供水隧洞施工中光面爆破技術的應用

古志軍

（深圳市廣匯源水利建筑工程有限公司，廣東 深圳 518020）

1 工程概況

供水隧洞全長23.65 km，其中1#～5#隧洞為典型的城門洞型無壓隧洞類型，6#隧洞為直徑5.2 m的圓形有壓隧洞型式。供水隧洞穿越低山丘陵區及火山巖地層，包括頁巖和灰巖，地層構造穩定，風化程度較強，隧洞出入口第四系覆蓋土層厚度大，構造斷裂主要向東北、西北向延伸，并與隧洞軸線呈30°以上夾角，斷層破碎帶寬度不足2 m，節理裂隙和構造斷裂相同，且以陡傾角為主，較強風化巖體裂隙多為泥質充填，對隧洞穩定性存在潛在的不利影響。

2 光面爆破設計

2.1 爆破參數整體設計

根據本供水隧洞圍巖特性進行爆破參數的選取，并按照所確定的參數進行半孔率與炮眼輪廓平整度測量以及爆破實施效果的測定，依據所測定結果、圍巖力學強度、地質構造等確定供水隧洞圍巖光面爆破掏槽眼、輔助眼及周邊眼裝藥量、裝藥結構、孔深、孔距等爆破參數，見表1。最小抵抗線是光面爆破層周邊眼與相鄰輔助眼的距離，通常應不小于光面周邊眼間距[1]。

表1 光面爆破參數選取

2.2 光面爆破實施要點

2.2.1 炮孔個數

本供水隧洞工程光面爆破炮孔個數N按下式確定：

式中：S為設計開挖斷面面積，m2；F為隧洞圍巖堅硬系數。

根據式（1）可得，本工程光面爆破開挖掏槽眼10個，輔助眼13個，周邊眼26個。

2.2.2 炮眼間距

炮眼裝藥量確定，隨著孔距的增大，相鄰炮眼間連線的拉應力將小于隧洞圍巖抗拉強度極限值，從而出現炮眼輪廓不平整、欠挖等問題。而孔距的減小增加工程量的同時，還會引發相鄰控煙間圍巖的過度粉碎。為此，必須控制好炮眼間距及其與抵抗線的比例，根據結構面圍巖情況，參照同類工程光面爆破施工經驗確定好炮眼間距參數值，并根據圍巖性質適時調整。

2.2.3 炸藥類型及用量

硝銨低速膨化炸藥通過硝酸銨溶于水成為膨化硝酸銨后再按配比摻入燃料油、木粉制成，性能優良而穩定，材料本身安全性高。爆破間隙的控制有助于加強隧洞圍巖穩定性，通常情況下，隨著炸藥猛烈度的增加，爆炸沖擊圍巖引發裂隙越多，炸藥爆炸力和裝藥密度越大，爆炸氣體作用于隧洞圍巖后產生的裂隙越多。可見，光面爆破技術應用過程中，周邊眼盡可能選用猛烈度低、爆炸力低且裝藥密度小的爆破模式，但是這種處理又會降低起爆敏感度和爆裂的穩定性。為此必須在猛度、爆炸力、裝藥量和起爆敏感度、爆裂穩定性之間尋找最佳的均衡點，保證爆破效果。本供水隧洞工程圍巖光面爆破選用細藥卷間斷裝藥結構，以達到降低炮眼沖積和爆炸氣體對孔壁的壓力[2]。

炸藥用量按下式計算：

式中：q為每m3供水隧洞圍巖開挖所對應的炸藥用量，kg；S為圍巖斷面開挖面積，m2；f為圍巖堅固系數，是圍巖抗壓強度的1/10，通過查詢隧洞工程詳勘報告而得；k0為考慮到炸藥爆裂力的矯正系數，取k0=525/p，其中p為爆裂力，本工程選用硝銨低速膨化炸藥爆裂力p取320 mL。

各炮眼裝藥量Q計算如下：

式中：Y為單位長度炸藥重量，kg/m，掏槽眼、輔助眼、周邊眼分別取0.45 kg/m、0.36 kg/m和0.10 kg/m；L為炮眼深度，m；N為炸藥裝填系數，掏槽眼、輔助眼和周邊眼分別取0.8、0.7和0.75。

根據式（3）求得掏槽眼、輔助眼、周邊眼裝藥量分別為2.25 kg、9.75 kg和 1.50 kg。

周邊眼裝藥結構見圖1。

圖1 周邊眼裝藥結構示意圖

3 光面爆破施工及質量控制

3.1 布置炮孔

本供水隧洞工程光面爆破共布置炮孔49個，其中周邊孔25個，孔距40 cm，輔助孔13個，孔距80 cm，掏槽孔10個，孔距80 cm，爆破中心設置楔形掏槽，循環爆破過程中單次進尺1.5 m，炮孔的布置見圖2。周邊孔在光面爆破效果控制中作用十分關鍵，本工程先根據類似工程進行炮眼間距、抵抗線、裝藥量、起爆方式等參數設計與試驗，根據隧洞圍巖爆破試驗效果以及所確定的殘孔率及輪廓平整性進行爆破參數的調整，以實現最佳的爆破效果。本工程最終爆破參數設計取值見表1。

圖2 炮眼布設示意圖

3.2 爆破次序與起爆間隔

在周邊眼并未同時起爆的炮眼單獨作用情況下，很容易出現爆破漏斗，影響炮眼輪廓平整度，加劇切割面的不平整性，為確保隧洞圍巖光面爆破技術實施效果，必須選擇導爆索和瞬時電雷管，保證周邊眼同時起爆[3]。

本供水隧洞采用導爆索和瞬時電雷管一次性起爆，爆破次序為：掏槽眼→輔助眼→周邊眼，單位起爆過程中起爆炮孔數和藥量必須合理配置，不宜過多，掏槽眼、輔助眼和周邊眼起爆次序安排見表2。

表2 炮眼的起爆次序

周邊孔起爆時間應滯后于鄰近孔至少150 ms，掏槽孔起爆時間間隔為50 ms，掏槽孔下方的輔助孔比掏槽孔起爆時間滯后80 ms，上中下方輔助孔依次起爆的時間間隔為50 ms、50 ms和80 ms。周邊孔比輔助孔起爆時間應滯后120 ms，且周邊孔之間起爆時間間隔為150 ms。

3.3 隧洞內排氣通風

本工程隧洞開挖按支洞分段進行，隧洞洞線大，單頭掘進長，故隧洞內的通風排氣是光面爆破施工重點之一，為加強排氣通風，待單頭掘進至950 m時在隧洞內布設直徑300 mm的排氣管和軸流通風機進行雙管排氣，為達到上管排風、下管進風的目的，應將上下通風管間距設置為60 cm，且于通風管中部加設一臺吸出通風機，通過隧洞內外空氣的對流加快工作面排氣通風。

3.4 不斷優化爆破設計

按照隧洞爆破設計實施爆破后必須進行階段性效果檢查，如超挖欠挖是否符合規范；周邊眼鉆爆輪廓是否平順，進尺是否達標等，對檢查結果進行分析，如未達到設計規范，必須調整相應設計參數，確保爆破施工效果。

4 結語

本供水隧洞光面爆破技術的應用保證了爆炸能量沿炮眼均勻布設，使得爆炸結束后隧道輪廓線平整圓滑，在周邊炮眼內充填硝銨低爆速膨化炸藥，有效減輕爆炸氣體及動力對圍巖的沖擊破壞作用，隧洞頂拱處孔痕率達90%，明顯超挖欠挖現象并未出現，完全符合工程隧洞光面爆破設計規范。同時，導爆索和瞬時電雷管及硝銨低速膨化炸藥的恰當應用大大減少了工程超挖與襯砌工程量，使施工進度提前，有效節省造價，經濟效益顯著。