下穿高速公路輸水隧洞爆破設計

黃智剛

(福州水務平潭引水開發有限公司，福建 福州 350001)

隨著我國城市化的不斷推進，城市用水困難日益加劇。修建輸水隧洞將大型湖泊水源供給城市使用，是緩解城市用水困難的重要手段[1- 3]。輸水隧洞施工過程中下穿既有高速公路，對高速公路路基、路面產生較大危害。隧洞下穿高速公路施工風險主要包括兩方面：一是隧洞施工的爆破振動、地表沉降、圍巖失穩等對高速公路路基、路面的影響[4- 5]；二是既有高速公路車輛運行對隧洞施工的不利影響[6]。

本文針對平潭及閩江口水資源配置工程輸水隧洞施工下穿G15高速的施工問題，分析隧洞施工風險；考慮主要風險源，對下穿高速公路輸水隧洞爆破進行優化設計。

1 工程概況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程是一項跨區域的重大水利工程，屬于國務院推進建設的172項節水供水工程之一。工程第4標段(大樟溪—石溪輸水線路)由主洞和多條支洞組成，隧洞累計長度高達42078m。

輸水隧洞施工下穿G15高速公路，交叉位置路面高程約為49m，隧洞頂高程24.79m，隧洞頂板與路面高差為24.21m，高速與隧洞軸線夾角為83.4°。下穿段沿線地表為5～9.7m砂質黏土層，下伏全風化和強風化凝灰巖，下限為22.6m。隧洞處于中-微風化巖層，圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ級，穩定性較差。

2 施工風險分析

下穿高速公路輸水隧洞施工中，主要施工風險包括隧洞施工引起路面沉降、車輛運行誘發隧洞塌方和隧洞爆破振動有害效應等三個方面[7- 8]。

(1)隧洞施工引起路面沉降

隧洞開挖將導致地表下沉，對地面建(構)筑物產生不利影響。對于隧洞深埋小于3倍洞徑的淺埋隧洞，引起地表沉降較大。本工程中，下穿地段隧洞埋深為24.21m，根據計算下穿段隧洞屬于深埋段。深埋隧洞可以形成自然坍落拱，隧洞開挖地表影響極小，基本不會引起高速公路路面下沉。

(2)車輛運行誘發隧洞塌方

高速公路運行車輛會產生動載，動載經路面、巖體傳遞到隧洞頂板，造成隧洞頂板受力、震動，進而引起隧洞塌方[9]。隧洞塌方將直接影響施工人員安全，同時隧洞塌方有可能波及到地表，有可能造成道路路面塌陷，影響道路交通安全。因此在下穿過程中，需控制車輛運行中的動載，控制車速，將動載控制到最低程度。

(3)隧洞爆破振動有害效應

爆破產生的有害效應主要包括爆破振動、飛石和空氣沖擊波[10- 11]。爆破地震波通過巖體傳導到高速公路，引起路基和路面振動，其峰值振動速度可能超過限值，將對高速公路結構穩定性造成威脅。

根據上述分析可知，下穿高速公路輸水隧洞施工風險中爆破振動有害效應的影響最大，需要對爆破設計進行優化，減小爆破振動強度，確保下穿高速公路輸水隧洞施工安全。

3 下穿高速隧洞爆破設計

3.1 開挖方式

隧洞下穿高速公路位置圍巖為Ⅲ～Ⅳ級，圍巖穩定性較差。為有效降低爆破振動，避免隧洞塌方，下穿位置前后50m范圍內均采取臺階法爆破施工，上下臺階進尺均取1m。

3.2 炮眼設計

炮眼數量根據經驗公式確定[12- 13]，如下：

(1)

式中，N—炮眼數量；q—炸藥單耗，根據隧洞工程經驗及有關資料，巖石堅固性系數f=5～8時，隧洞掘進炸藥單耗為1.7kg/m3；s—隧洞掘進斷面積，19.35m2；r—每米炸藥質量，2#巖石炸藥為0.78kg；η—炮孔裝藥系數，取0.7。

計算得到的炮孔數量為59。考慮到臺階法開挖、光面爆破及中心空眼，隧洞炮孔數量確定為60個。掏槽眼采用平行空眼直線掏槽，各掏槽眼互相平行且呈對稱形式排列，炮孔間距0.2m，中間一個為空眼。輔助眼和光爆眼均勻布孔，輔助眼間距0.53～0.7m，光爆眼距輪廓線0.1～0.15m。炮眼布置如圖1—2所示。

圖1 上臺階炮眼布置圖

圖2 下臺階炮眼布置圖

3.3 鉆爆參數

(1)炮眼參數

爆破采用YT- 28型鑿巖機進行鉆眼，炮眼直徑d=38～42mm。由于上下臺階進尺控制在1m，掏槽眼增加超深0.3m，其他眼增加0.1m，因此掏槽眼深度為1.3m，其他炮眼深度為1.1m。

(2)爆破藥量

掏槽眼、輔助眼和底眼藥量計算[14]：

Q=(L×α)÷m×P

(2)

式中，Q—炮孔裝藥量，kg；L—炮孔深度，m；α—裝藥長度比例；m—藥卷長度，m；P—每卷炸藥重量，kg。計算得到掏槽眼、輔助眼和底眼的單孔裝藥量分別為1.04、0.77、0.825kg。

周邊眼藥量計算[15]：

Q=q線×L

(3)

式中，Q—裝藥量，kg；q—線裝藥密度，kg/m，本工程取0.12；L—炮眼深度，m。計算得到周邊眼的單孔裝藥量為0.132kg。

(3)微差起爆

采用毫秒微差非電雷管一次起爆方法，起爆順序為：掏槽眼-輔助眼-底眼-周邊眼，應選用1—11段毫秒雷管，相鄰炮孔的起爆時差應不大于100ms。各類炮眼的鉆爆參數見表1—2。

表1 上臺階鉆爆參數表

表2 下臺階鉆爆參數表

3.4 裝藥結構

掏槽眼、輔助眼、底眼采用耦合連續反向起爆裝藥結構。為了最大限度地降低爆破對圍巖損傷，周邊眼采取間隔不耦合裝藥。裝藥結構如圖3—4所示。

圖3 耦合連續反向起爆裝藥結構

圖4 間隔不耦合裝藥

4 爆破效果分析

隧洞爆破后對開挖質量進行了檢測，爆破巖面較為平整，殘留炮眼痕跡清晰，如圖5所示；平均超挖在15cm以內，殘孔率在85%以上。檢測結果表明本方案爆破設計參數合理，取得了較好的爆破效果。

圖5 拱部爆破效果

根據爆破安全規程[16]和施工方案，高速公路的安全振速為10m/s。在路面設置2個監測點，進行了6次爆破振動監測，結果如圖6所示。實測爆破峰值振速在3.04～5.41cm/s之間，遠小于安全振速值，說明隧洞爆破振動效應得到有效控制，對高速公路影響較小。

圖6 監測點峰值振速

5 結語

下穿高速公路輸水隧洞施工風險較大，易引起路基、路面沉降，威脅高速公路結構穩定。針對本項目實際工程特點，詳細分析了施工風險，提出了下穿高速公路輸水隧洞爆破優化設計方案。平均超挖控制在15cm以內，殘孔率在85%以上，路面爆破峰值振速遠小于安全值，隧洞安全完成下穿高速公路施工。可為輸水隧洞下穿高速公路施工提供參考。而對下穿高速公路隧洞支護設計和施工管控仍有待進一步研究。