引水隧洞全斷面光面爆破設計分析

摘 要：以某引水隧洞工程為例，在概述隧洞結構的基礎上提出隧洞爆破開挖方案，并對Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖進行了爆破設計分析。結果表明該引水隧洞所采用的全斷面光面爆破開挖技術通過優(yōu)化爆破參數(shù)和裝藥結構，使現(xiàn)場裝藥的可操作性大大提升，炮孔裝藥量計量更加準確，爆破對隧洞支護襯砌結構的不利擾動得到控制，爆破開挖質量較好。

關鍵詞：引水隧洞；全斷面；光面爆破；設計分析文章編號：2095-4085（2024）02-0147-03

0 引言

在隧洞全斷面光面爆破開挖中，控制超欠挖、光滑輪廓成形是最為理想的施工狀態(tài)［1］，為此，本文以某引水隧洞工程為背景，分析隧洞全斷面光面爆破的周邊孔、裝藥量、炮眼數(shù)以及裝藥結構等參數(shù)，制定科學的爆破設計方案，提高隧洞開挖質量。

1 隧洞概況

該工程隧洞272+593～281+700，長9.107km，其中：Ⅴ類圍巖洞段長1.091km，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸6.9m×6.82m（寬×高），拱墻初期支護采用間排距1.0m，L=3.0m，φ22砂漿錨桿、18cm C30噴混凝土、榀距1.0m，I14型鋼拱架、網(wǎng)格尺寸20cm×20cmφ8鋼筋網(wǎng)片聯(lián)合支護；Ⅳ類圍巖洞段長8.016km，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸6.74m×6.69m（寬×高），拱墻初期支護采用間排距1.2m，L=3.0m，φ22砂漿錨桿、15cm C30噴射混凝土、榀距1.2m，I14型鋼拱架、網(wǎng)格尺寸20cm×20cmφ8鋼筋網(wǎng)片聯(lián)合支護。Ⅴ類圍巖隧洞斷面設計參數(shù)（見圖1）。

2 爆破設計

該引水隧洞圍巖為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖，采用全斷面爆破法開挖施工。在進行開挖之前需要通過現(xiàn)場爆破試驗來優(yōu)化調整爆破參數(shù)，完善爆破設計，基于爆破設計對每一循環(huán)超挖或者欠挖進行嚴格控制［2］。對于局部欠挖區(qū)域通過小型挖掘機或者風鎬進行處理，對于大面積欠挖區(qū)域需要再次進行爆破作業(yè)。根據(jù)該引水隧洞現(xiàn)場圍巖具體情況科學合理確定進尺，對于圍巖較為破碎區(qū)域需要進行短進尺強支護，避免危險事故的發(fā)生，在必要情況下需要超前支護或免爆開挖，杜絕風險隱患［3］。

2.1 循環(huán)進尺確定

根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL378-2007）中第5.3.4條：“Ⅳ類圍巖循環(huán)進尺宜1.0～2.0m，Ⅴ類圍循環(huán)進尺宜為0.5～1.0m”，Ⅳ類圍巖循環(huán)進尺按2m計算，Ⅴ類圍巖循環(huán)進尺按1.0m計算，具體循環(huán)進尺根據(jù)實際地質情況而定，當遇到巖層破碎段再根據(jù)具體爆破情況進行調整循環(huán)進尺及布孔方式。

2.2 爆破參數(shù)選擇

光面爆破設計的主要參數(shù)是：孔徑φ，藥徑d，線裝藥密度q1，最小抵抗線V，孔間距E。

2.2.1 孔徑φ及炮眼深度

該引水隧洞施工采用YT28手風鉆作為鉆孔設備，結合施工經驗，初步確定掏槽孔、崩落孔、底孔、周邊孔孔徑均為φ45mm，然后基于不同圍巖類型來確定孔深。對于Ⅳ級圍巖來說，掏槽孔和底板孔深度確定為2.2m，周邊眼和輔助眼炮孔深度確定為2.1m；對于Ⅴ級圍巖來說，掏槽孔和底板孔深度確定為1.3m，周邊眼和輔助眼炮孔深度確定為1.1m。

2.2.2 藥卷直徑d

不偶合系數(shù)為炮眼直徑與藥卷直徑的比值，科學合理選擇不偶合系數(shù)有助于在爆炸之后，爆炸對炮眼壁的作用力小于圍巖抗壓強度。對于軟巖來說，不偶合系數(shù)在2.0～2.5區(qū)間范圍內可以得到最好的緩沖作用和最佳的爆破效果。該引水隧洞為軟巖情況，故選擇直徑為φ32mm的2號巖石乳化炸藥，通過計算可知不偶合系數(shù)為2.25，符合不偶合系數(shù)2.0～2.5的要求，故藥卷直徑合理。

2.2.3 爆破器材及裝藥結構

該引水隧洞選擇多段非電毫秒雷管，其中掏槽、掏槽輔助、輔助孔、底板孔以及周邊孔分別選擇1段非電毫秒雷管、3段非電毫秒雷管、5段非電毫秒雷管、7段非電毫秒雷管和9段非電毫秒雷管。選擇導爆索引爆進行光面爆破。在裝藥結構方面掏槽眼、輔助眼以及底眼均選擇耦合裝藥方式，周邊眼選擇不耦合裝藥方式，均選擇反向起爆。

2.2.4 周邊眼間距（E）、最小抵抗線（V）和相對距系數(shù)（K）

如果隧洞斷面跨度較大，在進行起爆時光爆眼所受到的夾制作用較弱，巖石容易崩落，這些可以適當增大抵抗線；如果隧洞斷面跨度較小，在進行起爆時光爆眼所受到的夾制作用較強，巖石不易崩落，這些可以適當減小抵抗線。此外最小抵抗線也會受到巖性以及地質構造的影響，對于硬度較大的巖石可以適當減小最小抵抗線，對于硬度相對較小的巖石可以適當增加最小抵抗線。該引水隧洞巖質以極軟巖為主，基于上述分析應該增加最小抵抗線，最終確定最小抵抗線0.40～0.60m。在爆破時相對距系數(shù)也是影響爆破效果的主要因素，其為周邊眼間距與最小抵抗線比值，相對距系數(shù)通常為0.5～0.8。對于該引水隧洞來說爆破區(qū)巖石節(jié)理整體較發(fā)育，基于周邊眼間距取值范圍30～50cm，Ⅴ級和Ⅳ級圍巖周邊眼間距分別為40cm和45cm。

2.2.5 隧洞裝藥量計算

通過計算光面爆破裝藥量，可以對周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度進行分析，為光面爆破提供依據(jù)。光面爆破裝藥量計算目前較為常用的方法主要為實驗法和類比法。炮眼裝藥集中度與單位體積耗藥量、周邊眼間距以及最小抵抗線均呈正比關系，即單位體積耗藥量、周邊眼間距以及最小抵抗線越大，炮眼裝藥集中度越高。該引水隧洞工程通過施工現(xiàn)場試驗，結合經驗參數(shù)，最終確定隧洞Ⅳ類圍巖的裝藥集中度為0.178kg/m；隧洞Ⅴ類圍巖的裝藥集中度為0.158kg/m。

2.2.6 隧洞炮眼數(shù)量

隧洞炮眼（裝藥炮眼）數(shù)量與單位炸藥消耗量和開挖段面積呈正比關系，與裝藥系數(shù)和每米藥卷的炸藥質量呈反比關系，其中單位炸藥消耗量通常為0.66kg/m3，裝藥系數(shù)通常為0.3。該引水隧洞開挖段面積為39m2，每米藥卷的炸藥質量為0.75kg/m，通過計算可以得到隧洞炮眼數(shù)量為0.66*39/（0.75*0.3）=114個。

2.2.7 隧洞每一循環(huán)裝藥量計算及分配

隧洞每一循環(huán)裝藥量Q為單位炸藥消耗量q與1個開挖循環(huán)進尺爆落巖石總體積V的乘積，其中Ⅳ類和Ⅴ類圍巖循環(huán)進尺分別取2m和1m進行計算。該引水隧洞爆破設計炮眼布置（見圖2）。

針對Ⅳ類和Ⅴ類圍巖分別計算各炮眼裝藥量分配系數(shù)η。對于Ⅳ類圍巖來說，試選值為0.3，周邊眼裝藥集中度q=0.178kg/m，通過計算可以得到周邊眼裝藥系數(shù)為0.36，設置掏槽眼、底眼和輔助眼分別為0.45、 0.45和0.28，計算得到相應的裝藥量分配系數(shù)為η=0.3。對于Ⅴ類圍巖來說，試選值為0.3，周邊眼裝藥集中度q=0.158kg/m，通過計算可以得到周邊眼裝藥系數(shù)為0.174，設置掏槽眼、底眼和輔助眼分別為0.55、 0.55和0.3，計算得到相應的裝藥量分配系數(shù)為η=0.3。如果計算得到的裝藥量分配系數(shù)不是0.3，需要掏槽眼、底眼以及輔助眼裝填系數(shù)進行適當調整，確保計算得到的η與試選值保持一致。

隧洞全斷面開挖每循環(huán)炸藥消耗（見表1、 表2）。

2.2.8 技術要求

（1）測量放線：控制測量采用徠卡TS09全站儀進行，高程采用徠卡350M電子水準儀進行。施工時要確保各項工作嚴格按照規(guī)范標準開展，確保隧洞貫通誤差符合施工設計要求。

（2）鉆孔作業(yè)：由熟練的鉆車技工嚴格按照設計鉆爆圖進行鉆孔作業(yè)。值班工程師檢查時確保每排炮要符合“平、直、齊”的要求，周邊孔應在輪廓線上開孔，孔位偏差需要控制在5cm以內，炮孔外偏斜率不應大于50mm/m，其它炮孔孔位的偏差不得大于10cm。

（3）采用不耦合裝藥方式：每隔150mm將藥卷捆在導爆索上，為了避免藥卷串發(fā)生彎曲，可將藥卷串捆扎在20～30mm的竹片上進行固定。

（4）通風散煙以及灑水除塵：通過強力軸流式通風機正壓通風來及時散煙，同時啟動噴水霧裝置進行除塵。

3 結語

綜上所述，在引水隧洞爆破開挖時需要科學編制設計爆破方案，對周邊孔間距、單孔裝藥量等參數(shù)進行優(yōu)化，針對該引水隧洞Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖分別采用科學合理的全斷面光面爆破開挖施工，實踐證明，該引水隧洞周邊成形良好，爆破對隧洞支護襯砌結構的不利擾動得到控制，超欠挖量與噴射混凝土用量顯著減少，保證了該引水隧洞開挖斷面施工質量。

參考文獻：

［1］趙楊.特長引水隧洞全斷面開挖施工技術［J］.河南水利與南水北調，2023，52（4）：50-52.

［2］陳雨灝.供水工程輸水隧洞全斷面光面爆破開挖方案分析［J］.河南水利與南水北調，2023，52（3）：47-48.

［3］石佳楠.全斷面光面爆破在復雜地質隧道施工中的應用［J］.浙江水利水電學院學報，2021，33（4）：45-48.