復雜環境下引水隧洞控制爆破與液壓劈裂破巖技術研究

康蘭方， 冀玉豪， 王 琳， 梁 斌， 張文博

(1.中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛陽 471000； 2.河南科技大學 土木工程學院， 河南 洛陽 471000)

城市面積與人口的增長造成水資源緊缺，為保障水資源合理調配，需要修筑水利工程。城市復雜環境下引水隧洞施工斷面較小，周邊建筑物及地鐵管線較多，爆破施工不可避免地產生施工擾動[1～3]。為解決這些問題，常采取控制爆破或非爆破方式進行開挖。

控制爆破方式在我國工程建設上應用廣泛，其施工方法及設計理論逐步趨于完善[4]。爆破法施工擾動的大小取決于爆破所產生的振動速度及頻率。通常采用技術手段對爆破進行控制，會取得良好的工程效果。在控制爆破方面，國內專家進行了大量研究。劉招偉等[5]以某城市地鐵區間雙線隧道工程為例，從爆破器材、掏槽形式、爆破片參數等多個方面進行了微振爆破工程的方案設計，解決了復雜條件下城市地鐵硬巖暗挖的開挖擾動問題。錢耀峰等[6]運用FLAC3D有限元軟件模擬了新建嶗山隧道爆破施工對既有仰口隧道的影響，提出了在斷層破碎帶采取超前支護、改變開挖方式等防止爆破振動產生危害的施工控制措施。姚忠文等[7]以貴陽環城快速鐵路工程為實例，研究了下穿公路隧道爆破施工過程中路面沉降與爆破荷載的相關性問題，提出了臨時交通管制、超前支護等避免路面沉降的控制措施。

在實際工程中，對于采取爆破控制措施后相關指標仍達不到國家規范要求的工程項目，需考慮采取非爆破開挖方式進行施工。液壓劈裂法作為一種非爆破開挖方法，具有低擾動、安全環保的特點。在實際工程中，常常將控制爆破與液壓劈裂兩種方法相結合使用，以達到嚴格控制振動速度的目的。阮清林[8]以渝利鐵路長洪嶺隧道出口下穿江池鎮段工程為實例，采用了控制爆破和劈裂法相結合的開挖方法，保障了隧道下穿淺埋密集民房區段的順利實施。董輝等[9]以長沙市瀏陽河隧道工程為依托，采用三臺階鉆爆法與機械銑挖法相結合的控制爆破方法，保障了下穿河堤與河床不穩定地段的隧道掘進施工安全。程月紅等[10]以索山公園地下空間開發工程項目為實例，針對工程施工中所遇到的巖石硬度大、工期短、施工噪音污染嚴重等問題，提出了靜態劑破碎法，保障了工程順利實施。

本文以中交二公局四公司所承建的深圳鐵崗-石巖水質保障工程石巖北清水隧洞工程為依托，針對復雜環境下引水隧洞的破巖掘進施工技術進行研究，在常規段采用控制爆破法進行施工，以解決耗材量大、振動速度大的技術難題，同時將液壓劈裂法應用于近接穿越段施工，以滿足近接穿越段施工的振動要求。

1 工程概況

深圳市鐵崗-石巖水庫水質保障工程石巖北清水隧洞位于石巖外環路北側，全長728.957 m，呈東西走向。隧洞暗洞起點位于石巖外環路與坑尾大道交叉口北側，樁號K1+045.538；隧洞暗洞出口位于龍潭古隧洞西口北側，樁號K1+774.495，隧洞與工作井通過頂管相連。清水隧洞施工分為常規控制爆破段與近接穿越液壓劈裂段，分段施工路線圖如圖1所示。

圖1 清水隧洞施工路線圖Fig. 1 Construction roadmap of clean water tunnel

根據地質勘察報告，該工程地面高程介于30～110 m之間，隧洞埋深8.8～90.6 m，場地地層從上到下有第四系人工堆積層(Q4s)、第四系沖洪積層(Q4al+pl)、第四系風化殘坡積層(Qel+dl)、白堊系燕山四期侵入巖(γβ3K1)。場地地層主要為淤泥、淤泥質土、粉質黏土，巖石巖性為粗中粒黑云母花崗巖，場地內地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。隧洞暗挖段穿越上軟下硬巖層或全硬巖層，洞身巖性主要為微風化花崗巖。各施工段巖層情況與力學參數如表1所示。

表1 各施工段巖層情況與力學參數

該工程隧洞南側與龍潭古隧道最小間距為26 m；隧洞在K1+635位置處上穿深圳市地鐵6號線，兩者結構凈間距4.7 m，隧洞兩側出口處存在眾多建筑物，隧洞出口處與建筑物的間距在10～22 m不等。該工程隧洞斷面小，機械施工限制較多，又需在規定時間內完成項目，對施工周邊環境有著特殊要求。鑒于上述情況，為滿足該引水隧洞工程自然因素、周邊特殊環境以及工期要求，采用控制爆破與液壓劈裂相結合的施工方案。

2 常規段控制爆破法施工

2.1 炸藥性能參數

乳化炸藥不僅具有良好的爆炸性能和抗水能力，而且組成成分簡單，原料來源廣泛，加工簡便，不含具有炸藥性能的敏化劑，生產成本較其他炸藥低，可廣泛應用于各個領域。

石巖北清水隧洞主要穿越巖層以花崗巖為主，節理裂隙發育，洞壁不穩定，易坍塌變形。在隧洞開挖施工中，邊開挖邊支護。巖石硬度系數變化區間較大，通過巖石單軸抗壓強度試驗，測得硬度系數F=7～15，隧洞開挖斷面B×H=2.5 m×3 m，鉆爆孔孔徑42 mm、孔深2～2.25 m。采用2#巖石乳化炸藥和電子雷管爆破，炸藥性能技術指標如表2所示。

表2 2#巖石乳化炸藥性能指標參數值

2.2 爆破需解決的難點問題

石巖北清水隧洞爆破施工中發現，由于地質原因，受到巖石夾制力影響，掏槽孔未能完全發揮作用，其殘孔長達50 cm，造成輔助孔及周邊孔、臨空面受限，爆破單循環進尺在1.3 m左右。為保證掏槽孔深度達到預期效果，需增加掏槽孔裝藥量，但周邊建筑物震動檢測超標。因此，需對爆破進行控制優化，減少爆破用藥量和降低振動速度，以達到預期的爆破效果。

2.3 爆破施工方案

2.3.1 施工工藝流程

控制爆破施工流程圖如圖2所示。

圖2 控制爆破施工流程圖Fig. 2 Flow chart of controlled blasting construction

2.3.2 施工參數

為保證爆破效果并降低振動，對爆破數據進行采集分析，在實施過程中根據圍巖變化、巖石硬度、巖石節理對掏槽形式、掏槽孔數量及分布模式、裝藥方式進行適當調整[11-12]。

2.3.2.1 孔距與抵抗線參數

(1) 最小抵抗線為最外圈輔助孔與周邊孔的孔距，其值由炮孔孔徑決定，按式(1)計算得出。

W=(10～20)×d

(1)

式中：W為最小抵抗線長度(mm)；d為炮孔孔徑(mm)。

(2) 得出最小抵抗線后，根據式(2)即可計算出周邊孔的間距。

E=K×W

(2)

式中：E為周邊孔間距(mm)；K為炮孔密集度系數，K值過小會形生超挖現象，過大則會形成欠挖，其值一般在0.8～1.0之間，當巖石硬度較大時取大值，巖石硬度較小時取小值[13]。

結合引水隧洞工程地質條件及特點，通過前期試驗性施工的效果和爆破數據分析，確定最小抵抗線長度W=50 cm，周邊孔間距E=40～50 cm。

2.3.2.2 掏槽孔與裝藥參數

由于巖石巨大夾制力，掏槽孔爆破效果并不明顯，需將掏槽方式由直掏槽改為水平楔形布置，并將炮孔布置進行優化。調整后的掏槽形式與炮眼布置如圖3所示。增設楔形淺直炮孔作為第一級爆破掏槽，因其裝藥量小，不會引起較大的振動，爆破后能改善下一級斜掏槽的臨空面條件。同時，結合電子數碼雷管進行微差延時錯峰爆破，可實現減振與高效雙收益。

(a) 炮孔布置正視圖

掏槽孔采用連續、耦合的裝藥結構，能夠充分發揮炸藥作用；周邊輔助孔采用不連續、不耦合的裝藥結構，既減少了炸藥量，又達到了剝離巖石的效果。各鉆孔布置參數以及裝藥量如表3所示。

表3 爆破孔參數設計

2.3.3 爆破工程減振措施

通過收集現場信息、觀察爆破效果，結合相關研究進行爆破減振[14-15]。

(1) 采用微差爆破。對于一個大的爆源，將其變成若干小爆源，在總裝藥量不變的情況下，爆破振動強度會大大降低，主振頻率相應提高，從而減少了爆破振動的破壞作用。因此，可采用電子數碼雷管進行分段微差爆破。

(2) 爆破前對臺階面和底部根坎進行清理。若巖石鉆孔受爆前存在大量壓渣，會使巖體約束加強，將有更多的振動能量傳入保存在巖體中。這樣雖然可以提高巖石破碎程度，但振動速度會增大，不利于保護物的安全，所以應避免壓渣爆破。

(3) 控制主振頻率。一般來說，保護物的自振頻率比較低，爆破引起的主振頻率與保護物主振頻率相近，容易引起共振，從而產生破壞。為此，需采取縮減單響最大起爆藥量和縮短延遲時間等方法，以增大主振頻率，提高安全性。

(4) 挖減震溝或預裂爆破。制造空氣間隔交界面，可以使得爆破振動的傳播大幅減小。同時，制造溝槽或預裂面，能夠有效削弱到達地表的瑞利波，這對減小保護物后側的振動速度有著明顯作用。

2.4 爆破振動檢測

針對施工中的爆破參數進行優化，并在采取相應的爆破工程減振措施后，爆破振動速度有了明顯減小。爆破現場監測數據顯示：廠房基礎振動速度為0.23～0.31 cm/s，門崗基礎振動速度為0.22～0.33 cm/s，爆破整體振動速度控制在2 cm/s以下，達到了預期的控制爆破效果與振動速度要求。

2.5 技術要點與注意事項

(1) 爆破前首先對巖石力學參數進行測試，了解巖石力學特性，合理安排施工，這樣能夠避免對周邊環境產生過大的影響，以及因管線爆裂、燃氣泄漏等導致次生災害的發生。

(2) 在隧洞頂部工作面劃出輪廓線，標出每個炮孔位置，由專人指揮進行鉆孔施工，以確保鉆孔要求符合技術要求。

(3) 鉆孔后不得立即進行裝藥，應等待孔壁溫度冷卻至安全溫度后再進行裝藥作業。裝藥前，必須用高壓風管輸入高壓風，將炮眼石屑刮出和吹凈。

(4) 乳化炸藥具有一定的危險性，接觸炸藥時，操作人員必須佩戴手套、眼罩等防護設備。鉆孔內裝藥時，操作人員必須保證拉穩藥包提繩，并配合送藥桿進行作業。裝藥后，應避免擠壓和沖擊，以確保人員安全。

(5) 采用準確可靠的復式網路進行起爆。起爆網絡聯結時，應避免導爆管打結和拉細，以保證各個炮眼、雷管連接次數相同。在引爆雷管前，用黑膠布將一簇導爆管在離自由端10 cm以上處包扎起來。起爆網路聯結完成后，安排專業人員進行檢查。

(6) 爆破后15 min進行盲炮檢查。若發現盲炮，應及時設立安全警戒線并報告技術人員，交由技術人員處理。

3 近接穿越段液壓劈裂法施工

3.1 近接施工安全分析

當隧洞采取控制爆破法施工至與其他管線交叉段時，爆破振動仍然會對周邊建筑物以及臨近管線產生一定的安全隱患。

目前，國內主要用《爆破安全規程》(GB 6722-2014)中質點振動速度的大小來表示爆破振動的強度[16]。可根據薩道夫斯基公式計算振動速度，再根據規范標準進行判斷。

(3)

式中：V為測點振動速度(cm/s)；K為場地系數；Q為最大單段炸藥量(kg)；R為測點與爆破位置的距離(m)；α為衰減系數。其中K、α的取值見表4。

表4 爆區不同巖性K、α值

由薩道夫斯基公式計算得到最不利情況下的振動速度峰值為36.83 cm/s，大于規范中關于水工隧洞振動速度的要求。可見，控制爆破法施工并不適用于近接穿越段，應采取液壓劈裂法代替控制爆破法進行施工。

3.2 液壓劈裂施工

在近接穿越段采用液壓劈裂法施工中，液壓巖石劈裂器劈裂力最大可達700 t，劈裂縫寬為25～30 mm，孔徑為40～55 mm。為方便劈裂鉆孔施工，可搭設臺架，將鉆取芯深度增大至2 m，巖心鉆孔取芯使用YT-28鉆機。鉆孔取芯后，對鉆孔中碎石灰塵進行清理，再將液壓劈裂器槍頭插入孔內，液壓劈裂器調整好后，由油泵輸出高壓油驅動油缸，產生的巨大推力施加于巖石孔壁，使得孔壁兩端產生拉應力，巖石發生劈裂破壞，劈裂裂紋擴展使得巖石被劃分為大塊巖石，從而達到劈裂破壞的目的。

3.3 鉆孔及臨空面布置

為省去臺架搭設，方便施工進行，劈裂法施工中采用上下臺階法開挖。上臺階開挖采用150 mm水磨鉆咬合鉆孔，開挖輪廓面，以防止巖石內部微小裂紋擴展至非開挖區域，上臺階掌子面中部預設兩個劈裂孔，增加臨空面，用以劈裂巖石塊。上臺階先行開挖一定距離后，下臺階未開挖部分可作為平臺使用，之后下臺階與上臺階開挖進度保持同步。下臺階開挖采用水磨鉆沿隧洞拱腰向下鉆取至底面，并在中線位置平行鉆開一條縫，為劈裂巖石提供臨空面，之后沿中線左右兩側對稱布置兩個劈裂孔，將下臺階巖石劈裂成塊后運送至指定位置。劈裂鉆孔布置如圖4所示。

圖4 液壓劈裂施工現場圖Fig. 4 Hydraulic splitting site construction

3.4 施工注意事項

(1) 將水磨鉆設備固定在臺架上，確定前端位置及掌子面中心點，將兩個水磨鉆機安裝就位，通過調整螺旋來保證兩個水磨鉆機長度一致。

(2) 當水磨鉆鉆取巖芯到達預定位置后，緩慢拉出水磨鉆，輕輕敲擊巖體，使其與母巖斷開，避免母巖破碎后坍塌。

(3) 利用水磨鉆在周邊輪廓線上以咬合鉆孔的形式鉆取巖芯，形成開挖臨空面。之后采用液壓劈裂機自內而外劈裂巖體，劈裂完成后由人工進行撬落。

(4) 劈裂過程大約30～60 s，劈裂完成后應及時使用風鎬、撬杠將碎石剝離，避免落石產生危險。劈裂后若產生較大巖石塊，可進行二次破碎，以方便搬運、清理。

(5) 施工過程中會不可避免地產生超挖、欠挖現象，后續可對開挖斷面進行修邊，將坑面或突出面進行平整化處理，使引水隧洞符合正常設計標準。

4 施工效果

4.1 爆破段施工效果評價

該工程在K1+048-580、K1+690-710、K1+740-773施工段采用控制爆破法施工，共計588 m。在工程實踐中，發現掏槽孔未發揮完全作用，殘孔長度過長，并且存在部分孔炸藥拒爆現象，炸藥單耗量也高達到4.5 kg/m3。后續通過調整掏槽形式、掏槽孔數量及分布模式、裝藥方式，最終在實際爆破工程中達到了理想的巖石剝離效果，炸藥單耗量降低至2.5～3.1 kg/m3，日掘進里程由原來的2.4 m提升至3.2 m。爆破后效果如圖5所示。

圖5 控制爆破法實施效果圖 Fig. 5 Effect diagram of controlled blasting method

4.2 近接穿越段施工效果評價

K1+580-690、K1+710-740施工段存在建筑物以及既有管線，采用控制爆破法施工仍會引起較大的振動。為了保障施工安全，采用液壓劈裂法代替控制爆破法進行施工。采用液壓劈裂法在K1+580-690、K1+710-740施工段共施工140 m，日掘進2.4～3.6 m，取得了較好的實施效果(如圖6所示)。

圖6 液壓劈裂法實施效果圖Fig. 6 Effect diagram of hydraulic splitting method

從工程實際應用情況來看，兩種破巖施工方法均取得了良好的效果。調整后的控制爆破法，減少了爆破耗材的用量，降低了爆破振動速度，達到了預期的巖石剝離效果。液壓劈裂法應用于近接穿越段隧洞施工中，隧洞圍巖幾乎不發生位移，施工過程相對靜止，不產生任何振動，對于周邊構筑物的保護表現出色，具有良好的工程應用前景。

5 結論

深圳市鐵崗-石巖水庫水質保障工程清水隧洞建設項目位置特殊，隧洞路線周邊環境復雜，涉及與既有隧道的近接穿越，施工條件苛刻。為保護既有隧道、周邊構筑物以及保障工期，采用控制爆破與液壓劈裂相結合的方法進行施工。

(1) 常規段施工采用控制爆破法。為減少爆破振動、優化爆破效果，對掏槽形式、掏槽孔數量及分布模式、裝藥方式進行調整。調整后掏槽孔作用充分發揮，炸藥單耗量大量減少，振動速度明顯降低，日掘進里程得到提升，達到了預期的爆破效果。

(2) 近接穿越段施工采用液壓劈裂法。利用液壓劈裂法在隧洞施工中不會產生振動的特點，能夠有效保障周邊構筑物的安全，使得開挖斷面得到精確控制，具有較快的破巖掘進速度。

(3) 復雜環境下引水隧洞施工中，針對不同施工工段要求，通過施工技術優化，解決了堅硬巖石破巖掘進速度慢、施工擾動大的技術難題。該項目的順利實施可以為后續類似引水隧洞施工提供借鑒。