山西中部引黃工程08標段引水隧洞開挖重點難點工序分析

王 東

(運城市鹽湖區水務局，山西 運城 044000)

1 概況

山西中部引黃工程08標段引水隧洞工程位于山西省呂梁地區興縣境內，沿線高程最高為1605 m，相較于最低點高程(隧洞出口)差為628 m，隧洞總長的63.1%埋深在300 m以下。主洞起點里程總61+676.88，終點里程總77+040.90，全長15364.02 m，平面線形：除在總67+612.1處有一平曲線外，其余段均為直線；設計縱坡為1/3000，隧洞襯砌后的斷面為城門洞型4.0 m×5.0 m。

引水隧洞沿線共設5座施工支洞，編號為18#～22#，為提高工效，確保工期和質量，支洞開挖斷面統一為：4.69 m×4.12 m(寬×高)。各支洞的主要特性參數見表1。

表1 08標段支洞主要特性參數表

2 不良地質及特殊地質

(1)樁號61+676.88～66+114.0地段：洞身穿過的地層為奧陶系中統下馬家溝組上段及下段，巖溶地下水位位于隧洞底部，圍巖工程地質分類為V類，在地應力作用下，泥灰巖可能產生變形；

(2)樁號66+114.0～70+641.7地段：巖溶地下水位位于隧洞洞頂以上。隧洞位于巖溶地下水位以下且穿過蔚汾河，開挖時存在涌水或突水問題；

(4)樁號70+641.7～77+040.9地段：巖溶地下水位位于隧洞底部以下，可能存在層間水，泥灰巖洞段圍巖為軟～較軟巖，圍巖工程地質分類為V類，占該段長度的22%，隧洞開挖時有遇到溶洞的可能，局部洞段泥灰巖可能產生變形。

根據現場實際條件及圍巖狀況，隧洞圍巖以V類為主，本工程重點工序為鉆爆開挖，采用全斷面開挖，為了提高傳爆可靠性，爆破網絡采用復工爆破網絡，通過非電毫秒微雷管差爆破技術分層次引爆炸藥，最終形成隧洞開挖輪廓，實現光面爆破。

3 鉆爆開挖及控制

3.1 爆破設計

3.1.1 施工支洞爆破參數

(1)單位巖體炸藥消耗量計算：

以施工支洞V類圍巖開挖斷面R=2.51 m的類馬蹄形洞為例進行計算。

施工支洞V類圍巖開挖斷面積S=17.25 m2≤20 m2

巖體炸藥消耗量采用下式計算：

q=elx(0.31f3/4)/(sx1/3×dx1/2)

式中：q為巖石每平米耗藥量，kg/m3；f為普氏巖石堅固系數，f=8，根據施工規范，V類圍巖f=8～10；sx為相對斷面面積，sx=s/5=17.25÷5=3.45；s為平洞斷面面積，開挖斷面面積按17.25 m2計；dx藥卷相對直徑，dx=D/32=1；d為藥卷直徑32 mm；e為炸藥類型系數，e=1/2(360/ex+14/h)=1.28；ex為炸藥爆力，ex=220 cm3；h為炸藥猛度，h=10 mm；lx為炮孔深度對炸藥消耗量系數，l=3 m，lx=1.1。

經計算：q=1.63 kg/m3。

(2)斷面鉆孔數量

采用以下公式計算：

N=a1+a2S

式中：N為開挖斷面的鉆孔數量；a1、a2為巖體可爆程度確定的系數，a1=30.9，a2=1；S為平洞斷面面積，m2。

上述公式為譯波爾建議公式，實際施工使用小炮孔的2號炸藥，故系數a1偏小，應增加1～2倍方能使用，此處增加1.1倍。經計算：N=1.1×30.9+1×17.25=52個。

(3)爆破參數計算

①掏槽孔的炸藥用量計算：

qcut=1.25Q/N

式中：qcut為掏槽孔的炸藥用量，kg/孔；Q為一次開挖循環炸藥用量，Q=qV=1.63×17.25×2.5=70.29 kg。

經計算，qcut=1.25×70.29÷42=2.09 kg。

②周邊孔的平均炸藥用量計算：

qp=awlp(0.5～0.9)q

式中：qp為周邊孔的平均炸藥用量，kg；a為周邊孔的孔距，a=0.3 m～0.6 m；w為周邊孔的最小抵抗線，w=0.3 m～0.7 m；lp為周邊孔的孔深，m；q為單位耗藥量，kg/m3。

經計算，qp=0.5×0.6×2.5×(0.5～0.9)×1.63=0.61 kg～1.10 kg。

光面爆破效果的優劣主要取決于周邊眼，包括炮孔密集系數、間距、裝藥量等參數。為了取得優良的光面爆破效果，本工程在施工前進行了多次試驗，依據爆破后的圍巖情況總結爆破效果，將周邊眼爆破參數調整到最佳狀態。

③輔助孔的平均炸藥用量計算：

qn={Q-(qcutNcut+qpNp)}/[N-(Ncut+Np)]

式中：qn為輔助孔的平均炸藥用量，kg；Ncut為掏槽孔數；Np為周邊孔數。

qn={70.29-[2.09×4+(0.61～1.10)×30]}÷[52-(4+30)]

=1.61 kg～2.42 kg

(4)爆破參數的選用。

施工支洞最終選定的的爆破參數見表2，開挖炮眼布置見圖1。

表2 施工支洞全斷面開挖爆破參數表

圖1 施工支洞開挖炮眼布置圖

3.1.2 引水隧洞爆破參數設計

(1)單位巖體炸藥消耗量計算

以引水隧洞V類圍巖開挖斷面R=2.38 m的類馬蹄形洞為例計算。施工支洞V類圍巖開挖斷面積S=24.61 m2>20 m2，用戈斯帕揚公式計算單位巖體炸藥消耗量：

式中：S為隧洞斷面面積，S=24.61 m2；L1為平均鑿巖深度，L1=2.5 m；K1為炮孔裝藥量充填系數，K1=(0.32/0.4)2=0.64；η為炮孔利用率，η=1.0；K2為等效炸藥換算系數，K2=Q1/Q0，K2=1.35；Q0為標準炸藥的熱能值，1000 kcal/kg；Q1為炸藥釋放的爆熱，1350 kcal/kg；K3為巖體裂隙率的修正系數，見表3，K3=0.9；Fs為自由面數量，Fs=1.0；f為普氏巖石堅固系數，f=8。

表3 巖體裂隙修正系數

代入數據計算得：q=1.47 kg/m3。每循環炸藥量：Q=qLSη，計算得Q=90.44 kg。

(2)開挖斷面的鉆孔數量

N=a1+a2S

式中：N為開挖斷面的鉆孔數量；a1、a2為巖體可爆程度確定的系數，a1=30.9，a2=1；S為平洞斷面面積，m2。

由于是小斷面小炮孔爆破，a1增加1.4倍。故N=1.4×30.9+1×24.61=67個。

(3)爆破參數計算

計算過程同施工支洞。

qcut=2.02 kg/孔，qn=1.52 kg/孔～2.07 kg/孔，qp=0.55 kg/孔～0.99 kg/孔。

(4)爆破參數的選用。

引水隧洞全斷面開挖爆破參數見表3，炮眼布置見圖2。

表3 引水隧洞全斷面開挖爆破參數表

圖2 引水隧洞開挖炮眼布置圖

2.2 鉆爆施工控制

(1)放樣布孔

引水隧洞開挖斷面為4.0 m×5.0 m(寬×高)，5座施工支洞18#～22#開挖斷面統一為4.69 m×4.12 m(寬×高)，考慮施工誤差和預留變形量統一放大5 cm；專業測量技術人員在每一循環均以掌子面附近的控制樁作為參考點，采用全站儀準確測量出開挖面的中線、輪廓線和炮眼位置，并用紅油漆在掌子面明確標注；為了減少測量的工作量，并確保開挖輪廓線的精確度，在隧洞直線段直接將激光準直儀安裝在隧洞拱頂處。

(2)開孔鉆眼

隧洞開孔數量眾多，雖然都是水平孔但是想要通過逐個人工測量來控制孔眼精確度，人力、時間上都不可能跟上進度，故只能依靠鉆孔人員的經驗和現場感覺來保證鉆孔精度。因此為了確保周邊眼的精確度和較好的光爆效果，施工中，將挑選一班人中技術最好的幾位專打周邊眼；鉆眼完畢進行檢查并做好記錄，檢查合格后才能進行下一步的裝藥。

(3)清孔裝藥

光面爆破的第一要務就是要保證施工人員的安全，故裝藥前的清孔工作所用到的炮鉤，均在施工前由鋼筋彎制而成，此次清孔工作先用炮鉤伸入炮孔將石屑刮出，然后用高壓風吹凈。

參照設計好的炮眼布置圖，把計算好的裝藥量自上而下分片分組裝入雷管并用炮泥堵塞炮眼，炮泥由2/3砂和1/3黃土加水攪拌制成。工程施工中光面爆破孔孔口堵塞長度為25 cm，掏槽孔不裝藥部分全堵滿，其余掘進孔堵塞長度為抵抗線的90%。炮泥使用2/3砂和1/3黃土制作并使用水炮泥。

(4)聯接起爆網絡

光面爆破的孔眼都有一定的規律性，為了加快掘進速度和起爆的精確度，采用聯接起爆網絡，即將所有的起爆裝置連接成網絡一起爆破，保證爆破參數的一致性。每個孔眼均用兩個傳爆雷管，每根雷管的布置方式一致：一端與炸藥包連接，一端在孔口外插入塑料連接塊；以此類推，20個孔眼為一組形成一個導爆管單元，再用并聯的方式利用塑料連接塊連接其他導爆管單元，形成連接起爆網絡，可以有效控制所有孔眼起爆參數的一致性。

在工程初期開挖初期由于疏忽，個別孔眼導爆管連接未采用塑料連接塊導致爆破短路，故由于整個網絡都是采用的導爆雷管，為了保證爆破效果，避免爆破短路，導爆管的連結不能跨過塑料連接塊直接連結，連接好務必安排專人進行檢查。

(5)瞎炮的處理

瞎炮在爆破中時有發生，安全起見，要安排專人進行負責，首先要做的就是查明原因，若是孔外導爆管損壞引起的，切去損壞部分重新連接即可；若是短路引起的，則要檢查導爆管和連接模塊的連接處進行調整；若本身不能引爆，則掏出炮泥，然后用高壓風和水沖出炸藥，拿出雷管，重新布置即可。

3 引水隧洞開挖難點及控制

本工程有多處不良地質構造地帶，故在施工過程中根據設計資料，接近不良地質構造帶時，必須放慢施工速度和減短爆破進尺，采用水平地質鉆機進行超前鉆探，每15 m～30 m進行一次水平鉆機鉆探，以了解施工前方的地質情況，防止安全隱患的發生，施工中最大的難點是總干3#隧洞樁號59+398～63+590、75+510～93+163、98+584～118+144、128+700～137+785段施工產生中等巖爆(Ⅱ級)。為了減少該段圍巖應力平衡狀態的破壞，采用全斷面開挖一次成形，并及時在掌子面和洞壁經常噴撒水；用超前鉆孔應力解除法來釋放部分應力，巖爆連續發生段在施工后進行了適當的待避，在巖爆高峰期過后采用掛網錨噴支護法，噴15 cm厚的混凝土；錨桿采用Ф25，@1.2 m×1.2 m，L=3.0 m～3.5 m，梅花型布置方案，加墊板對圍巖進行了加固。

雖然施工過程中處理巖爆耽誤了一些工期，但是施工完成后運行至今，該段圍巖穩定性良好，未產生任何工程問題。

4 結語

山西中部引黃工程08標段2015年10月16日竣工運行至今，引水隧洞經過多次運行安全檢查，均符合運行安全標準，說明開挖階段光面爆破施工方法切實可行，對于重點、難點工序的處理方式有借鑒參考意義。