孫 露

(遼寧省水利廳， 遼寧 沈陽 110003)

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地下洞室爆破開挖的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫 露

(遼寧省水利廳， 遼寧 沈陽 110003)

本文對(duì)目前地下洞室鉆爆法施工的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，從工程實(shí)踐中總結(jié)提出了因鉆爆法施工特殊性造成的超挖問題，由于超挖帶來初支混凝土厚度增加，從而導(dǎo)致回彈率增大、原材料浪費(fèi)、施工成本增加、施工工效降低，二襯混凝土厚度增加導(dǎo)致的澆筑時(shí)不易振搗與質(zhì)量不易控制、水泥水化熱增大、溫控難度增加、混凝土容易出現(xiàn)裂縫、回填灌漿不易密實(shí)、后期運(yùn)行易出現(xiàn)水力劈裂等諸多問題。通過凝灰質(zhì)砂巖520m洞段爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，徑向平均超挖20.5cm降低至15.4cm，為同類地質(zhì)條件施工提供參考。

地下洞室； 爆破開挖； 平均超挖； 參數(shù)調(diào)整； 工程質(zhì)量

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，鐵路、水利、公路等基礎(chǔ)行業(yè)設(shè)施的建設(shè)蓬勃發(fā)展，地下洞室施工越來越引起工程界學(xué)者的重視，一些隧洞在開挖階段由于TBM施工機(jī)械的購(gòu)置、運(yùn)輸、組裝、零部件更換以及拆除等發(fā)生的費(fèi)用較高，TBM機(jī)械的設(shè)計(jì)制造時(shí)間長(zhǎng)，初期投資較高，不適用于短距離隧洞施工，在施工過程中不易改變開挖直徑和形狀，并且地質(zhì)條件的適應(yīng)性也會(huì)受到一定限制，目前雖然正在開發(fā)全地質(zhì)型TBM機(jī)種，但仍滿足不了特殊地質(zhì)要求，軟弱圍巖地帶仍存在不少問題；對(duì)于硬巖，強(qiáng)度超過200MPa以上，刀具成本急劇增大，掘進(jìn)效率也明顯降低。因此，對(duì)于一些不適合TBM施工的壓力隧洞，常規(guī)做法通常是采用鉆爆法施工，其施工比較靈活，不僅可以很快地開始開挖施工，而且可以開挖各種斷面形狀、尺寸、大小的地下洞室；既可以采用比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低的施工設(shè)備，也可以采用先進(jìn)、高效、費(fèi)用較高的施工設(shè)備，如：多臂鑿巖臺(tái)車，可以適應(yīng)堅(jiān)硬完整的圍巖，也可以適應(yīng)較為軟弱破碎的圍巖，但其存在超挖問題，一直困擾著廣大建設(shè)者。如何控制超挖，是本文在地下隧洞開挖中重點(diǎn)研究的問題，同時(shí)結(jié)合大伙房水庫輸水工程部分洞段爆破開挖實(shí)例，提出適宜凝灰質(zhì)砂巖地區(qū)的爆破開挖參數(shù)，為同類地質(zhì)條件的地下工程提供參考。

1 鉆爆法施工的特點(diǎn)

目前，不適用TBM開挖的施工洞段大都采用鉆爆法施工，但鉆爆法施工超挖不易控制、超挖量大，平均超挖大于DL/T 5135—2001《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》要求的“徑向超挖不得大于20cm”的隧洞工程比比皆是。由于過度超挖，給工程后期施工帶來一系列較難控制的問題。不同地質(zhì)條件需要采用不同的爆破方式，尤其對(duì)于一些穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，超挖控制尤其困難，需要根據(jù)每茬炮的爆破情況，調(diào)整不同的爆破方式，如：掏槽深度、周邊孔間距、楔形掏槽角度、布孔數(shù)量、段位數(shù)量以及裝藥量等。如何控制超挖，將是隧洞工程施工的重中之重，只有通過不斷調(diào)整爆破參數(shù)、優(yōu)化爆破方案，才能在施工中最大限度地控制超挖。

2 爆破施工現(xiàn)行方式

目前隧洞鉆爆法施工一般視圍巖工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及施工設(shè)備的能力，由承包人確定。在施工和環(huán)境安全的情況下，當(dāng)成洞條件好、鉆孔設(shè)備能力滿足、開挖洞徑小于10m、斷面面積不大于100m2時(shí)[1-4]，可以采用全斷面掘進(jìn)法；當(dāng)開挖洞徑大于10m時(shí)，宜采用導(dǎo)洞法施工。爆破開挖前，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、隧洞施工技術(shù)要求，結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及鉆孔機(jī)具、爆破器材等進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。開挖理念遵循“新奧法施工準(zhǔn)則”，即“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則進(jìn)行。當(dāng)開挖洞徑小于10m時(shí)，Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺一般按照2～3m控制，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺一般按照0.5～1.5m控制。爆破周邊孔采用光爆或預(yù)裂爆破方式，主爆破孔采用微差毫秒雷管爆破技術(shù)，以盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減小松動(dòng)圈影響范圍，同時(shí)采用初期錨噴支護(hù)技術(shù)，將初期支護(hù)及二襯與周圍巖體聯(lián)合起來作為永久結(jié)構(gòu)，共同抵抗內(nèi)水壓力、外水壓力，防止水力劈裂發(fā)生等。

如何獲得好的爆破效果，是重點(diǎn)研究的問題。地下隧洞爆破控制的關(guān)鍵在于合理的炮孔布置、裝藥量和起爆程序等，其中掏槽孔的作用至關(guān)重要，它對(duì)爆破的循環(huán)進(jìn)尺起到?jīng)Q定性作用。施工中應(yīng)根據(jù)掌子面揭露圍巖的巖性、節(jié)理裂隙及地下水等實(shí)際情況來布置掏槽孔，常見的掏槽方式有直孔掏槽、斜孔掏槽兩種。一般情況下掏槽孔設(shè)置在斷面中部，當(dāng)采用空孔掏槽時(shí)，其孔徑應(yīng)比主爆破孔大，孔深應(yīng)比主爆破孔深15～20cm左右[3]，同時(shí)裝藥量應(yīng)增加15%～20%左右。斜孔掏槽即是“V”形掏槽，一般適用于隧洞具有一定的開挖寬度，爆破循環(huán)進(jìn)尺約為隧洞寬度的50%，一般采用雙級(jí)掏槽或多級(jí)掏槽[4]，單級(jí)掏槽裝藥量大，爆破效果不好，掏槽角度一般不應(yīng)小于60%。上層孔一般使用同段雷管，在孔徑和所用炸藥條件下，最小抵抗線W1、W2與掏槽高度h及底部裝藥集中度之間的關(guān)系如下圖所示。

多級(jí)楔形掏槽方式圖

不同工程的光面爆破參數(shù)一般通過試驗(yàn)確定，初次選用的參數(shù)可參考表1微調(diào)執(zhí)行。

表1 光面爆破參數(shù)參考

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量地下隧洞工程的統(tǒng)計(jì)資料表明，采用鉆爆法施工洞室徑向平均超挖值均超過20cm[5]左右，其原因除地質(zhì)條件以外，主要是由于鉆孔插入角控制不嚴(yán)格，為了減少超挖量，開鉆時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制好入巖角度，并保持周邊孔孔向一致，嚴(yán)禁脫離鉆機(jī)，總結(jié)超挖量與孔深、插入角的關(guān)系式如下：

ΔL=R+0.5Ktanα

式中 ΔL——平均超挖值，cm；

R——鉆機(jī)離設(shè)計(jì)線最小操作空間距離，cm，一般R為10cm；

K——循環(huán)進(jìn)尺，cm；

α——插入角(鉆桿與洞軸線夾角)。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況及地質(zhì)條件

大伙房輸水隧洞工程撫順段一支洞段長(zhǎng)2.37km，為無壓隧洞，斷面型式為圓拱直墻型，成洞洞徑為6.3m。隧洞大部分為構(gòu)造剝蝕地形-緩隆起剝蝕低山-渾圓狀低山區(qū)。地面高程在158.0～305.6m左右。該隧洞洞室樁號(hào)01+380—01+900洞段圍巖巖性主要為凝灰質(zhì)砂巖，局部夾有頁巖。巖屑砂巖多呈薄層狀—中層狀，頁巖呈微薄層狀。洞室?guī)r體以弱風(fēng)化—微風(fēng)化為主。巖屑砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度23～37MPa，屬較軟巖—中硬巖。頁巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度11～15MPa，屬軟巖。局部夾有泥質(zhì)巖石，具有遇水易軟化崩解，失水快速風(fēng)化的特性。巖體多較完整—完整。圍巖類別多為Ⅲ類，洞室開挖過程中以滲、滴水為主，局部可能出現(xiàn)線流。巖層走向與洞線夾角40°左右，巖層傾角20°左右。

3.2 爆破方案優(yōu)選

在進(jìn)行開挖前，選擇4～6個(gè)循環(huán)作為爆破試驗(yàn)段，用于驗(yàn)證爆破參數(shù)與開挖效果的關(guān)系，以求得最佳爆破效果的爆破參數(shù)，指導(dǎo)爆破作業(yè)。每次試驗(yàn)爆破后，監(jiān)測(cè)光爆效果、開挖平整度、洞壁爆破裂縫、超欠挖情況、石渣粒徑，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以獲得最佳爆破參數(shù)。

a.光面爆破參數(shù)選擇。隧洞開挖采用“新奧法”施工，全斷面開挖光面爆破技術(shù)。根據(jù)有關(guān)資料和施工經(jīng)驗(yàn)確定該工程爆破參數(shù)，開挖時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

b.爆破施工的炸藥和雷管類型。該工程火工材料主要選用2號(hào)巖石硝銨炸藥，有水施工段采用2號(hào)抗水巖石硝銨炸藥，掏槽孔、輔助孔及底板孔的藥卷直徑均為32mm，周邊孔采用直徑25mm的光爆藥卷。導(dǎo)爆索和非電毫秒導(dǎo)爆雷管引爆。

c.裝藥方式、炮孔堵塞及起爆網(wǎng)絡(luò)。主爆孔裝藥采用反向連續(xù)裝藥方式，周邊孔采用反向不耦合裝藥。人工裝藥，高部位借助鉆孔臺(tái)車裝藥，藥卷用炮桿送入炮孔，裝好藥后用炮泥堵塞炮孔，堵塞深度不低于1/3炮孔深。所有炮孔都裝好藥后，根據(jù)起爆順序聯(lián)網(wǎng)，最后匯總到一起，與引爆的導(dǎo)爆雷管連接好，非明火起爆。

d.爆破鉆孔的布置和爆破參數(shù)。在鉆爆施工前，首先進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)條件及施工方法，對(duì)鉆孔深度、掏槽方式、炮孔布置、光爆參數(shù)、裝藥量、起爆網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并進(jìn)行爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)效果對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

對(duì)該工程520m長(zhǎng)凝灰質(zhì)砂巖洞段跟蹤爆破，并在爆破開挖過程中根據(jù)超挖情況，分析總結(jié)，不斷優(yōu)化調(diào)整開挖爆破參數(shù)，隨機(jī)抽取12個(gè)典型斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，平均超挖由原來的20.5cm降低至15.4cm，滿足DL/T 5135—2001《水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》要求的“徑向超挖不得大于20cm”要求，節(jié)省工程投資的同時(shí)，為后續(xù)襯砌混凝土施工提供了質(zhì)量保證。

爆破參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比如表2所列。

表2 爆破參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié) 語

不同工程穿越的地質(zhì)條件不同，同一工程不同洞段穿越地質(zhì)條件也不盡相同，針對(duì)地質(zhì)條件隨開挖推進(jìn)而不斷變化的實(shí)際情況，不僅需要及時(shí)開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，更需針對(duì)每茬炮的爆破效果，結(jié)合圍巖節(jié)理裂隙走向、抗壓強(qiáng)度、滲漏水等情況對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，才能最大限度地控制爆破開挖的超挖量。該工程針對(duì)爆破初期超挖量大的實(shí)際情況，進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)爆破參數(shù)及時(shí)調(diào)整，收獲了不錯(cuò)的爆破效果。

a.改變?cè)械膯渭?jí)楔形掏槽數(shù)量、角度，調(diào)整為多級(jí)楔形掏槽，適當(dāng)增大直眼掏槽深度15～20cm，減少粒徑較大石塊的發(fā)生數(shù)量。

b.調(diào)整爆破周邊孔間距，由原來的55cm降低至45cm，周邊孔由原來的28個(gè)增加到36個(gè)，總爆破孔由原來的69孔，增加至85孔。

c.增大周邊孔不耦合系數(shù)，原周邊孔藥卷直徑32mm，不耦合系數(shù)1.3，調(diào)整后，周邊孔藥卷直徑縮小為25mm，不耦合系數(shù)增大至1.68。

d.調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)，增大爆破周邊孔裝藥段位，減小單個(gè)藥卷藥量。

通過對(duì)凝灰質(zhì)砂巖520m試驗(yàn)洞段的爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，徑向平均超挖由20.5cm降低至15.4cm，在降低施工成本的同時(shí)，為后序隧洞施工提供了質(zhì)量保證。

[1] DL/T 5195—2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社，2004.

[2] DL/T 5135—2001水電水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社，2002.

[3] 阮愛國(guó)，譚輝，孟德志.三峽地下電站洞室開挖質(zhì)量管理與控制[J].水利建設(shè)與管理，2007(1):35-38.

[4] 張亞豐.大伙房輸水工程9號(hào)洞不良地質(zhì)地段施工簡(jiǎn)介[J].水利建設(shè)與管理，2009(4):23-25.

[5] 張明高.蓋下壩水電站砂巖中隧洞開挖的圍巖穩(wěn)定性分析及應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2011(1):45-48.

Optimal design of the blasting excavation of underground cavern

SUN Lu

(Liaoning Provincial Water Resources Department, Shenyang 110003, China)

In the paper, advantages and disadvantages of current drilling and blasting method construction of underground cavern are analyzed. Overbreak problem due to the specialty of drilling and blasting method construction are summarized and proposed in engineering practice. Initially-supported concrete thickness is increased due to overbreak, thereby leading to resilient rate increase, waste of raw materials, construction cost increase, construction efficiency reduction, difficult concrete vibration during pouring due to second lining concrete thickness increase and difficult quality control, cement hydration heat increase, increased temperature control difficulty, easy crack production of concrete, difficult compaction of backfilling grouting, easy hydraulic fracture in subsequent operation, etc. Radial average over-break is reduced from 20.5 cm to 15.4cm through the optimal design of tuffaceous sandstone 520m hole section blasting parameters, thereby providing reference for construction under similar geological conditions.

underground cavern; blasting excavation; average overbreak; parameter adjustment; project quality

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.009

TV542

B

1005-4774(2016)12- 0031- 04