特大斷面水工隧洞多臺階擴挖爆破技術

張彥軍

(中國水利水電第十二工程局有限公司,杭州 310000)

1 工程概況

臨海市大田平原排澇一期工程位于臨海市大洋、邵家渡街道境內,其中排澇隧洞全長2602.146m,襯后斷面為14.0m×14.0m(寬×高)城門洞型,排澇設計標準為20年一遇,是浙江省斷面最大的水工隧洞。本工程隧洞屬無壓隧洞,隧洞水位為6.07～5.83m,隧洞進口底高程為-2.5m,出口底高程為-3.5m,隧洞底縱坡i=0.038%,隧洞采用新奧法施工,采用二期支護方式,一期支護主要采用鋼拱架支護和錨噴支護,二期支護采用鋼筋混凝土襯砌。

本工程排澇隧洞斷面尺度大(隧洞開挖斷面為15.8m(寬)×15.4m(高) 城門洞型),地質情況復雜(其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖占34.6%,同時洞身分布著三條地質斷層帶),隧洞埋藏在地面以下,容易富集地下水,不利于隧洞開挖施工,采用多臺階擴挖爆破技術很好地解決了本工程隧洞的開挖難題,降低了洞挖安全風險,提高了隧洞工程的總體施工效率。

2 爆破技術的特點及施工工藝

2.1 爆破技術的主要特點

水工規范規定,水工隧洞斷面積>120m2、或跨度>12m為特大斷面水工隧洞,特大斷面水工隧洞多臺階擴挖爆破技術的主要特點如下:

1)將特大斷面的隧洞通過分區分塊,實現多臺階、多作業面組織平行施工,洞內各作業面的爆破作業、洞身支護和襯砌等工程能夠同時施工且互不影響,整體縮短了隧洞工程的施工工期。

2) 特大斷面隧洞采用多臺階擴挖爆破工藝降低了隧洞頂拱爆破開挖及一期支護的空間高度,減少了洞內一次爆破裝藥量,縮短了爆破循環時間,從而確保了隧洞爆破施工安全[1]。

3)特大斷面隧洞采用多臺階擴挖爆破工藝降低了施工難度,增加了施工作業面,提高了整個工程的人員和設備的利用率。

2.2 施工工藝流程

工藝流程:施工準備(施工人員、材料、設備到場)→爆破設計與試驗(多臺階爆破規劃)→爆破孔位放樣→爆破孔鉆孔→爆破孔孔位、孔深檢查→爆破區域清場→爆破孔裝藥→聯網→爆破前檢查→啟動爆破警戒→起爆→爆破后安全檢查→爆破后分析、評價→通風→出碴→下一循環。

3 爆破規劃設計

1)多臺階作業面水平距離規劃:隧洞內多臺階爆破作業面之間、隧洞爆破與支護襯砌等工序作業面之間的水平距離規劃設計,由爆破安全距離計算結果來確定,同時要綜合考慮交叉作業相互的影響。洞內各作業面之間的水平距離宜>300m,其中爆破與襯砌作業面之間的水平距離要重點考慮爆破震動對新澆混凝土的影響。

2)各臺階左右分區:依據隧洞斷面尺寸,跨度>12m的水工隧洞,左右分區宜>2部分,每區寬度宜>5m,便于修建出渣通道。

3)各臺階分層高度:綜合考慮隧洞的斷面尺寸和出渣通道的修建,結合施工設備的效率和性能,隧洞多臺階爆破擴挖臺階分層高度宜為3.0～5.0m。

4)隧洞多臺階開挖程序:先進行隧洞上層開挖,上層開挖采用全斷面爆破的方法,拱頂、邊墻采用光面爆破。隧洞下層各臺階開挖考慮運輸車輛出渣需求,各臺階左右分區寬度宜>5m,預留一區修建出渣通道作為上一層開挖面的出渣通道,其他區則進行爆破開挖,采用水平孔淺孔爆破,邊墻采用光面爆破。隧洞一期支護工序緊跟開挖面及時完成,二期襯砌待隧洞全斷面掘進300m后開始施工[2]。

4 爆破參數設計

4.1 隧洞上層洞爆破設計

隧洞上層洞開挖爆破設計:上層洞爆破為全斷面一次爆破成型,采用楔形掏槽爆破,周邊均采用光面爆破成型。開挖炮孔布置分為:掏槽孔、輔助孔、周邊孔及底板孔,其中掏槽孔采用傾斜孔,傾斜角度應遵循自中間向兩邊由75°漸變至90°,周邊光面爆破孔孔距宜≤50cm。鉆孔、裝藥可利用臺車進行。

爆破參數選擇(括號內為臨海市大田平原排澇隧洞上半洞爆破參數):

孔徑宜為42mm(42mm),孔深宜為2～5m(2.2～3.3m),鉆孔角度宜為75～90°(45～90°),孔距宜為0.5～1.5m(0.5～1.5m),掏槽孔(14個)、輔助孔(80個)、周邊孔(52個)、底板孔(15個)按照規范、爆破試驗和實際情況布置,爆破斷面面積宜<120m2(115m2),爆破循環進尺宜為2～5m(2m),單次爆破石方量宜<600m3(230m3),單孔裝藥量(0.6～1.4kg)、堵塞長度(1.2～1.9m)、最大單響藥量(26kg)、單次爆破總藥量(142.8kg)、炸藥單耗(0.62kg/m3)按照規范、爆破試驗和實際情況確定。

4.2 隧洞下層分臺階爆破設計

隧洞下層各臺階開挖爆破設計:每層的各個臺階均采用水平孔淺孔爆破,邊墻采用光面爆破。

爆破參數選擇(括號內為臨海市大田平原排澇隧洞中、下層臺階爆破參數):

孔徑宜為42mm(42mm),孔深宜為2～5m(4.8m),鉆孔角度宜為90°(90°),孔距宜為0.5～1.5m(0.5～1.8m),排距宜為0.5～1.5m(1.1～1.3m),第一排孔(4個)、第二排孔(4個)、第三排孔(5個)、周邊孔(6個)按照規范、爆破試驗和實際情況布置,爆破臺階高度宜為3～5m(3.35m),爆破循環進尺宜為2～5m(4.5m),單次爆破石方量宜<600m3(117m3),單孔裝藥量(0.6～2.6kg)、堵塞長度(2.2～4m)、最大單響藥量(10.4kg)、單次爆破總藥量(34.6kg)、炸藥單耗(0.3kg/m3)按照規范、爆破試驗和實際情況確定。

5 爆破試驗

爆破試驗為生產性試驗,一般選取在較有代表性的圍巖段進行試驗。爆破試驗依據爆破設計參數進行試驗,爆破試驗完成后,要對爆破現場進行勘察,根據爆后單塊石碴的體積大小來調整掏槽孔和輔助孔的間距和裝藥量,根據開挖輪廓線規則程度、巖面平整度及超欠挖情況、炮孔殘留率來調整周邊光面爆破孔的間距和裝藥量。

6 爆破安全距離計算

隧洞內多臺階擴挖爆破的各個爆破作業面的布置,可依據爆破安全距離計算結果和各個爆破作業面的施工情況來調整,同時各個爆破作業面的布置直接影響爆破參數的設計。

6.1 爆破震動安全距離計算

爆破震動安全計算,采用如下經驗公式計算。

地震速度:

(1)

式中:K為與地形、地質有關的系數;a為地震衰減系數;Q為同段起爆最大藥量;R為保護對象距離;V為允許震動安全速度。

隧洞內爆破與襯砌作業面之間的水平距離要重點考慮爆破震動對新澆混凝土的影響,隧洞多臺階擴挖爆破工法將特大斷面隧洞通過分區分塊進行爆破開挖,減少了洞內爆破單響裝藥量,有效降低了爆破震動對周邊環境的影響。在臨海市大田平原排澇一期工程隧洞施工標中,依據爆破規范規程、地質條件和施工經驗,K取200、a取1.5、Q取26kg、R取300m,計算結果V=0.20cm/s,<1.5 cm/s(新澆大體積混凝土的爆破震動安全允許標準最小值),因此爆破作業不會對300m外的二期襯砌新澆混凝土產生破壞影響。

6.2 爆破飛石安全距離計算

爆破施工中發生的安全事故,主要是由于爆炸引起的飛石導致的安全事故,確定爆破的安全距離就顯得特別的重要。確定洞內飛石的安全距離參考下列計算公式:

R=20n2WK

(2)

式中:W為最大一個藥包的最小抵抗線;n為爆破作用指數;R為個別飛散物飛散距離;K為安全系數。

6.3 爆破沖擊波安全距離計算

爆炸產生沖擊波按下式進行校驗:

(3)

式中:R為沖擊波安全距離;K為裝藥結構系數;Q為設計的一次總藥量。

7 施工方法

臨海市大田平原排澇隧洞采用多臺階擴挖爆破工藝施工,隧洞開挖前采用地質雷達探測設備做好地質超前預報工作,隧洞開挖過程中做好安全監測工作[3]。本工程隧洞分為五部分進行爆破開挖,施工順序為上半洞→中層左臺階→中層右臺階→下層左臺階→下層右臺階,隧洞一期支護緊跟爆破開挖面施工,二期襯砌在隧洞全斷面掘進300m后進行施工。本工程隧洞進出口均為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,洞口上半洞爆破開挖施工前須在長管棚超前支護和超前固結灌漿的保護下進行,洞身開挖時遇Ⅳ、Ⅴ類圍巖須在做好超前小導管和超前固結灌漿加固穩定圍巖的提前下進行上半洞爆破開挖。

1) 測量放樣:洞內測量采用紅外線激光全站儀測量,每一開挖循環首先在掌子面準確放出中心線和周邊輪廓線,然后按照爆破設計放出孔位,并用紅油漆進行準確標注。

2)布孔及鉆孔:由爆破工程技術人員和測量技術人員進行布孔,按照爆破設計參數,正確標注每個孔的孔深、傾角及方向。鉆孔前需平整鉆機施工平臺,確保鉆機施工時安全平穩,在進行鉆孔作業時,嚴格按照設計鉆孔孔深、角度、方向進行施工。本工程隧洞爆破開挖鉆孔采用手風鉆鉆孔,周邊光爆孔和中心掏槽孔的孔位偏差≤5cm,其他孔位偏差≤10cm,炮孔的孔底保持在爆破設計規定的平面上,嚴格控制超欠挖量。

3)裝藥:在裝藥之前需要對已經造好的孔進行質量檢查,主要包括孔的開口位置、深度等參數,合格后方可進行裝藥。裝藥前用風水聯合沖洗炮孔,周邊孔用小藥卷綁于毛竹片上,非連續裝藥,掏槽孔、輔助孔和周邊孔裝藥要密實,堵塞長度1.2-1.9m,堵塞用炮泥堵實。

4)起爆網絡聯接及爆破:爆破網路宜采用雙非電導爆管雷管孔內延時,孔外簇聯后用電力起爆,當起爆網路聯接完畢檢查無誤后,即可在規定爆破時間內對總網絡采用非電雷管激發起爆。

5)通風和排煙:洞內施工通風、排煙采用供排相結合的混合可逆式機械通風,根據施工人員、爆破散煙、最小風速、燃油機械幾種情況的風量估算,柴油機械需風量最大,通風量主要由洞內施工的柴油機機械所決定,經計算本工程選擇DK45(980轉/分)系列中2×55kW軸流風機,風機供風量為3480m3/min,滿足供風要求。在隧洞進、出口各布置一臺DK45系列中2×55KW軸流風機加直徑1.2m的金屬風管作為隧洞爆破開挖的通風排煙系統。為減少風壓損失和管內風速的要求,當隧洞進、出口掘進200m后,在距離進出口200m處,各布置一臺吸出式風機,選擇DK45系列中2×22kw軸流風機,吸風管直徑取0.85m的金屬風管。

6)安全處理:爆破通風散煙以后,爆破員進入爆破地點,檢查有無冒頂、危石、支護破壞和盲炮等現象,發現有以上現象應及時處理,當爆破員確認爆破地點安全后,指揮PC200反鏟裝有沖擊錘的設備機械進行爆破點進行安全撬挖,排除危石,為出碴及以后各工序創造安全條件。由于爆破作業使得巖石的應力釋放,巖壁局部出現松弛,可能會產生掉塊和新的危石,因此對已成型的頂拱和側墻,配備專職安檢人員經常檢查和安全檢測,確保施工安全。

7)出渣:上層開挖出渣設備配置2臺3m3裝載機,下層開挖出渣設備配置2臺PC400正鏟挖掘機,運輸用25t自卸車,有用料經進出口運至備料場。

8)清底、擴挖:在下一個工作循環之前,利用PC200反鏟對掌子面進行徹底清理,把危石處理干凈,并清除底部松渣及洞壁欠挖地帶,便于下一循環造孔。

9)爆破后分析、評價:爆破后對爆后效果進行分析評價,針對評價結果調整下一循環爆破參數,直到爆破效果達到理想狀態。

8 結 語

臨海市大田平原排澇一期工程中的排澇隧洞工程,工程工期緊,隧洞斷面大,圍巖成洞條件差,經過多次論證,最終采用特大斷面水工隧洞多臺階擴挖爆破技術進行隧洞開挖,隧洞爆破成型效果良好。隧洞分三層爆破開挖,先進行上半洞開挖,上半洞掘進一段距離后再進行中層開挖,最后開挖隧洞下層。每次爆破開挖方量控制在150～300m3左右,上半洞作業面循環進尺3m,兩天三循環,隧洞中層和下層作業面循環進尺4.5m,一天一循環,平均每天隧洞全斷面雙向掘進9m。隧洞總長2602m,洞挖石方57.56萬立方米,使用乳化炸藥275.98t,炸藥平均單耗0.48kg/m3,1、3、5段非電毫秒雷管9.31萬發,7、9段非電毫秒雷管3.64萬發,11、13、15段非電毫秒雷管6.69萬發,隧洞一期支護與爆破開挖零距離同步跟進,隧洞二期襯砌距隧洞下層爆破開挖面300m同步跟進,未發生質量安全事故,整個隧洞工程經濟效益明顯。特大斷面水工隧洞多臺階擴挖爆破技術在臨海市大田平原排澇一期工程隧洞中的應用取得了良好效果,有顯著的應用價值和經濟效益。