炮眼布置的問題

采用光面爆破技術(shù)開挖水工長隧道時需要在掘進工作面形成安放炸藥的炮眼，在爆破施工中根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)的硬度分布、整體性以及巖性不同，各個點位的起爆順序與爆破能量均不相同，因此炮眼在起爆作業(yè)中的布置作用與布置位置也各有不同。從水工長隧道小斷面的施工實際來看，主要存在如下3類炮眼需要進行規(guī)劃設(shè)計：一是掏槽眼，它的作用是將工作面上的部分圍巖破碎拋出，對于爆破施工來說，掏槽眼對于循環(huán)進尺質(zhì)量起到了決定性的作用；二是輔助眼，又叫做崩落眼，它的作用是限制或放大圍巖結(jié)構(gòu)崩落作用的炮眼，只有合理布置輔助眼，才能讓圍巖結(jié)構(gòu)形成理想的光爆層；三是周邊眼，分為幫眼、底眼與頂眼，它的作用是使圍巖結(jié)構(gòu)形成設(shè)計輪廓線。而在炮眼布置時不光要考慮到隧道破壁面的成型質(zhì)量問題，更要考慮到炮眼鋪軌作業(yè)的有利條件，若炮眼傾角或高度條件不理想，就會因炮眼積水的問題而導(dǎo)致隧道開挖質(zhì)量受到影響。

1.3 爆破施工的裝藥問題

光面爆破施工的裝藥作業(yè)需要考慮如下兩個問題：第一是裝藥方式的選擇。如今爆破作業(yè)仍然需要人工傳遞堆碼作業(yè)，在使用集中藥室或條形藥包進行孔內(nèi)填藥時，需要根據(jù)爆破振動力需求來著重考慮裝藥引信的起爆方向；第二是藥包量?？變?nèi)填藥數(shù)量將直接影響爆破點位的爆炸動能，對圍巖結(jié)構(gòu)的破碎數(shù)量起到絕對性作用，所以爆炸振動范圍與寬度、爆破振動力的大小都是通過調(diào)節(jié)填藥完成的。一旦填藥數(shù)目過大，出現(xiàn)超爆目問題，將會導(dǎo)致出現(xiàn)飛石過遠、邊坡坍塌等施工事故問題，嚴重影響現(xiàn)場作業(yè)安全與隧道施工質(zhì)量。

1.4 爆破施工的通風設(shè)計問題

爆破作業(yè)的通風就是指將地面空氣以新風的形式送往隧道中。在水工長隧道貫通結(jié)構(gòu)完全形成前，由于污濁空氣的單位質(zhì)量始終高于空氣，會在隧道內(nèi)沉積，因此隧道斷面內(nèi)難以通過自然排風完成換氣。在爆破施工完成后半封閉的隧道腔室內(nèi)會在短時間里產(chǎn)生大量的炮煙、粉塵，導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣質(zhì)量嚴重下降，若不及時將其排出，空氣中帶有化學毒性的氣體與可吸入粉塵將會給施工作業(yè)人員的人身安全帶來嚴重威脅，所以在爆破施工作業(yè)前必須要做好隧道內(nèi)的通風作業(yè)，為井下作業(yè)人員提供良好的勞動環(huán)境。

2 水工長隧道小斷面爆破施工項目概述

某地經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)建設(shè)有一供水規(guī)模為10萬噸以上的大型水庫工程，為了將附近一自然湖泊的清潔水源引流至當?shù)刈詠硭畯S，規(guī)劃建設(shè)一帶有引水隧道的工程樞紐系統(tǒng)。整個隧道全線共設(shè)有兩個支洞結(jié)構(gòu)，全長共計12 025 m，隧道開挖斷面采用210 m×213 m的“馬蹄形”以及213 m×216 m的“城門形”兩種結(jié)構(gòu)，開挖斷面積為414～516m²。為了便于整個引水隧道結(jié)構(gòu)的施工任務(wù)進行，本次施工共分為5個施工標段，其中每個施工標段的開挖長度控制在1 500～2 700 m。工程地質(zhì)條件勘察結(jié)果表明，該水工長隧道工程所處位置的沿線地貌主要以構(gòu)造侵蝕的中低山丘陵為主，洞室內(nèi)的圍巖巖性為晚期弱風化與微風化的晶洞花崗巖，這種圍巖結(jié)構(gòu)具有質(zhì)地致密堅硬的特點，在工程C1標段主要是采用反坡出渣，洞內(nèi)坡度約為2 411%，無論是洞內(nèi)排渣還是排氣通風均存在一定的阻力障礙^［1］。

3 爆破施工技術(shù)在水工長隧道小斷面開挖作業(yè)中的實際應(yīng)用要點

3.1 光面爆破的參數(shù)設(shè)計

為了避免光爆孔起爆后隧道出現(xiàn)“超挖欠爆”的問題，需要采用不耦合填藥或其他特殊裝藥結(jié)構(gòu)，當開挖主體的全部開爆作業(yè)準備完成后，所有光爆孔內(nèi)會同時起爆，在爆破開挖的工作面上形成數(shù)個貫穿光爆炮孔且表面平整的開挖斷面。本次隧道光面爆破的設(shè)計方案部分參數(shù)，如表1所示。在開挖斷面選擇上則需要根據(jù)不同工程標段的具體需求來選擇，其中C3工程標段全長1 297 m，斷面尺寸為231 m×216 m，由于洞線延伸較長，因此斷面采用馬蹄形結(jié)構(gòu)^［2］。整個標段的隧道開挖主要采用了“中心掏槽+洞口周邊布設(shè)光爆孔”的爆破開挖方式，在此基礎(chǔ)上以明挖法、全斷面法與臺階法加臨時橫撐法形成隧道襯砌的圍巖支撐面。為了便于為隧道開挖作業(yè)的后續(xù)出渣、通風、排水等工序的機械效能得以最大程度發(fā)揮，本次光面爆破作業(yè)的開挖循環(huán)進尺控制在210～215 m，爆破方量控制在10～15m3。

3.2 光爆炮孔的布置設(shè)計

為了使長隧道工程的光面爆破達到設(shè)計預(yù)期標準，在炮孔布設(shè)上主要是采用了如圖1所示的“環(huán)形掏眼法”，先在斷面基準點開鑿用于斷面限位控制的空眼，而后以此為基準嚴格控制光爆孔眼的平行間距，使整個斷面的孔眼沿著隧道周邊的輪廓線進行分布，兩個相鄰炮孔的間距應(yīng)當為50～60 cm。本次光爆炮孔的開鑿數(shù)量，主要是通過如下公式計算求出：

式中：N為炮孔數(shù)量，個；q為單位體積的炸藥消耗量，即裝藥集中量，硬巖環(huán)境的低壓水工隧道取值應(yīng)在0.15～0.25 kg/m3范圍內(nèi)；η為炮眼利用率，在C3標段的隧道開挖施工中取值為96%；S為隧道斷面面積，m²；T為炮眼裝藥系數(shù)，即裝藥長度與炮孔深的比值，本次工程取值為0.18；μ為每單位藥卷炸藥的裝藥質(zhì)量，kg，本次隧道開挖施工選擇乳化炸藥，取值為0.017 8 kg。

3.3 爆破器材的選用以及裝藥作業(yè)

施工主要采用2號硝胺炸藥作為起爆藥，藥卷標準規(guī)格為32 mm×200 mm，單位質(zhì)量為0.017 8 kg。在隧道小斷面四周光爆炮孔部位，則需要將該藥卷自行加工成22 mm×200 mm規(guī)格的藥卷，以滿足各個炮孔的不同裝藥量需求?？紤]到光面爆破的炮孔起爆時延問題，爆破施工采用非塑料導(dǎo)爆管進行起爆，該導(dǎo)爆器材可將不同炮孔的起爆時延控制在1 ms以內(nèi)。其中整個C3標段的炸藥單耗量為316 kg/m3，每延米共消耗181.58個導(dǎo)爆管。

出于提高炮眼利用率、節(jié)省裝藥量的目的，本次施工主要是選擇反向分節(jié)裝藥法，即起爆管盡可能地靠近炮眼底部，使引藥與起爆藥卷的聚能穴均指向孔底相反的方向，這樣爆炸波能夠沿著炮眼開鑿方向向圍巖深處傳播^［3］，使應(yīng)力波的動作用與爆炸產(chǎn)生氣體的靜作用效果得到最大程度發(fā)揮。而在實際爆破施工前，炮眼裝藥量的精確計算也十分重要，采用反向分節(jié)裝藥技術(shù)時，單個炮孔的裝藥量需要用如下公式進行計算：

Q=LTμ """"（2）

式中：Q為每個炮眼的裝藥量總和，單位為kg，計算出結(jié)果后還需要根據(jù)起爆藥的單位質(zhì)量計算出藥卷長度；L為炮眼深度，本次隧道開挖施工在斷面輪廓部位的炮眼深度為215 m；T為炮眼裝藥系數(shù)，仍然取0.18；μ為每單位藥卷炸藥的裝藥質(zhì)量，本次爆破施工使用的乳化硝胺炸藥取值為0.017 8 kg。

3.4 爆破施工的通風排氣布置

本次C3標段的隧道開挖主要是采用支洞分段開挖作業(yè)，且洞線全長超過1 200 m，必須采用雙管排氣法確保隧道洞線內(nèi)的新鮮空氣補充流入。在隧道開挖洞口部位應(yīng)當布設(shè)兩根并行的PVC排氣管，每根單管的管徑以350 mm為宜。洞口每向內(nèi)深進900 m還需要單獨設(shè)置一臺軸流通風機，其中一個管線過泵 通組提供的吹送動力來為整個洞內(nèi)空間補充清新空氣，而另一個管線則依靠吸出式風機將洞內(nèi)的有毒有害廢氣、爆破起塵等一同排出隧道，使洞內(nèi)氣流可以達到人員安全作業(yè)的要求水平。

本次隧道爆破開挖作業(yè)前，需要采用“機械抽排”的技術(shù)方案，為小斷面爆破作業(yè)提供理想場地。結(jié)合C3-2隧道標段的空間地形環(huán)境，本次隧道排水規(guī)劃在支洞洞口處人工開挖一個容積為8m3的蓄水池，而后在隧道排水口部位設(shè)置一條30 cm×40 cm排水溝渠，再通過一個180 W功率的離心泵機將洞內(nèi)的滲水引流至排水溝渠，在坡溝的重力作用下流入隧道外水系。

4 結(jié)語

綜上所述，爆破施工技術(shù)工藝與參數(shù)應(yīng)用的合理與否，將會直接影響整個隧道工程的施工質(zhì)量。因此需要施工建設(shè)單位切實做好光面爆破施工方案的設(shè)計工作，嚴密有序地組織布孔、鉆孔、裝藥、起爆等工序，并要注意加強隧道斷面的通風排水工作，在保障爆破施工安全要求的前提下提高隧道工程的開挖質(zhì)量，為后續(xù)工程建設(shè)內(nèi)容提供穩(wěn)定的環(huán)境基礎(chǔ)。

參考文獻

［1］賈玉霞.黑龍江省幸福溝水庫隧洞開挖爆破設(shè)計技術(shù)探討［J］.水科學與工程技術(shù)，2021（3）：94-96.

［2］張逵.考慮頻率影響的隧洞開挖爆破振動效應(yīng)研究［J］.湖南理工學院學報（自然科學版），2019（3）：48-53.

［3］鐘權(quán)，冷振東，彭崢，等.節(jié)理巖體隧洞開挖爆破損傷特性及爆破方案研究［J］.長江科學院院報，2018（2）：89-94.

（編輯 李春燕編輯）

Research on small section excavation blasting construction technology of hydraulic long tunnel

Zheng" Wei

（Gansu Provincial Water Resources and Hydropower Engineering Bureau Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， China）

Abstract：" For long hydraulic tunnel with high flow velocity， in order to reduce the adverse effects of air filtration and shock wave in tunnel environment， the tunnel must be built by lining to bear the surrounding rock pressure and internal water pressure， therefore， it is necessary to adopt a “Smooth blasting” technique in the construction of tunnel with small cross-section to ensure the smoothness of the rock mass of tunnel body. Therefore， taking the construction project of a water diversion tunnel as an example， the smooth blasting scheme design of small-section excavation， blasting construction technology in the hole layout， charge control， exhaust ventilation and drainage layout， and so on important working procedure construction main point has carried on the analysis explanation.

Key words： hydraulic long tunnel; small section excavation; blasting construction; technical research