燕山水庫輸水洞爆破開挖設(shè)計與施工

□朱建軍 □杜鄖隆 □朱順強

（河南省水利第二工程局）

一、工程概況

燕山水庫位于河南省葉縣南部，是淮河上游支流澧河上游的一座新建大型水庫，庫容9.25億m3。它以防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、城市供水、旅游等。發(fā)電站位于大壩右側(cè)的小燕山處，由引水渠、進水塔、輸水洞、調(diào)壓室、發(fā)電廠房等設(shè)施組成。電站總裝機容量3×630kW，輸水洞全長343m，為圓型有壓隧洞；開挖洞徑D=4.30m，內(nèi)襯C20鋼筋混凝土，厚40cm；輸水洞進口為方變圓結(jié)構(gòu)類型，出口為圓型，與壓力鋼管相接，輸水洞下游263m處與調(diào)壓室豎井相交。輸水洞地質(zhì)為Ⅱ－Ⅲ類圍巖；大多數(shù)的地段地質(zhì)結(jié)構(gòu)為弱風化安山巖，其抗壓強度為83.9MPa，結(jié)構(gòu)不太完整。其余地段間隔出現(xiàn)石英砂巖夾頁巖互層，其結(jié)構(gòu)較為松散，隧洞中還分布有3條斷層帶及2處地質(zhì)弱面，這些將給施工帶來不利影響。

二、方案設(shè)計

根據(jù)輸水洞的圓型洞身及進口方變圓較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯鋼筋混凝土的有壓洞對圍巖嚴格的設(shè)計要求，隧洞斷面尺寸較小，以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜工期緊等特點，進行施工方案比較分析，最后確定采用以下方案設(shè)計：為加快施工進度，采用進出口兩頭同時施工掘進。利用手風鉆鉆孔，采用下部先爆法全斷面開挖；開挖時采用大分段延期引爆，先爆下半部形成較好較大的第二自由面，然后壓頂，后爆上半部，以減小對拱頂?shù)谋朴绊憽?/p>

掏槽孔布置在工作面下半部，以利于先爆下半部的要求，采用楔形掏槽孔掏槽，周邊孔采用光面爆破技術(shù)施工，減少對圍巖的爆破破壞，提高巖壁的平整度。進出口均采用短進尺、小藥量、多爆破、強支護的方法掘進，分三次爆破，防止對巖體的破壞，起爆前在洞口先打上鎖口錨桿，加噴混凝土、鎖口支護，或采用鋼支撐加噴混凝土進行強支護，確保在洞口形成一個較好的輪廓。斷層帶及地質(zhì)弱面地帶均采用短進尺、小藥量、多爆破、強支護的方法掘進，采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護，必要時還采用鋼支撐配噴混凝土進行支護。主洞施工時，掘進距工作面30～50m時，進行噴混凝土支護，對個別危險點進行錨桿支護錨固。采用輪式30裝載機直接進入工作面裝碴，倒退行駛出洞進行出碴，充分利用機械提高出碴效率，采用非電毫秒延期起爆系統(tǒng)起爆。采用全站儀測量放線，每間隔1～2個循環(huán)放線一次，及時糾偏，達到一定的掘進深度后，采用直徑50軸流式風機供風，排煙換氣。貫通前30m兩頭施工要在爆破時通知對方，避免出現(xiàn)事故。

三、鉆爆參數(shù)設(shè)計

（一）孔徑與藥徑

由于隧洞斷面較小，受機械設(shè)備的限制，選用YT28型氣腿式風鉆機鉆孔，鉆孔直徑d＝40mm。炸藥采用2＃巖石乳化炸藥和2＃巖石抗水銨銻炸藥，藥卷直徑Φ＝32mm，周邊光爆孔炸藥采用小直徑2＃巖石乳化炸藥，藥卷直徑Φ＝25mm。

（二）炮孔布置與炮孔數(shù)量

炮孔分為掏槽孔、輔助擴大孔、周邊孔、底孔等。N＝qs/rη=40孔左右。

式中：q為炸藥單耗值，取1.60kg/m3;s為開挖斷面面積14.52m2；r為裝藥密度，取0.78；η為炮孔裝藥系數(shù)，取平均值0.75。

（三）炮孔間距與裝藥量

1.掏槽孔間距。由于輸水洞只有一個自由面，爆破條件差，為創(chuàng)造第二個自由面，在工作面中下部布置傾斜楔形掏槽孔，爆破時首先起爆，拋出石碴，在工作面中形成一個槽口，即開創(chuàng)第二個自由面，為其余炮孔爆破創(chuàng)造有利條件。掏槽孔呈水平對稱布置共3排，掏槽孔與工作面的夾角：θc=670左右，同排兩掏槽孔孔底間距：acd=0.15m，上下相鄰兩排炮孔間距：bc=0.35m；每循環(huán)進尺鉆孔深度：L=2.0m，掏槽孔加深孔深：Lcs=0.2m，掏槽孔孔深:Lc=L+Lcs=2+0.20=2.20m；掏槽孔孔長度 ：Lcc=Ls/sinθc=2.20/sin670=2.39m；同排兩掏槽孔孔口間距：ack=2× cosθc+acd=2m。

2.輔助擴大孔間距。輔助擴大孔是為了進一步擴大掏槽孔的體積而布置的炮孔，即二圈孔，炮孔的角度垂直于工作面。輔助擴大孔的間距：af=14d=14×0.04=56cm。

3.崩落孔。當輔助擴大孔進一步擴大掏槽體積后，形成了較好的第二自由面，這時爆破即可按正常的崩落法爆破巖體，崩落孔間距ad=18d=18×0.04=70cm。

4.底孔間距為避免欠挖，清除底坎，增加底孔的裝藥量，按Φ32藥管連續(xù)裝藥，底孔間距ad=14d=14×0.04=56cm。

5.周邊孔是采用光面爆破技術(shù)施工，在兩邊及拱頂進行爆破，可以提高拱頂?shù)钠秸?，保護圍巖少受爆破破壞影響。周邊孔光爆孔間距az=14d=14×0.04=56cm，光面爆破的最小抵抗線wz=20d=20×0.04=80cm。

6.炮孔深度，除掏槽孔孔深加深外，其余的輔助孔、周邊不爆孔、底孔、崩落孔的孔深均為Lb=0.5D=0.×4.3=2.0m。

7.炸藥單耗值q，參考巖石特性、斷面尺寸、炮孔直徑、孔深等因素和試爆后調(diào)整優(yōu)化后確定炸藥單耗值q=1.6kg/m3,光爆孔線裝藥密度rg=0.5kg/m。

8.裝藥系數(shù)。它是裝藥深度與炮孔之比。根據(jù)巖石性質(zhì)堅硬程度選定：掏槽孔裝藥系數(shù)：ηc=0.8，輔助孔裝藥系數(shù)：ηf=0.7，崩落孔裝藥系數(shù)：ηb=0.7，周邊底孔裝藥系數(shù)：ηd=0.75，光爆孔裝藥系數(shù)：ηg=0.75。

9.線裝藥密度與偶合系數(shù)。掏槽孔、輔助孔、崩落孔、底孔均采用抗水2＃巖石銨銻炸藥，藥卷直徑Φ1＝32mm，光爆孔采用線裝藥密度γp=0.78kg/m，周邊光爆孔采用藥卷直徑Φ2＝25mm，周邊光爆孔線裝藥密度γg=0.5kg/m，周邊光爆孔不偶合系數(shù)βg=D/Φ2=1.6。

10.單孔裝藥量。掏槽單孔裝藥量：Qc=ηcLccrp=0.8×2.39× 0.78=1.50kg/孔，輔助孔單孔裝藥量：Qf=ηfLrp=1.10kg/孔。崩落孔單孔裝藥量：Qb=ηbLrp=1.10kg/孔，底孔單孔裝藥量：Qd=ηdLrp=1.21kg/孔，周邊底孔單孔裝藥量：Qg=ηgLrg=0.75kg/孔。

11.堵塞長度按L（炮孔長度）－ηL（裝藥長度）計算：掏槽單孔堵塞長度：Lcd=L-ηcLcc=0.40m，輔助孔單孔堵塞長度：Lfd=LηfL=0.60m，崩落孔單孔堵塞長度：Lbd=L-ηbL=0.6m，底孔單孔堵塞長度：Ldd=L-ηdL=0.5m。

12.總裝藥量。6個掏槽孔總裝藥量：Qcz=6Qc=9kg，7個輔助孔總裝藥量：Qfz=7Qf=7.7kg，7個崩落孔總裝藥量：Qbz=7Qb=7.7kg，9個底孔總裝藥量：Qdz=9Qd=10.8kg，15個光爆孔總裝藥量：Qgz=15Qg= 11.25kg，每一循環(huán)總裝藥量：Q總=Qcz+Qfz+Qbz+Qdz+Qgz=46.45kg。

四、施工技術(shù)

（一）施工程序

隧洞開挖時，各工種施工依次順序相接完成工作任務(wù)，構(gòu)成一個工作循環(huán)，隧洞開挖是由多個具有同樣工作內(nèi)容組成的工作循環(huán)而重復(fù)完成的，每個工作循環(huán)包括的施工程序歸納為：測量放線、鉆孔裝藥、爆破、排煙、排險、出碴、支護。

（二）測量放樣

因輸水洞需外襯混凝土，邊線的精度要求較高，且洞身為圓型曲線，鉆孔時不好找到參照物，很難憑眼力確定邊線的位置；因此進尺1～2個循環(huán)就需要測量（用全站儀或經(jīng)緯儀）放線布孔，避免出現(xiàn)大的誤差。測量放線時可以定出圓心點，放出水平、垂直兩條中線，然后在圓洞周邊上分段放出邊線點位，確保邊線幾何尺寸的精度，最后布出全部炮孔的位置。

（三）鉆孔

鉆孔時應(yīng)按布孔點正確鉆孔，孔口誤差應(yīng)＜±5cm，鉆孔傾角要小于鉆孔長度的3%，掏槽孔鉆孔角度誤差應(yīng)＜2%，鉆進時應(yīng)用角度尺隨時檢查角度誤差，保證掏槽孔孔底距離，兩孔不能打穿孔。周邊光爆孔開口位置因鉆機的體積原因可以向內(nèi)收縮15cm左右，即向圓心收縮15cm鉆孔開口。鉆孔傾角的控制為堅硬巖石略向外傾斜，但孔底偏斜不能超過邊線以外5cm，軟巖可以直接鉆垂直孔。所有鉆孔均應(yīng)保證孔深度，除掏槽孔外，其余的孔均應(yīng)落在同一平面上，以保證爆破后下一個工作面的平整度。

（四）裝藥爆破

裝藥前要對炮孔進行檢查、清理，發(fā)現(xiàn)漏鉆或誤差較大的炮孔應(yīng)及時補鉆，清理炮孔時應(yīng)用風管插入炮孔內(nèi)用高壓氣體吹凈孔內(nèi)殘碴和水。裝藥時，要先上部后下部，先掏心后周邊，按段別依次裝藥，安裝雷管時應(yīng)輕拿輕放，按設(shè)計孔位及段號正確安裝，同時應(yīng)注意雷管腳線平順不能折疊纏繞。裝藥時要使用木棍、竹棍或塑料棍作為炮棍，不得使用金屬棍搗炸藥，以免發(fā)生意外事故，剩余的炸藥雷管收集保管好。

堵塞：炮孔裝藥完畢后，可用粘土揉成條狀塞入孔內(nèi)并用炮棍搗實，堵塞時應(yīng)堵滿至孔口，保證堵塞長度和密度，以免爆破時能量外泄發(fā)生沖炮，影響爆破效果。

起爆：起爆前檢查網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)是否完好，同時應(yīng)將劃定的安全范圍內(nèi)的無關(guān)人員、機械設(shè)備撤離到安全警戒線外。隧洞的安全范圍是按爆破飛石、爆破空氣沖擊波的影響范圍計算確定的安全距離。當隧洞較深時還應(yīng)當在洞內(nèi)側(cè)面開挖避炮洞，供爆破員避炮用，起爆時應(yīng)由專人指揮，發(fā)布起爆命令，由專職爆破員負責起爆，不允許一個人進行起爆作業(yè)。

檢查：爆破后經(jīng)通風排煙，爆破員進入工作面檢查爆破效果，若要發(fā)現(xiàn)未爆炮孔應(yīng)及時補炮，對殘爆炮孔的藥卷及時清除收集，經(jīng)確認無爆破遺留問題方可進行下一道工序施工。

（五）通風排煙

通風排煙的主要作用是排除爆破后的煙塵和炸藥爆炸毒氣，當隧洞較淺時，可以利用自然風散煙排氣。當自然散煙較慢時，可以采用風機強制供風到工作面附近吹風排煙，也可以利用風機排煙輔助水管噴水霧降塵排煙，這樣效果更好。

（六）排險

當炮煙離開工作面30～40m以上時，爆破人員可以進入工作面檢查處理爆破有關(guān)問題，確認無爆破遺留問題后排險人員進入工作面檢查處理險情、圍巖的穩(wěn)定情況和清除個別危石。排險人員應(yīng)由經(jīng)驗豐富、責任心強的人員擔任；首先對頂部和邊墻依次進行險情檢查和排險，清撬危石時，應(yīng)用專用的尖頭長撬杠，排險人員應(yīng)站在危石墜落范圍以外，斜坡地段應(yīng)站在上坡位置，不能站在危石的下方，以免發(fā)生事故。

（七）出碴

排險結(jié)束后，經(jīng)確認無險情后方可進入機械裝碴，出碴時采用輪式30裝載機出碴。由技術(shù)較高的駕駛員駕駛裝載機，直接開進工作面裝碴，然后倒退行駛出隧洞，運至碴場棄碴。因輸水洞深度不大，不在洞內(nèi)設(shè)置裝載機調(diào)頭洞，若洞的深度較大時可在洞內(nèi)設(shè)置1～n個調(diào)頭點，方便機械行駛。

（八）支護

一般在隧洞進出口段、頂部及兩邊安裝3排略向上傾斜的水平錨桿進行支護鎖口，以防洞口坍塌。洞內(nèi)沒有險情的地段采用噴素混凝土支護，對個別危石采用錨桿錨固，在工作面向前推進30～40m時進行噴混凝土加固。對地質(zhì)情況較差的地段，采用噴混凝土，系統(tǒng)錨桿，必要時加鋼筋網(wǎng)進行噴網(wǎng)錨網(wǎng)聯(lián)合支護，這樣的地段支護應(yīng)隨時跟進，工作面向前推進2～6m時就應(yīng)立即進行支護。地質(zhì)情況特別差的地段，可以采用鋼支撐配合錨桿噴混凝土進行強支護，這種支護就應(yīng)緊跟作業(yè)面進行。

噴混凝土施工時，噴槍頭應(yīng)距噴護面1～1.5m，不能太遠，應(yīng)保證噴射沖擊力，滿足噴混凝土這密實度要求。噴射角度不能＞300，防止增大噴混凝土的回彈量，噴混凝土時應(yīng)依次循環(huán)噴射，分層噴射，由下向上分段噴射，一次不能噴的太厚，以防止混凝土未及時凝固下墜掉塊。

頂部個別危石鉆錨桿孔時，人員應(yīng)站在危石可能墜落范圍以外，不能站在危石的下方，以防出現(xiàn)事故。錨桿安裝應(yīng)牢固，砂漿應(yīng)飽滿，錨桿應(yīng)有一定的長度，應(yīng)超過危石進入外層的牢固圍巖中并且長度應(yīng)＞1m。

（九）測量放線：表明上一個工序循環(huán)全部結(jié)束，進入下一個工作循環(huán)。

五、結(jié)語

輸水洞從爆破開挖開始到貫通結(jié)束，整個鉆爆過程均取得較好的爆破效果。除斷層帶地質(zhì)弱面外，正常鉆爆平均每循環(huán)進尺1.8m，炮孔利用率達到90%，所爆破的巖碴塊度適中，爆碴大塊率低，炸堆較集中，且很少殘留根底，適合機械出碴裝運，加快了施工的進度。光面爆破在圍巖壁上保留半個炮孔清晰可見，巖壁平整度較好，同時減少了爆破對圍巖的破壞作用。進出口開挖爆破輪廓整齊，沒有出現(xiàn)超挖和塌頂?shù)默F(xiàn)象，達到了設(shè)計輪廓線的標準。斷層及地質(zhì)弱面爆破開挖時，由于事先準備工作充分，措施得當，沒有出現(xiàn)大的塌方和安全事故，并且能盡快通過這些不良地段，為施工進度贏得了時間和安全保證。實踐證明，整個輸水洞爆破開挖達到了預(yù)期的目的，所采用的下部先爆全斷面爆破開挖方法是先進的，所采用的倒行法機械出碴是科學的，所采用的支護手段是正確的，所采用的整個鉆爆設(shè)計參數(shù)是合理的，所取得的施工效果是成功的。