花崗巖質小斷面隧洞爆破參數優化研究

溫 賀,吳新紅,麥小章,朱士清,王平安

（1.中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長沙 410000；2.中南勘測設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410007）

0 引 言

隨著我國經濟建設的發展，斷面尺寸小于 15 m2的小斷面隧洞在各種引水工程、勘探工程、礦山開采、城市地下廊道等領域應用越發廣泛。小斷面隧洞施工中經常會遇到硬巖層，此類巖致密堅固而且完整，內聚力大、強度高、波阻抗高，爆破開挖過程中受圍巖夾制作用顯著[1]。而且當斷面尺寸小于10 m2時，受空間限制造成施工操作不便，爆破參數選擇受限。以上限制造成小斷面隧洞爆破炸藥單耗高、炮孔利用率低等問題。炸藥單耗不僅關乎施工成本，而且單耗越大排放的有毒有害氣體越多，當前環保理念深入人心，倡導綠色安全施工成為主流，所以降本增效、綠色爆破成為小斷面隧洞爆破開挖的研究重點。本文以梅州抽水蓄能電站自流排水洞工程實踐為例，為類似工程進行爆破設計并降低炸藥單耗提供設計參照。

該電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，自流排水洞所在地層主要為燕山三期中細粒黑云母花崗巖，洞室圍巖以III類為主，普式硬度系數f=16～20，屬極堅固巖石。構造形式主要為節理、小規模的閃長巖脈及斷層。自流排水洞斷面采用城門拱型斷面，斷面凈尺寸為 3.0 m×2.9 m(寬×高)，II/III類圍巖斷面面積S=8.11 m2。采用新奧法光面爆破技術進行施工。對比自流排水洞爆破試驗實況，逐步優化設計以達到滿足施工工期要求的爆破方案，力圖降低單耗，降本增效。

1 優化前爆破設計

根據理論計算及相關工程經驗，自流排水洞爆破施工基本參數選定如下：炮孔直徑Φ42，藥卷直徑Φ32；炮孔深度230 cm；周邊眼炮孔間距50 cm，其他孔位、孔距可現場調試。

經過理論計算及現場爆破試驗調試，爆破設計見圖1，圖1中炮孔及裝藥參數見表1。

圖1 II/III類圍巖菱形掏槽爆破設計

表1 炮孔及裝藥參數

上述爆破設計受地質圍巖情況影響，爆破后掌子面殘留炮孔殘孔較多，尤其是掏槽部位，掏槽孔不能完全爆出，殘孔長達40 cm左右，給下一循環作業造成麻煩。同時殘孔里面是否留有殘藥也是一個重大安全隱患點。從堆渣形態和石渣塊徑上觀察，石渣堆砌高度不及掌子面高度的 2/3，中間堆積高，兩側堆積矮，飛石最遠達30 m，石渣塊徑小，粉末較多。由此分析該爆破設計崩落孔線裝藥密度過大。基于爆破效果及原因分析，該爆破設計不能滿足長時間生產需求，需進行設計優化。

2 爆破設計優化試驗

鑒于上述爆破設計暴露出的不足之處，從增大掏槽部位補償空間，調整崩落孔線裝藥密度著手進行優化。

宗琦認為利用爆炸應力波在不同介質中傳播產生的反射拉伸作用，在大斷面巖石巷道掏槽孔中間鉆鑿一個大直徑空孔的措施可以提高掏槽效率[2]。為此在圖1爆破設計上對掏槽孔進行優化，同時調整崩落孔孔距和孔位，減小崩落孔線裝藥密度。制定出兩種試驗方案, 各進行8次試驗，取實際參數的平均值，爆破參數見表2。

圖2 II/III類圍巖花型掏槽爆破設計

表2 平均爆破參數

大孔掏槽試驗中，Φ100孔徑的掏槽空孔大大增大了沖擊波破碎巖石的補償空間（注：其他炮孔孔徑均為 Φ42），爆破效果穩定，平均每炮進尺達2.23 m，炸藥單耗為3.58 kg/m3，可實現一天兩個循環，進尺4.5 m左右，基本可滿足自流排水洞施工需求。但是該方案存在不足：受洞室尺寸影響，Φ100孔徑的掏槽孔需用ZQS-100D鉆機進行造孔，鉆機造孔期間鉆孔工無法同步作業，且粉塵較大，若洞室開挖里程較大時粉塵無法及時抽排出洞，對作業人員人身健康威脅較大，而且搬運鉆機設備費時費力。

花孔掏槽試驗圍繞抽芯孔布置6個小空孔（見圖2），在抽芯孔一段起爆后，破壞空孔，形成一個相當于Φ126孔徑的自由臨空面，大大增大了爆破補償空間。實踐證明，該爆破設計爆破效果穩定，平均進尺達到2.2 m，炸藥單耗穩定在3.52 kg/m3左右。炮孔孔徑均為Φ42，使用YT28氣腿鉆即可完成，節省施工空間且可滿足自流排水洞施工要求。

3 新技術應用試驗——水介質換能爆破

隨著自流排水的開挖，洞身越來越長，受洞徑影響，通風散煙越來越困難，散煙時間越來越長，影響到施工工期和作業人員健康。增加抽、排風機和考慮施工通風散煙都只是解決一時表象，不能從根本上解決爆破煙塵、有毒有害氣體超標等問題。秦健飛（2016）總結前人水壓爆破研究成果，優化施工工藝，創造性地提出水介質換能爆破技術[3]。該技術在降低炸藥單耗、爆破振動危害，減少爆破飛石和爆破煙塵等方面效果顯著。

圖2中爆破設計炮孔布置及雷管段別不變，對MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13 段雷管孔位的裝藥結構做如下調整：由炸藥+封堵調整為炸藥+水 袋+封堵。周邊孔裝藥結構不變，見圖3。

經過 10次爆破試驗，取爆破參數平均值，結果見表3。

圖3 水介質換能爆破裝藥結構與原設計對比

表3 設計爆破參數

水介質換能爆破對炮孔封堵要求很高，只有在密閉性好的空間內爆破瞬間方可實現水對炸藥能量的吸收與釋放，從而延長爆破時程，提高炸藥能量利用率，實現降低炸藥單耗、爆破振動危害和減少爆破飛石、爆破煙塵的目標。經過試驗調試，上述爆破設計達到較為穩定的爆破效果，總裝藥量穩定在56 kg左右，對底腳孔和掏槽孔適當增加了裝藥量，炸藥單耗穩定在3.20 kg/m3。最主要的是爆破煙塵大大降低，現場炮工反映相比以前刺鼻辣眼氣味小很多。

水介質換能爆破在降低施工成本和節能環保方面前景廣闊。但是目前仍存在一些制約因素，首先是爆破水袋制作工藝未做到自動化，制作水袋費工費時；其次是堵孔要求較高，炮泥制作要求較高；尤其是洞室開挖為連續循環作業，對爆破水袋、封堵炮泥需求量大，目前制水袋設備尚處于半試驗半生產狀態，生產效率有待提高。以當前爆破情況分析，該爆破設計單耗有所降低，但是制作水袋的人工成本增加，總體下來施工成本未見有效降低，但是該爆破技術應用前景廣泛，是綠色爆破的新選擇。

4 經濟適用性分析

工程施工不同于理論研究，施工選擇不只是考慮單純經濟性，而是綜合人、機、料、法、環做出的最優選擇。工程的性質與作用不同，做選擇的著重點就不同，所以工程施工要結合工程本身條件進行爆破工藝選擇。某電站自流排水洞為發電廠房排水隧洞，長達3.6 km，對工期需求較為迫切，故選擇側重點為可達到穩定爆破效果和定額時間進尺滿足工期要求，同時力圖經濟成本最優，節能減排。上述3種爆破設計對比情況見表4。

表4 爆破設計經濟指標統計表

經過以上分析，在目前情況下自流排水洞爆破最優方案為花孔掏槽爆破設計，若以后水介質換能爆破配套設備工藝完善后，可采用水介質換能爆破技術進行施工。

5 結 論

（1）小斷面隧洞施工受空間限制，設備選擇受限，孔位、孔深、孔徑、孔向等施工受限，且受圍巖夾制作用，加上花崗巖圍巖硬度、強度和完整性影響，開挖爆破施工難度較大，炸藥單耗高于理論值。

（2）掏槽部位增加空孔可增加補償空間和臨空自由面，提高爆破效率。如花孔掏槽爆破設計中抽芯孔裝藥輔助花孔留空時爆破效果好且穩定。

（3）隧洞施工爆破參數優化是一個動態的過程，必須基于各種圍巖條件施工過程的爆破試驗并對原有參數進行及時調整，才可獲得最佳經濟效益。

（4）工程實踐證明，水介質換能爆破在降低炸藥單耗、爆破振動危害，減少爆破飛石和爆破煙塵等方面效果顯著，應用前景可觀。