深孔梯段預裂爆破技術在大型地下水封洞庫施工中的應用探索

徐鴻剛 陳雨春 叢宇 王肖珊

1中鐵隧道集團一處有限公司 重慶 401123 2青島理工大學 山東 青島 266520

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，以石油及天然氣為主的能源需求量逐年攀升，能源安全有效存儲成為目前國家能源安全戰(zhàn)略的核心問題[1-3]。水封洞庫因其安全性高、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，已成為能源儲備首選手段[4-6]。袁青等[7]以某特大斷面地下液化石油氣儲庫為研究對象，對爆破鉆孔孔深、孔距、單位炸藥消耗量、炮孔數(shù)目等參數(shù)進行綜合選取，獲得了良好的分層開挖光面爆破效果。陳祥等[8]以某水封石油洞庫為研究對象，采用現(xiàn)場檢測與數(shù)值模擬相結合的方法，分析了爆破載荷作用下洞室圍巖動態(tài)響應及其衰減。本文以湛江某地下水封洞庫主洞室二、三層開挖施工為例，對深孔梯段預裂爆破施工技術在地下水封洞庫工程中的運用進行詳細介紹，以期待為類似工程項目提供借鑒。

1 工程概況

湛江某石油儲備地下水封石洞油庫工程由10條主洞室組成，洞壁與相鄰施工巷道洞壁之間凈距為40 m，相鄰主洞室之間凈距80 m。每條主洞室設計長度均為923 m，直墻圓拱截面，設計洞跨20 m，洞高30 m，底板高程-110.000 m，頂拱高程-80.000 m，屬于大跨徑洞庫。

主洞室范圍主要為微風化~未風化麻狀花崗巖，裂隙較發(fā)育~不發(fā)育，巖體完整，圍巖穩(wěn)定性好，主要以Ⅱ~Ⅲ圍巖為主。

2 方案選擇

主洞室二、三層空間大，有兩個臨空面，采用潛孔鉆梯段爆破開挖具有人員投入少、設備投入費用低、施工進度快、可以大大的縮短工期，降低成本，對施工成本及安全有利。頂層采用通常采用臺車開挖與人工開挖兩種方式，使用臺車開挖一般采用中導洞先行，周邊擴挖的方式，主要考慮臺車作業(yè)半徑及開挖輪廓平整度。二層采用深孔梯段預裂爆破，三層采用深孔梯段預裂爆破+底板預留1.5m保護層水平光面爆破相結合的開挖方案。

一次起爆長度為3個循環(huán)，合計起爆長度24 m，每循環(huán)進尺8 m。每條主洞室開挖分大小里程端兩個面開挖，實現(xiàn)鉆孔、爆破、出渣連續(xù)作業(yè)。主爆區(qū)爆破網(wǎng)絡采用孔內(nèi)、孔外延時，嚴格控制最大單響起爆藥量。主爆孔鉆孔采用垂直鉆孔，孔位布置采用梅花型布控，預裂孔外插角度3°。

圖1 主洞室梯段分層開挖示意圖

3 爆破參數(shù)設計

3.1 鉆孔孔徑確定

結合本工程地質(zhì)條件結合現(xiàn)場施工機械水平，主爆孔采用D7、CM351潛孔鉆機施工，預裂孔采用ZGYX410-B鉆機施工，水平孔采用人工風鉆鉆孔，成孔直徑為45 mm。

3.2 鉆孔深度

主洞室二層開挖高度10m，三層開挖高度8.5m，預留1.5 m保護層。采用液壓鉆機鉆孔時鉆孔底部粉塵難以吹出，孔底往往有0.5 m深的巖粉，為保證造孔深度達到設計孔深，二層在造孔時超鉆1.5 m，二層垂直孔孔深為11.5 m。三層因為預留有保護層，超鉆0.5 m，垂直孔深為9 m。為保證邊墻不存在欠挖，預裂孔外插角度取3°。

3.3 孔距和排距的確定

3.3.1 預裂孔

炮孔間距按經(jīng)驗公式a=(7～12)D 來確定。式中：a為炮孔間距；D為鉆孔直徑。當孔徑小時取大值，孔徑大時取小值，根據(jù)本項目設備配置，深孔預裂孔徑取D=76 mm，a當巖石均勻完整時取大值，巖石破碎時取小值，本方案取a=0.8 m。

3.3.2 主爆孔

孔距a是指同排相鄰兩個炮孔中心線之間的距離，排距b是指相鄰兩排炮孔中心線間的距離。兩者參數(shù)設置合理與否，對爆破效果均會產(chǎn)生影響。

炮孔密集系數(shù)m是指炮孔間距a與排距b的比值，即m=a/b；根據(jù)中硬巖體的爆破經(jīng)驗：保證最優(yōu)效果的孔網(wǎng)面積（a*b）是孔徑斷面積（π*d2/4）的函數(shù)，兩者比值之間是一個常數(shù)，其值為1300～1350。在臺階深孔預裂爆破中，炮孔密集系數(shù)m一般取m為0.8～1.4。最小抵抗線根據(jù)中深孔爆破經(jīng)驗公式，W=（25～30）d，取2 m，根據(jù)以上原則炮孔密集系數(shù)m取小值，可得到：

a*b=1300*(π*d2/4)

a=0.8b（m取0.8）

通過計算得：a=2.2 m，b=2.7 m。

3.3.3 緩沖孔

為了確保預裂帶的減震效果，減少主爆孔爆破對預裂面的破壞作用，在主爆孔和預裂孔之間設置緩沖孔，緩沖孔距離預裂孔1.2 m，間距1.6 m，孔深和主爆孔相同，取11.5 m。

圖2 主爆孔炮眼布置圖（單位：cm）

3.4 裝藥參數(shù)

⑴預裂孔裝藥參數(shù)

預裂孔沿洞庫邊墻布置，間距a=0.8 m，預裂孔深度11.5 m，一次起爆長度為3個循環(huán)，合計24 m。

預裂孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ32 mm*0.2 kg，長度為0.2 m，不耦合系數(shù)2.4。為克服底板夾制作用，在孔底設置加強藥包，采用2卷規(guī)格為Φ60 mm*1.2 kg的大藥卷。

①預裂孔線裝藥密度Qx

工程類比法（使用范圍壓R=20～200 MPa）

Qx=0.042[R壓]0.5a0.6

式中：Qx為除去堵塞長度后的預裂孔裝藥密度，g/m；

a為預裂孔孔距0.8 m，R壓為176.3 MPa。

帶入數(shù)據(jù)計算得：Qx=500 g/m

②單孔裝藥量

Q=0.5*12=6 kg，現(xiàn)場實際取6.4 kg。

⑵主爆孔裝藥參數(shù)

主爆孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格Φ60 mm*1.2 kg，長度30 cm，不耦合系數(shù)Dd=r孔/r藥=1.3。

主爆孔裝藥量：Q=qabH

式中單位炸藥消耗量q（單耗）在深孔爆破中一般根據(jù)巖石的堅硬性、炸藥種類、施工技術和自由面數(shù)量等因素綜合確定，普適公式：

q=1.1k0（f/S）0.5

式中：q為單位炸藥消耗量

k0為考慮炸藥保留的校正系數(shù)（其中：k0=525/p，p=320，p為爆炸力，mL）

S——洞室斷面面積，m2

f——巖石堅固性系數(shù)，取17

故q=1.1×1.64×（17/200）0.5=0.53kg/m3

經(jīng)計算得：Q=25.4kg現(xiàn)場實際取25.2kg。

(3)緩沖孔裝藥參數(shù)

緩沖孔間距為主爆孔最小抵抗線的50%～75%，本工程的緩沖間距取1.6m，單孔藥量為12.7kg

4 爆破振動控制

4.1 控制原則

主洞室爆破振動的影響由單段起爆藥量釋放的能量決定，一次爆破的允許裝藥量采用薩道夫斯基公式計算控制。

薩氏公式：V=K（Q1/3/R）α

由上式推導出：Q=R3(Vmax/K)3/α

式中：Vmax—最大允許振速（cm/s）。K、α—與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件、爆破等因素有關的參數(shù)；R—測點距爆區(qū)幾何中心距離（m）；Q—最大單段允許裝藥量（kg）。

由于庫區(qū)主要以花崗巖為主，所以選取硬質(zhì)巖，取K=50，a=1.3，R=60 m，V=2 cm/s，將計算值帶入公式中為：

Q=603(2/50)3/1.3

由此得出單段最大允許起爆藥量為128 kg。

4.2 爆破空氣沖擊波驗算

地下洞庫爆破時的沖擊波超壓可以采用波克洛夫斯基公式進行計算。

波式公式為：

式中：

P—空氣沖擊波陣面超壓，105Pa；

S—裝藥巷道的斷面積，m2；

Q—裸露爆破TNT炸藥當量；乳化炸藥與TNT當量的換算系數(shù)為0.708，洞庫潛孔爆破反向起爆堵孔時的炸藥轉化為沖擊波的轉換系數(shù)為0.05～0.07；即Q=0.708×0.06×一次爆破乳化炸藥總藥量；

R—距爆區(qū)幾何中心距離，m；

K—系數(shù)，K=0.67。

根據(jù)中國科技大學出版社2009年出版的《工程爆破安全》所述，爆破空氣沖擊波達到0.3×105 Pa時會造成人員的聽覺損傷。根據(jù)以上計算可知，地下洞庫爆破安全防護距離嚴禁小于200m，宜按照300 m控制。

4.3 實際爆破振動的驗證

①經(jīng)武漢理工大學土木工程與建筑學院組成監(jiān)測小組多次進行質(zhì)點振動速度等的監(jiān)測，爆破未造成洞室邊墻的危害，爆破質(zhì)點振動速度為0.1~1.7 cm/s，爆破振動速度滿足《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）中對于新澆大體積混凝土的最大振速為2.0 cm/s的要求，說明爆破各項參數(shù)選取較為合理。

共測試了7組。

5 工效分析

⑴臺車開挖：

爆破參數(shù)：孔數(shù)200；進尺：4 m；出渣方量：10 m×20 m×4 m=800 m3；

出渣車數(shù)：80車

①扒渣測量：1.2小時

②雙機并打：按5個臂同時作業(yè)，擺臂及鉆孔時間按每孔6分鐘，每臂240分鐘，需5小時；

③裝藥放炮:兩個平臺車+直梯，6人一組，每人34孔，每孔4分鐘，同時聯(lián)線、警戒，需3小時；

④通風排煙：40分鐘

⑤循環(huán)時間：16小時；

⑵潛孔鉆開挖：

①爆破參數(shù)：進尺：8 m；出渣方量：10 m×20 m×8 m=1600 m3；

②出渣車數(shù)：150車；

③拉槽打眼：36孔，每米10分鐘，每孔90分鐘，54小時1循環(huán)，安排3臺鉆機，18小時內(nèi)完成；2臺鉆機27小時內(nèi)完成；

④裝藥放炮:裝藥5小時；

⑤通風排煙：40分鐘

⑥循環(huán)時間：28小時；

由以上可以看出，臺車開挖8m所需時間32小時，潛孔鉆開挖8m所需時間28小時，若按照臺車4m/循環(huán)折算，每循環(huán)可節(jié)約2小時，工期相比而言，更為有保證。

6 經(jīng)濟分析

⑴臺車：臺車折舊使用費按10萬元/月/臺計算，5臺50萬元/月，二、三層共計開挖時間按10個月計算，共需要500萬元。

⑵潛孔鉆：ZGYX410-B型潛孔鉆機每臺新機費用26萬元，CM351型潛孔鉆機每臺新機費用20萬元，一個作業(yè)面按2臺ZGYX410-B，1臺CM351進行配置，四個共需要8臺ZGYX410-B型潛孔鉆，4臺CM351型潛孔鉆機。ZGYX410-B折舊使用費（3年）按0.72萬元/月/臺，CM351折舊使用費（3年）0.55萬元/月/臺，空壓機折舊費（8年）0.15萬元/月/臺計算，按開挖時間按10個月計算，所需費用為80.35萬元。

⑶從施工機械設備上節(jié)約200萬元左右。

7 結論與體會

⑴深孔梯段預裂爆破半孔率、平整度，爆破成型效果滿足設計及規(guī)范要求。

⑵深孔梯段預裂爆破方案可用于大型地下水封洞庫開挖，但需要嚴格控制鉆孔精度、最大單段起爆藥量、堵塞長度及裝藥結構。

⑶在開挖循環(huán)時間上，優(yōu)于臺車開挖，每循環(huán)節(jié)約2小時。臺車與潛孔鉆2種爆破方案從施工成本上而言，潛孔鉆比臺車開挖節(jié)約3.5元/m3，總體成本大概節(jié)約200萬元左右。

⑷通過分層裝藥，很好的解決了大塊率高的問題。底板采用水平光面爆破彌補了梯段爆破底板平整度差的問題。

⑸爆破過程中進行了振動監(jiān)測，從實測值來看，質(zhì)點振動速度低于規(guī)程2.0 cm/s及設計要求控制標準5~7 cm/s，符合設計及規(guī)范要求。

⑹在能夠滿足裝渣運輸?shù)臈l件下，可適當增加孔距及排距，少鉆孔可減少循環(huán)鉆孔時間，同時也降低火工品單耗。應繼續(xù)進行觀察和試驗，以達到效益最大化。