淺談核電站取水隧洞硬巖段盾構施工地面鉆孔爆破預處理技術

摘 要：以遼寧大連紅沿河核電站5#、6#機組取水隧洞盾構區(qū)間工程為例，介紹盾構穿越硬巖段區(qū)間（花崗巖球狀風化體及基巖）時采用深孔松動爆破對盾構隧洞掘進范圍內的硬巖進行松動預處理的技術。通過該技術的采用，有效地提高了盾構速度及盾構效率，成功地規(guī)避了盾構機遇硬巖盾構姿態(tài)難以控制、盾構硬巖易卡刀盤、刀具磨損嚴重、刀座易變形等施工風險，保證了盾構機掘進時安全順利的通過。該技術高效率低成本，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：取水隧洞；盾構；硬巖段區(qū)間；深孔松動爆破

引言

隧道盾構掘進時常常會遇到微風化花崗巖球狀風化體或全斷面硬巖，其掘進速度會降低，盾構機震動劇烈，刀座易松動且刀具磨損快，刀盤、螺旋機等部件損耗大，更換頻繁，嚴重影響施工進度，增大施工成本，嚴重時會造成盾構機掘進姿態(tài)不可控，發(fā)生工程事故。在遼寧大連紅沿河核電站5#、6#機組取水隧洞盾構區(qū)間施工中，針對局部硬巖及孤石侵入隧洞掘進范圍內的情況，通過地勘勘探，結合隧洞的埋深、高程，影響隧洞掘進硬巖的位置、厚度、巖性及周邊環(huán)境等因素選用了地面鉆孔松動爆破預處理技術配合盾構掘進的方法，即提前對盾構區(qū)間的硬巖段進行預處理，使其破碎塊度邊長小于30cm，以利于盾構機掘進。該方案施工工藝簡單，投入少，效率高，盾構風險安全可控。

1 工程概況

1.1 設計概況

遼寧大連紅沿河核電廠5、6號機組取水隧洞工程包含盾構法隧洞和明管段，其中5#機組取水隧洞盾構法施工硬巖段區(qū)間有三個區(qū)域需進行地面鉆孔爆破預處理；6#機組取水隧洞盾構法施工硬巖段區(qū)間有五個區(qū)域需進行地面鉆孔爆破預處理。

其中5號隧洞總長度為1269.617m，有3個地面鉆孔爆破預處理區(qū)域：分別為WK0+170～WK0+312、WK0+955～WK1+048、WK1+218～WK1+234.702，共251.702m。

6號隧洞總長度為1269.617m，有5個地面鉆孔爆破預處理區(qū)域：分別為LK0+024～LK0+104、LK0+177～LK0+240、LK0+259～LK0+308、LK0+978～LK1+000、LK1+204～LK1+248.567，共258.567m。

在8個爆破區(qū)域中局部敷設有低壓、高壓、給排水、供暖及材料區(qū)，具體見表1。

1.2 地質情況

5#機組取水隧洞地面鉆孔爆破預處理區(qū)域主要巖性為花崗巖，局部見片麻巖捕擄體，巖石中風化、微風化，巖體波速1600～3571m/s，圍巖類別主要為Ⅴ類，部分為Ⅳ類。

6#機組取水隧洞地面鉆孔爆破預處理區(qū)域主要巖性為花崗巖，局部見片麻巖捕擄體，巖石中風化、微風化，巖體波速1550～3600m/s，圍巖類別主要為Ⅴ類，部分為Ⅳ類。

2 施工工藝流程及注意事項

（1）針對已有地質勘查資料對所爆硬巖段進行補勘，繪制詳細地質地形資料，再次確定巖層厚度、高程，制定施工方案；（2）根據(jù)方案，測量人員給孔位，布設鉆機，開始鉆孔作業(yè)；為了精準控制鉆孔方向，采用矩形布孔，垂直鉆孔，有必要時用泥漿護孔或下鋼套筒；（3）成孔后按方案設計對每孔進行裝藥工作；將2#巖石乳化藥卷捆綁于導爆索送入炮孔底部，導爆索長度根據(jù)孔深不同、藥包長度不同確定，高于藥包長度500mm，MS8-30引爆；裝藥結束后將剩余部分炮孔全部填塞，填塞材料就地取用鉆巖巖粉；（4）炸藥裝填工作結束后對炮孔進行網(wǎng)路連接及覆蓋防護；引爆雷管捆扎在導爆索長于藥包500mm范圍內，孔外用MS4-6導爆管雷管將MS8-30連接，排間連接用MS5-6導爆管雷管，單孔起爆，復式網(wǎng)絡（起爆網(wǎng)路見圖1）；覆蓋形式采用草墊-鋼絲網(wǎng)-沙袋的順序；（5）爆破施工結束后對此區(qū)域進行巖層抽芯檢驗，確定爆破效果；（6）爆破達到預期效果對炮孔進行注漿，確保盾構機掘進至此區(qū)域時上方松散土質不會對盾構機產生影響。

3 爆破計算

3.1 孔網(wǎng)參數(shù)計算

（1）5#機組取水隧洞地面鉆孔爆破預處理區(qū)域孔網(wǎng)參數(shù)：

WK0+170～WK0+312、WK0+955～WK1+048、WK1+218～WK1+234.702三個區(qū)域：

鉆孔排數(shù)bn=210排、每排鉆孔an=7個、孔徑d=90mm、鉆孔總數(shù)n=1470個、孔距a=1.0m、排距b=1.2m、超深h1=h2=h3=h5=h6=h7=0.7m、h4=1.0m。

孔深自邊孔向內分別為L1=23m、L2=24.00m、L3=24.5m、L4=25m、L5=24.5m、L6=24m、L7=23m

裝藥余高自邊孔向內分別為l1=18.7m、l2=17.6m、l3=17.1m、l4=17m、l5=17.1m、l6=17.6m、l7=18.7m。

（2）6#機組取水隧洞地面鉆孔爆破預處理區(qū)域孔網(wǎng)參數(shù)：

LK0+024～LK0+104、LK0+177～LK0+240、LK0+259～LK0+308、LK0+978～LK1+000、LK1+204～LK1+248.567五個區(qū)域：

鉆孔排數(shù)bn=215排、每排鉆孔an=7個、孔徑d=90mm、鉆孔總數(shù)n=1505個、孔距a=1.0m、排距b=1.2m、超深h1=h2=h3=h5=h6=h7=0.7m、h4=1.0m。

孔深自邊孔向內非別為L1=23m、L2=24.00m、L3=24.5m、L4=25m、L5=24.5m、L6=24m、L7=23m

裝藥余高自邊孔向內分別為l1=18.7m、l2=17.6m、l3=17.1m、l4=17m、l5=17.1m、l6=17.6m、l7=18.7m。

各參數(shù)詳情見圖2、圖3。

圖2 裝藥結構圖

圖3 布孔斷面參數(shù)圖

3.2 單耗計算

存在地下水的地下深孔爆破炸藥單耗計算公式：

q=q1+q2+q3+q4

式中，q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破的2倍，對水下垂直鉆孔，再增加10%（普通堅硬巖石的深孔爆破平均單耗為q1=0.5kg/m3，則水下鉆孔取1.0kg/m3，水下垂直鉆孔取1.1kg/m3）；q2為爆區(qū)上方水壓增量，q2=0.01h2，h2為水深，m；q3為爆區(qū)上覆蓋層厚度，q3=0.02h3，h3為覆蓋層厚度，m；q4為巖石膨脹增量，q4=0.03h；h為梯段高度，m。

該段工程取值為h=7m；h2平均取5m；h3取值17m。則

q=1.0+0.01*5+0.02*17+0.03*7=1.6kg/m3

3.3 爆破安全校核

（1）爆破安全距離

為了確保爆破施工安全，避免爆破對建筑物的損壞，尤其是對與爆破區(qū)域距離近的建筑物的影響，施工前必須進行爆破安全距離的計算，施工中嚴格按照方案設計的裝藥量進行裝藥，并按設計的安全距離設置警戒范圍。距離本工程最近的建（構）筑物為高壓鐵塔（基礎6.7m*6.7m）26.55m，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）規(guī)定，本工程針對鋼筋混凝土基礎取4.5cm/s控制。

V=K（Q1/3/R）a

式中：V-地震安全速度（cm/s）；Q-單段裝藥量（kg）；K-與地質條件有關系數(shù)；a-爆破衰減系數(shù)。

K、a屬于經(jīng)驗數(shù)值，暫按中硬巖石取值：K=150，a=1.5，在實際施工中，K、a取值也要通過爆破振動監(jiān)測用回歸方法進一步確定。根據(jù)上述數(shù)據(jù)和公式，計算本設計最大單段藥量為小于16.8kg，因此，爆破作業(yè)不會對周圍建筑物造成損壞。

（2）飛石對人員的安全距離，本工程在地下18m處進行爆破，不會產生飛石危害。

4 爆破效果檢驗

基巖處理后的爆破質量通過地質鉆機鉆孔取芯進行驗證，以抽取巖芯單向長度≤30cm為合格。隧洞縱向每5延米抽驗一孔，如抽驗區(qū)域不合格，則補孔進行二次爆破。

5 地層加固注漿施工

隧洞范圍硬巖采用地面鉆孔爆破預處理施工后，爆破振動會造成地層松散，在盾構機掘進過程中，因要摻加泡沫劑等潤滑劑和保壓需要，經(jīng)爆破擾動過地層極易出現(xiàn)泡沫劑等沿松散孔隙流失，造成污染和浪費；同時，松散地層無法保壓。為確保安全，在爆破預處理后，對隧洞周邊松散圍巖采用注漿方式充填加固，以提高盾構在掘進時周邊圍巖密實度和自穩(wěn)力。

注漿漿液選擇：選用水泥-水玻璃雙液漿加固地層。

注漿加固范圍：隧洞頂部以上3m及隧洞洞身范圍，隧洞中線左右開挖輪廓線外各1m。

6 結束語

紅沿河核電站取水隧洞硬巖段地面深孔爆破預處理施工是隧洞盾構掘進的一項關鍵工序。在地層軟硬不均或球狀風化層段采用此技術能夠較好地解決工期進度問題，使盾構機掘進順利進行，且有效地規(guī)避了盾構姿態(tài)失控的施工風險，并間接延長盾構機使用壽命。

從安全風險、工期和經(jīng)濟性考慮，在高強度軟硬不均地層且長距離的隧道中或孤石地層及大直徑卵礫石地層中，采用地面深孔爆破預處理技術是可行的，且具有顯著的安全、效率與經(jīng)濟優(yōu)勢。該方法可在后續(xù)同類工程施工中廣泛應用。

參考文獻

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