穿黃隧洞工程爆破施工安全技術措施應用探討

蔣學武，戴永翔

（南水北調東線穿黃工程北區建管局，山東聊城 252000）

1 工程概況

穿黃隧洞位于山東東平縣和東阿兩縣境內，從黃河兩岸較窄的解山與位山之間隱伏的馬鞍型河床基巖中穿過，最大埋深達60 m，斜井段在黃河北大堤下埋深約為40 m。隧洞為鋼筋混凝土襯砌倒虹吸隧洞，洞徑7.5 m，設計輸水流量 100 m3/s。隧洞包括：南岸豎井段 50.83 m、過河平洞段 307.17 m、北岸斜井 166.03 m、進口埋管 31.42 m、出口埋管 29.93 m，全長 585.38 m。

隧洞斜井、豎井段上部巖層主要為寒武系崮山組灰巖夾頁巖，巖層風化厚度大，構造裂隙發育，巖體較為破碎，屬IV類圍巖，開挖施工中易出現塌方；斜井、豎井下部及平洞段巖體為張夏組豹皮灰巖和鮞狀灰巖，圍巖完整性較好，屬于III～II類圍巖。根據探洞開挖查明，隧洞所穿圍巖有斷層13條，產狀多為北東走向，寬度在 0.5～3.0m 之間，圍巖破碎，多發生滲（涌）水，屬III～IV類圍巖。隧洞由于斷層和垂向裂隙切割較深并伴有不同程度的溶蝕現象，使得隧洞段黃河水、孔隙水和巖溶裂隙水“三水連通”，因此隧洞圍巖滲（涌）水量較大。隧洞涌水主要發生在斷層和較大的溶蝕裂隙部位，最大涌水量達200 m3/h，對隧洞石方爆破開挖能否安全進行有非常大的影響。

2 爆破施工方法

隧洞開挖施工采用鉆爆法。由于襯砌支護方式及厚度不同，隧洞開挖直徑為 8.9～9.5 m，爆破分上導洞和下導洞，先上后下循序進行。斜井施工自2008年12月開工，2009年8月完成。其中，上導洞開挖斷面面積 37.4 m2，布置 84 個孔，孔徑 42 mm，孔深 1.7 m，采用2#巖石乳化炸藥，非電毫秒塑料導爆管起爆，單孔藥量 0.42～0.8 kg，總裝藥量 40.78 kg， 29 個周邊孔采取光面爆破，孔距50cm，裝藥不耦合系數1.68，以隧洞原探洞為臨空面，循環進尺為 1.5 m；下導洞開挖斷面面積32.58 m2，布置71個孔，孔徑42 mm，孔深 1.7 m，單孔藥量 0.42～0.68 kg，總裝藥量35.51 kg，周邊孔23個采用光面爆破，孔距 50 mm，裝藥不耦合系數1.68，以上導洞開挖面為臨空面，循環進尺為 1.5 m。

隧洞平洞施工自2009年8月開工，2010年2月完成。平洞施工對爆破參數進行了調整：其中，上導洞爆破孔 74 個，孔深 1.65 m，總裝藥量 53.85 kg，周邊孔26個，孔距45 cm，裝藥不耦合系數1.31；下導洞爆破孔 68 個，孔深 1.65 m，總裝藥量 53.14 kg，周邊孔28個，孔距45 cm，裝藥不耦合系數1.31。

3 施工安全監控

（1）隧洞斜洞上部穿越的黃河大堤屬位山險工段，是確保黃河防洪安全的重要設施。通過在大堤上安裝的安全監測設備，對隧洞爆破施工過程中的監測數據進行分析，研判對黃河大堤的影響，選擇合適的爆破方案并調整爆破參數，達到最佳爆破效果。

大堤上安全監測設備分為靜態監測（位移、滲壓等）和動態監測（質點振動）兩部分，爆破施工對大堤影響主要是以質點振動參數為控制指標。動態監測點采用10組（20支）振動傳感器進行豎向和水平方向的振動監測，傳感器沿洞軸線大堤頂上布置3組、背水坡上3組、迎水坡軸線兩側各2組。

（2）隧洞石方爆破施工期間，根據石方開挖進展情況，在洞內及時跟進安裝監測設備，以便隨時掌握隧洞圍巖變化情況，特別是隧洞斜洞段圍巖為寒武系崮山組灰巖夾頁巖，巖層風化，構造裂隙發育，巖體較為破碎，必須要保證隧洞施工安全。為此，在斜洞樁號6+973.617斷面（F3斷層）安裝多點位移計3套、錨桿應力計3支、滲壓計2支；在樁號6+942.317斷面（F11斷層）安裝錨桿應力計3支、滲壓計2支；在樁號6+886.917斷面（F12斷層）安裝多點位移計2支、滲壓計2支；在每個斷層及斷層之間設置收斂觀測點，每天進行觀測。

4 施工安全技術措施

4.1 超前探水預注灌漿

隧洞爆破施工前首先根據設計要求在開挖范圍內鉆放射狀外擴孔，每個斷面12個孔，進行超前探水。當透水率大于2lu時進行預注灌漿，按照不同的透水率、出水量及水壓力，分別采用不同濃度的水泥漿液和不同灌漿壓力，經灌漿處理后其圍巖透水率均小于2lu。預注灌漿后將一定范圍內的圍巖裂隙、斷層充填密實，使其在開挖面以外形成較好的阻水帷幕，然后在帷幕內進行鉆孔爆破開挖。每次灌漿段長50 m，鉆爆開挖40 m。之后，鉆孔探水預注灌漿、爆破開挖循環進行。隧洞預注灌漿既能固結圍巖、增強圍巖整體性又能達到阻水效果，保證開挖施工工作面干場作業環境。

4.2 優化爆破試驗參數

隧洞爆破施工前施工單位編制爆破試驗方案，爆破試驗的裝藥量從最小開始，然后逐漸增加，根據實際監測到的數據資料適當調整爆破參數如孔位、孔深、孔距和裝藥量，盡可能地減小爆破振動對黃河大堤、不良地質斷層段和IV、V類圍巖段的影響，選擇最佳的裝藥量，控制最大的裝藥量。在爆破中，遵循“短進尺、弱爆破、勤測量、強支護”的原則。

4.3 及時采取支護措施

隧洞開挖后及時采取支護措施，確保施工安全。隧洞出口段圍巖為崮山組IV類圍巖，開挖后采取地面錨桿+超前錨桿+鋼支撐+掛網錨噴混凝土方式進行加固。針對不同的斷層情況，采取不同的方式進行支護。如，洞臉（樁號7+038）段采用地面錨桿+超前錨桿+工字鋼支撐+鋼纖維混凝土支護；在F3斷層處按設計要求進行支護，以超前錨桿（錨桿Φ25 mm，L=5 m，間距 40 cm）+系統錨桿（錨桿 Φ22 mm，L=3 m，間排距1.0 m×1.0 m交錯布置）+鋼纖維混凝土（C25，H=20 cm）的方式進行施工。

5 監測數據分析

5.1 大堤監測數據分析

根據黃河大堤安全觀測結果與半年多位移觀測數據分析，穿黃隧洞爆破施工期間垂直位移最大累積值（M1點）4.48 mm，水平位移最大累積值（18#孔）3.06 mm，表明大堤位移以垂直沉降為主，沉降變化較小。滲壓監測數據分析結果如下：除2009年6月22日至7月5日黃河調水調沙和雨季期間隨著黃河水位變化測壓管水位逐漸回升外，測壓管地下水位基本穩定在34.4 m左右。動態觀測數據顯示，隧洞爆破開挖施工期間安裝在洞頂黃河大堤堤頂上3組振動傳感器峰值振速分別為：V2測點水平方向1.1 cm/s，豎直方向0.88 cm/s；V4測點水平方向0.93 cm/s，豎直方向 1.28 cm/s；V6測點水平方向 0.69 cm/s，豎直方向0.78 cm/s。以上數值均在爆破振動安全允許范圍以內，堤頂最大峰值振速為2 cm/s，小于爆破振動安全允許標準，表明隧洞爆破開挖振動對大堤影響較小，能夠保證黃河大堤的運行安全。

5.2 洞內監測數據分析

穿黃隧洞斜洞樁號6+973.617斷面 （F3斷層）多點位移計半年多來所采集到的數據分析結果如下：F3斷層拱頂高程6.852 m處巖體位移變化最大值為0.11 mm，F3斷層右側圍巖高程2.108 m處巖體位移變化最大值為0.107 mm，F3斷層左側圍巖高程2.114 m處巖體位移變化最大值為-0.082 mm，以上3點位移監測值均在正常變化范圍內。在樁號6+886.917斷面（F12斷層）多點位移計監測數據分析結果如下：埋設在左側圍巖高程-4.736 m處巖體位移累計變化量-0.02 mm，右側圍巖高程4.529 m處巖體位移最大變化量-0.01 mm，以上2點位移監測值均在正常變化范圍之內。從以上圍巖位移變化數據可以判定，爆破施工震動對F3斷層及F12斷層段圍巖影響很小，充分表明隧洞巖體在爆破施工過程中始終處于安全狀態。

6 結語

南水北調東線穿黃隧洞工程爆破開挖施工已經完成，隧洞斜井、平洞、豎井導洞實現全部安全貫通。實踐證明，為保證隧洞工程爆破施工安全所采用的安全技術措施切實可行，有效地避免了施工中可能出現的突發涌水、圍巖塌方等事故發生，大大降低了爆破振動對黃河大堤的影響，確保了爆破開挖施工期間黃河大堤及隧洞的安全，為隧洞下一步混凝土襯砌施工創造了有利條件，為水下開挖工程施工積累了豐富的實踐經驗。