輸水隧洞爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

朱興廣，李保華

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

某重點(diǎn)工程中一條無壓引水隧洞的施工，主洞全長(zhǎng)13219m，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為6.9m。圍巖類別以Ⅲ類為主，洞室?guī)r性主要為混合花崗巖，多為微風(fēng)化～新鮮巖，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度在45～60MPa，為中硬巖～堅(jiān)硬巖，巖體較完整～完整性差。節(jié)理面微張～閉合，無充填或石英巖脈充填，節(jié)理面平直粗糙，多陡傾角。

1 爆破方案設(shè)計(jì)

1.1 爆破參數(shù)的選擇

隧洞開挖采用光面爆破施工，能夠最大限度的減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減小圍巖松動(dòng)圈范圍，增強(qiáng)圍巖的自承能力，由于光面爆破使開挖面平整，圍巖無破碎，減少裂隙，減少洞室的超欠挖量，減少后期混凝土支護(hù)工程量，從而降低工程成本，加快工程施工進(jìn)度。

該工程主要以Ⅲ類圍巖為主，全斷面開挖方法，采用2號(hào)巖石硝銨炸藥和2號(hào)巖石乳化炸藥，周邊孔采用空氣間隔裝藥，導(dǎo)爆管和毫秒雷管復(fù)式起爆，其他炮孔采用連續(xù)柱狀裝藥，采用孔內(nèi)延時(shí)微差非電毫秒雷管起爆。嚴(yán)格控制周邊孔的裝藥量，采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，盡可能使炸藥沿炮孔長(zhǎng)均勻的分布。

開挖用YT28型氣腿式鑿巖鉆造孔，人工配合1.0 m3挖掘機(jī)清渣、排險(xiǎn)，3.0m3側(cè)卸裝載機(jī)裝渣，15t自卸汽車進(jìn)行運(yùn)輸至指定渣場(chǎng)。

在光面爆破中，主要爆破參數(shù)包括:最小抵抗線W，炮孔密集系數(shù)K，不耦合系數(shù)，周邊孔間距a，線裝藥密度qL。

(1)周邊孔間距。

a=(10～15)D

式中:a—周邊孔間距，完整巖石宜取大值;

D—鉆孔直徑。

(2)最小抵抗線與炮孔密集系數(shù)。

K=a/W

式中:K—密集系數(shù)，實(shí)踐中多取0.5～0.8;

a—周邊孔間距，單位m;

W—最小抵抗線，單位m。

最小抵抗線與開挖的隧洞斷面大小有關(guān)。在斷面跨度較大，光爆孔所受到的夾制作用較小，巖石比較容易崩落，最小抵抗線可以大些;斷面較小，光爆孔所受到的夾制作用較大，最小抵抗線可以小些。

最小抵抗線也與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，堅(jiān)硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石最小抵抗線可大些。

(3)線裝藥密度。

qL=QaW

式中:qL—線裝藥密度，從同類工程中選取，一般將線裝藥密度取0.08～0.35，單位kg/m，軟巖取小值，硬巖取大值;

Q—單位體積耗藥量，單位kg/m3。

(4)光爆參數(shù)。光面爆破參數(shù)選擇見表1。

表1 光面爆破參數(shù)表

(5)光面爆破炮眼數(shù)目計(jì)算。

炮孔數(shù)目與掘進(jìn)斷面、巖石性質(zhì)、炮孔直徑、藥卷直徑、炮孔深度和炸藥性能有關(guān)。確定炮孔數(shù)目的基本原則是在保證爆破效果的前提下，盡可能減少炮孔數(shù)目。按下列公式估算。

N=3.3(fs2)(1/3)

式中:N——炮孔數(shù)量;

f——巖石堅(jiān)固系數(shù)，本工程中取值16;

s——隧洞斷面面積，本工程取值48m2，則炮孔數(shù)量估算值為111個(gè)。

該工程Ⅲ類圍巖采用下部單層楔形掏槽方式，爆破參數(shù)見表2，炮孔布置見圖1。

表2 Ⅲ類圍巖爆破參數(shù)表

圖1 炮孔布置及起爆順序圖

1.2 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式

光面爆破采用不耦合裝藥，鉆孔孔徑42mm，采用藥卷規(guī)格為φ32mm×200mm×150g(直徑×長(zhǎng)度×重)，不耦合系數(shù)為1.3，炮眼裝藥按裝藥集中度計(jì)算出的藥量裝入炮眼內(nèi)，為克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部多放半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)藥卷，使光爆層易于脫離巖體，裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 掏槽形式圖

圖3

1.3 起爆順序

起爆順序?yàn)?掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔，采用多段微差由內(nèi)向外起爆，其中主爆區(qū)使用非電毫秒雷管，光爆孔用導(dǎo)爆索起爆。

2 爆破方案優(yōu)化

完成爆破設(shè)計(jì)后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)第一次爆破試驗(yàn)表明未達(dá)到理想爆破效果，故進(jìn)行爆破方案優(yōu)化，采取了調(diào)整爆破參數(shù)、規(guī)范施工和工藝等方法，最終達(dá)到了很好的效果。

2.1 調(diào)整爆破參數(shù)

(1)由單級(jí)楔形掏槽調(diào)整為二級(jí)楔形掏槽，加大掏槽孔與掌子面的角度，由原爆破設(shè)計(jì)的63°加大至65°，以提高炮孔利用率，減小被爆渣體塊度大、爆渣分散不易裝運(yùn)等狀況。

(2)減小造孔深度。掏槽型式優(yōu)化后，孔深3.5m與孔深3.3m爆破進(jìn)尺都是3.2m，鉆孔深度由原來的3.5m，減少至3.3m，可以起到提高鉆孔利用率，減少炸藥單耗，并減少爆破循環(huán)時(shí)間的作用。

(3)優(yōu)化炮孔密集系數(shù)，分散裝藥，使炮孔布置更加均勻合理。由爆破設(shè)計(jì)的111個(gè)孔，增加至114個(gè)孔，能夠均勻分布爆炸沖擊波的影響范圍，最大限度減小對(duì)周圍圍巖影響和對(duì)松動(dòng)圈的影響范圍，充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，并能夠使爆破巖體塊度均勻。

(4)加大周邊孔不耦合系數(shù)。由直徑32mm藥卷優(yōu)化為直徑25mm藥卷，不耦合系數(shù)1.3增加至1.7，能夠降低作用在孔壁巖石上的初始徑向應(yīng)力峰值，延長(zhǎng)爆生氣體在巖石內(nèi)部的作用時(shí)間，加強(qiáng)周邊孔爆破效果，提高光爆質(zhì)量。

(5)優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)。光爆孔由相對(duì)集中裝藥，改為孔底加強(qiáng)裝藥，其它部位分散裝藥。調(diào)整后的裝藥結(jié)構(gòu)見圖4。

表3 優(yōu)化后Ⅲ類圍巖爆破參數(shù)表

圖4

炮孔布置及起爆順序、掏槽形式見圖5。

2.2 規(guī)范光面爆破施工工藝和方法

(1)放樣布眼。鉆孔前，測(cè)量人員用全站儀和水準(zhǔn)儀，準(zhǔn)確定出隧洞中心線和拱頂面高程，用紅油漆畫出開挖輪廓線，并標(biāo)出炮眼位置，其誤差不超過5cm，每次測(cè)量放樣的同時(shí)，要對(duì)上次爆破斷面進(jìn)行檢查，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以達(dá)到最佳爆破效果。

圖5 炮孔布置及起爆順序圖

圖6 掏槽形式圖

(2)鉆孔要求。

掏槽孔:深度、角度按設(shè)計(jì)施工，孔口間距誤差和孔底間距誤差不得大于5cm。

輔助孔:深度、角度按設(shè)計(jì)施工，孔口排距、行距誤差均不大于5cm。

周邊孔:開孔位置在設(shè)計(jì)斷面輪廓線上的間距誤差不得大于5cm，周邊孔外斜率不得大于5cm/m，孔底不得超出開挖斷面輪廓線10cm，最大不得超過15cm。

底板孔:采取先用短釬，后用長(zhǎng)釬的方法控制底孔外插角過大。

(3)布置要求。

先布置掏槽孔，其方向在巖層層理明顯時(shí)應(yīng)垂直于層理，掏槽孔應(yīng)比其他孔加深20cm以上。嚴(yán)禁掏槽孔相交或交叉。

周邊孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開挖輪廓線布置，周邊孔的孔口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線上，孔底超出輪廓線小于10 cm。

(4)孔口堵塞長(zhǎng)度。已裝藥的炮孔應(yīng)及時(shí)用炮泥堵塞、密封，堵塞長(zhǎng)度大于30cm，且堵塞嚴(yán)實(shí)、嚴(yán)禁用紙箱等易燃物進(jìn)行塞堵。

(5)清孔裝藥。裝藥前用小直徑高壓風(fēng)管將炮孔內(nèi)石屑吹凈，裝藥需分片、分組按炮孔設(shè)計(jì)圖確定的裝藥量自上而下進(jìn)行，非電毫秒雷管要“對(duì)號(hào)入座”不得混裝，周邊孔宜采用小直徑藥卷配導(dǎo)爆索，以增加不耦合系數(shù)和爆破時(shí)的緩沖作用，炮孔裝藥均采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。底孔采用乳化炸藥，以防止拒爆。

(6)連接起爆網(wǎng)絡(luò)。起爆網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式網(wǎng)絡(luò)，以保證起爆的可靠性和準(zhǔn)確性，由dv管和塑料導(dǎo)爆管孔內(nèi)微差非電毫秒雷管起爆，網(wǎng)絡(luò)連接好后設(shè)專人負(fù)責(zé)檢查后起爆。

3 爆破效果實(shí)測(cè)

3.1 線性超欠挖情況

通過對(duì)工程實(shí)際爆破后隧洞進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)平均超欠挖情況為:對(duì)27個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)測(cè)，最大平均線性超挖6.29cm，最小2.64cm，小于規(guī)范20cm規(guī)定值。

表4 實(shí)際爆破超挖統(tǒng)計(jì)表

圖7 測(cè)量點(diǎn)布置圖

圖8 測(cè)定松動(dòng)圈鉆孔布置及實(shí)測(cè)松動(dòng)圈

由實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可看出，優(yōu)化爆破參數(shù)后，光爆達(dá)到了很好的效果，無欠挖現(xiàn)象，并且超挖均控制在SL 378-2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》規(guī)定的200mm范圍內(nèi)。

3.2 爆破參數(shù)實(shí)測(cè)情況

炮孔利用率由優(yōu)化前的91%提升至96%，炸藥單耗量由優(yōu)化前的1.19kg/m3減少至1.06kg/m3，提高炮孔及炸藥的利用率，并減少爆破循環(huán)時(shí)間，提高施工效率。

3.3 松動(dòng)圈范圍實(shí)測(cè)情況

根據(jù)對(duì)松動(dòng)圈厚度范圍進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)孔的平均范圍為2410～2650m/s，松動(dòng)圈平均波速范圍2030～2290m/s，平均Kv值范圍為0.22～0.27松動(dòng)圈厚度范圍為0.60～0.75m，測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

表5 松動(dòng)圈測(cè)試數(shù)據(jù)成果表

4 結(jié)語

(1)對(duì)比該工程中爆破參數(shù)調(diào)整前后，由單向掏槽優(yōu)化為二級(jí)復(fù)合式掏槽孔，加強(qiáng)掏槽爆破，并更加均勻布置輔助孔及周邊孔，提高炮孔利用率和光爆效果。

(2)優(yōu)化爆破參數(shù)后，通過優(yōu)化炮孔深度、布置，使總裝藥量減少，單耗降低。在這種情況下，提高整體光爆質(zhì)量，并且被爆渣體塊度小、爆渣集中，便于裝運(yùn)出渣，有利于施工。

(3)決定爆破效果的好壞主要與巖石性質(zhì)、爆破工藝、炸藥性能有關(guān)，工程的地質(zhì)情況是變化的，所以爆破設(shè)計(jì)參數(shù)也是動(dòng)態(tài)的，在施工過程中，它隨著巖石性質(zhì)的變化而變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，以達(dá)到爆破提高質(zhì)量、施工方便快捷、降低施工成本的目的。

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