隧洞鉆爆法開挖方案比選

魏雪林

(南昌縣棠墅港左堤河道堤防管理站，江西 南昌 330200)

1 工程概況

鄱湖灌區(qū)屬鄱陽湖水系，潼津河流域中上游，昌江右岸，距縣城約 40km，受益農(nóng)田分布在九—景高速公路兩側(cè)。灌區(qū)是一個(gè)以軍民、濱田兩座大(2)型水庫和大源河、北槎垅兩座中型水庫為骨干水源工程聯(lián)合進(jìn)行水量調(diào)配的大型灌區(qū)，主要由軍民、濱田、梅嶺、大源河四大灌片組成，設(shè)計(jì)灌溉面積2.34×104hm2。

四干渠為新建工程，除了補(bǔ)充大源河灌片部分高田的灌溉要求外，其主要任務(wù)是從大源河水庫引水至濱田水庫，緩解濱田水庫水量不足的問題，以提高濱田灌片灌溉保證率。本標(biāo)段工程起止樁號(hào)15+744.0-22+483.5，全長6.74km，其中20+952.6-21+326.0段為石坑垅隧洞，洞段長373.4m，縱坡比為1∶500。隧洞通過地段屬丘陵地貌，山頭較低,山頂高程87-95m。進(jìn)口山坡較平緩,坡角30°-35°，表部為殘坡積土層，自然邊坡穩(wěn)定，出口山坡較陡，坡角60°-65°，表部強(qiáng)風(fēng)化巖石出露，自然邊坡穩(wěn)定。

2 鉆爆方案設(shè)計(jì)

2.1 爆破參數(shù)

鄱陽湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目施工3標(biāo)隧洞開挖鉆爆施工炸藥消耗量及循環(huán)裝藥量采用格斯帕揚(yáng)經(jīng)驗(yàn)公式[1]進(jìn)行計(jì)算：

(1)

Q=L1×S×q

(2)

式中：q為炸藥耗用量，kg/m3；Q為循環(huán)裝藥量，kg；f為巖石堅(jiān)固系數(shù)；L1炮孔深，m；K1為炮孔填充系數(shù)；η為炮孔利用率，%；S為爆破開挖斷面面積，m2；K2為炸藥等效換算系數(shù)；K3為巖體裂隙修正系數(shù)；Fs為自由斷面系數(shù)。

炮孔數(shù)量及光面爆破周邊孔眼數(shù)分別按下式計(jì)算：

(3)

(4)

式中：N為炮孔個(gè)數(shù)，孔；N1為光面爆破周邊孔眼數(shù)，孔；r為炸藥質(zhì)量，kg/m；n為炮孔裝藥系數(shù)；L為洞室開挖輪廓線長，m；B為洞室底板長，m；E為光面爆破周邊孔間距，m。

爆破面積是影響掏槽孔眼個(gè)數(shù)及巖石堅(jiān)硬程度的主要因素，經(jīng)計(jì)算，鄱陽湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目施工3標(biāo)隧洞開挖掏槽孔眼數(shù)確定為4個(gè)，消耗炸藥量具體見表1。

表1 施工3標(biāo)隧洞開挖消耗炸藥量 kg/m3

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)

本隧洞工程掏槽眼和輔助眼均連續(xù)裝藥，為延長爆轟氣體的作用時(shí)間從而弱化爆轟波的沖擊強(qiáng)度，周邊眼應(yīng)按照徑向、環(huán)向不耦合裝藥，且其不耦合系數(shù)應(yīng)≥2.0，藥卷直徑應(yīng)至少為炸藥直徑臨界值，才能確保炸藥爆轟的穩(wěn)定性[2]。工程隧洞周邊孔孔徑4.5cm，故而選用3.2cm∶2.0cm尺寸的藥卷，模擬炮眼進(jìn)尺單次為2m，光面爆破連續(xù)裝藥，孔內(nèi)藥包均通過導(dǎo)爆索起爆。

3 鉆爆方案比較

3.1 方案一：臺(tái)階法爆破方案

該方案按照擴(kuò)挖三臺(tái)階法由上至下開挖施工，待各單元開挖后封閉成環(huán)，并根據(jù)前述所得爆破參數(shù)確定臺(tái)階法爆破施工炮孔布設(shè)及排列情況，詳見下圖。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ單位裝藥量均為0.25kg/m，循環(huán)裝藥量分別為33.491kg、26.463kg、26.463kg，周邊孔數(shù)量分別為40個(gè)、9個(gè)、10個(gè)，單孔用藥量均為0.23kg，輔助孔數(shù)量分別為63個(gè)、64個(gè)、64個(gè)，單孔裝藥量分別為0.37kg、0.38kg、0.38kg。

圖1 臺(tái)階法爆破方案炮孔布設(shè)圖

3.2 方案二：導(dǎo)坑法爆破方案

該方案按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的次序進(jìn)行隧道斷面依次開挖以及各個(gè)斷面開挖后的及時(shí)支護(hù)，并根據(jù)前述所得爆破參數(shù)確定導(dǎo)坑法爆破施工炮孔布設(shè)及排列情況，詳見下圖。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ工況下，單位裝藥量分別為0.28kg/m、0.28kg/m、0.28kg/m、0.27kg/m、0.27kg/m、0.26kg/m，循環(huán)藥量為10.92kg、11.20kg、11.20kg、13.21kg、13.20kg、26.00kg，周邊孔數(shù)量分別為25個(gè)、23個(gè)、18個(gè)、19個(gè)、19個(gè)、0個(gè)，工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ周邊孔單孔裝藥量均為0.25kg，工況Ⅵ周邊孔單孔裝藥量為0；各工況掏槽孔數(shù)量均為4個(gè)，單孔裝藥量均為0.6kg；各工況輔助孔數(shù)量分別為6個(gè)、10個(gè)、10個(gè)、18個(gè)、18個(gè)、50個(gè)，工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ輔助孔單孔裝藥量0.40kg，工況Ⅵ輔助孔單孔裝藥量0.45kg。

圖2 導(dǎo)坑法爆破方案炮孔布設(shè)圖

3.3 方案比選

考慮到本工程隧道開挖的特殊性，故進(jìn)行隧道破壞標(biāo)準(zhǔn)判斷時(shí)沿用《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)所規(guī)定的臨界振動(dòng)速度10-20cm/s，也就是臨近隧洞爆破施工所導(dǎo)致的既有隧洞在不同振頻下破壞的臨界振動(dòng)速度[3]。

方案一左洞的振速最大為0.15cm/s，滿足規(guī)程要求，但是左洞拱頂監(jiān)測點(diǎn)振速達(dá)到了29.47cm/s，超出規(guī)程要求的最大值。究其原因主要在于臺(tái)階法爆破方案下各部分巖體存在較大的開挖跨度，布藥量隨之增加，導(dǎo)致爆破過程中同時(shí)產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波重疊作用大大增強(qiáng)，淺振面切線向拉伸應(yīng)力明顯增大。應(yīng)力的增高導(dǎo)致周圍巖體振速加大，引發(fā)裂縫。

方案二左洞的振速最大為0.17cm/s，滿足規(guī)程規(guī)定，左洞振速最大值18.24cm/s位于拱底，而且從拱頂至拱底的各點(diǎn)振速逐漸增大。掘進(jìn)過程中邊開挖邊用鋼架加固支護(hù)，巖體振速得以有效控制，且對(duì)隧洞周圍巖體的破壞程度大大減輕。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，兩種爆破開挖方案在進(jìn)行右洞爆破掘進(jìn)開挖過程中，傳遞至左洞的振動(dòng)能量有所衰減，振速均比規(guī)程要求低，所以在右洞爆破掘進(jìn)施工的同時(shí)左洞交通可以正常開放。但是方案一右洞質(zhì)點(diǎn)振速大于方案二且超出規(guī)范要求的安全允許范圍，所以，綜合比選后選擇方案二導(dǎo)坑法爆破方案進(jìn)行右洞爆破開挖。

鄱陽湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目施工3標(biāo)隧洞開挖采用導(dǎo)坑法分部開挖成功實(shí)施爆破，且爆破開挖后巖體整體性良好，超欠挖量均符合規(guī)程要求，巖體表面并不存在肉眼可見裂縫，爆破開挖后的巖塊大小適中，便于搬運(yùn)。

4 結(jié) 論

對(duì)鄱陽湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目施工3標(biāo)隧洞鉆爆開挖方案設(shè)計(jì)及比價(jià)分析結(jié)果表明，方案一與方案二振速均能迅速達(dá)到峰值，右洞爆破振動(dòng)傳遞至左洞需要時(shí)間，所以左洞振速達(dá)到峰值比右洞滯后0.01s，隨后振速便呈波浪狀趨勢下降，并最終趨于零，所進(jìn)行的振速變動(dòng)趨勢模擬與施工實(shí)際相吻合。方案二模擬質(zhì)點(diǎn)振速符合從拱頂至拱底不斷增大的趨勢規(guī)律，且對(duì)隧道左洞的影響符合規(guī)程要求，最終選擇方案二導(dǎo)坑法鉆爆開挖。