臺(tái)州市引水工程白云山輸水隧洞工程爆破設(shè)計(jì)與施工方案

郭勇亮

（山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原 030006）

1 工程概況

1.1 工程概況

臺(tái)州市引水工程位于臺(tái)州市椒江區(qū)椒南、黃巖區(qū)、路橋區(qū)，工程取水水源為臺(tái)州市長(zhǎng)潭水庫(kù)。隧洞工程由8段隧洞組成，總長(zhǎng)為25.3 km，其中白云山輸水隧洞位于臺(tái)州市路橋區(qū)和溫嶺市，長(zhǎng)5 734 m，襯砌后洞徑3.2 m，開挖斷面為2.8 m×4.1 m（寬×高），洞型為馬蹄型。

1.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)屬亞熱帶，氣候溫暖，雨量充沛。本區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。輸水隧洞進(jìn)出口及洞身圍巖均為燕山晚期第3次侵入巖（ξγ53（3）），巖性為鉀長(zhǎng)花崗巖，塊狀，新鮮巖石致密堅(jiān)硬，斷層不發(fā)育。進(jìn)出口段覆蓋層厚，巖體風(fēng)化深，工程地質(zhì)條件差，圍巖以Ⅳ～Ⅴ類為主。洞身段未見區(qū)域性斷層通過，總體成洞條件較好，以II類為主。

根據(jù)地勘報(bào)告提供的各類巖組的物理力學(xué)參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及各項(xiàng)定性、定量成果資料分析，隧洞圍巖分級(jí)見下表1。

表1 路橋段輸水隧洞圍巖分類表

1.3 主要工程量及工期

白云山輸水隧洞暗洞全長(zhǎng)5 734 m，隧洞斷面積為14.22m2，呈馬蹄型，暗洞爆破工程量約為68938m3。本工程總工期40個(gè)月。

1.4 白云山隧洞出口開挖平面狀況及施工主洞、支洞開挖斷面

白云山隧洞出口位于路南街道肖王村西小路山坡腳處。隧洞出口離肖王村居民房屋較近，隧洞石方開挖爆破主要考慮對(duì)居民房屋、廠房及山頂高壓輸電塔保護(hù)。北側(cè)距隧洞口約45 m有兩棟二層居民房，業(yè)主已征用待拆除，約72 m處為在建秀山至路橋公路；東北側(cè)隧洞出口約285 m為肖王村大片民房，更遠(yuǎn)處為路院公路；東側(cè)距出洞口中心距約25 m有一處待拆房屋，約220 m有一處民房；東南側(cè)距出洞口約69 m處為鴻基塑料彩鋼板廠廠房；隧洞口西側(cè)上方有一條220 kV高壓線路，距洞口最小距離為283 m，距洞身垂直高差約102 m；除此以外無其它重要建（構(gòu)）筑物。圖1為爆區(qū)周邊環(huán)境情況平面示意圖，圖2、圖3為施工支洞及主洞、分水洞開挖斷面圖。

圖1 臺(tái)州市引水工程白云山隧洞出口開挖點(diǎn)爆區(qū)環(huán)境及警戒平面示意圖

圖2 白云山隧洞大岙施工支洞開挖斷面圖

圖3 白云山隧洞主洞、分水洞開挖斷面圖

2 開挖方案概述

白云山輸水隧洞出洞口周邊環(huán)境較好，洞口明挖段可采用淺孔爆破結(jié)合機(jī)械開挖。輸水隧洞暗洞采用新奧法施工，因隧洞斷面較小，Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖段施工開挖應(yīng)在做好超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用短進(jìn)尺全斷面松動(dòng)爆破開挖；Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖段可采用全斷面爆破開挖，光面爆破要嚴(yán)格控制超、欠挖，不應(yīng)欠挖，應(yīng)盡量減少超挖，其開挖半徑的平均徑向超挖值，平洞不應(yīng)大于15 cm。

施工中初期支護(hù)要及時(shí)可靠，二次襯砌要適時(shí)監(jiān)控量測(cè)并根據(jù)測(cè)量結(jié)果適時(shí)施作，盡早封閉成環(huán)。對(duì)于軟弱圍巖段施工要堅(jiān)持“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快閉合、襯砌緊跟”的原則，防止巖體坍塌，施工工序要緊密銜接，嚴(yán)禁脫節(jié)。二次襯砌主要采用泵送混凝土和整體式模板臺(tái)車的機(jī)械化配套施工方案，保證二次襯砌質(zhì)量達(dá)到內(nèi)實(shí)外光。

隧洞開挖應(yīng)采用光面爆破技術(shù)，爆破進(jìn)尺根據(jù)圍巖條件確定，控制炮眼裝藥量和質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，以最大限度保護(hù)周邊巖體的完整性，控制超欠挖。對(duì)于洞口段、軟弱圍巖及不良地質(zhì)地段，應(yīng)遵循“少擾動(dòng)，快加固，勤量測(cè)，快封閉”的原則，有效控制圍巖變形，保證隧洞結(jié)構(gòu)安全，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其它異常情況時(shí)需采取加強(qiáng)措施。

輸水隧洞采用馬蹄型斷面。為確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量，做好通風(fēng)排煙，在輸水隧洞適當(dāng)位置，開挖施工支洞。施工支洞貫通后開始向輸水隧洞進(jìn)出口方向采用單向或雙向開挖。隧洞相對(duì)爆破開挖至縱向間距大于30 m時(shí)，另一頭開挖停止施工，采用單向施工。每次爆破后，爆渣采用XPD80YC箱體輪式扒渣機(jī)裝渣，12 t工程運(yùn)輸車運(yùn)送至洞外渣場(chǎng)。為方便洞內(nèi)開挖及襯砌生產(chǎn)運(yùn)輸，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置避車道以滿足施工運(yùn)輸需要。隧道配置55 kW的風(fēng)機(jī)可滿足通風(fēng)需求。

3 爆破方案的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求與工程實(shí)際，隧洞主要采用掘進(jìn)洞挖爆破，鉆機(jī)鉆孔主要采用直徑40 mmYT28型風(fēng)動(dòng)鑿巖，爆破器材選用Φ32 mm乳化炸藥。隧洞暗洞采用新奧法施工，因隧洞斷面較小，Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖段施工開挖應(yīng)在做好超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用短進(jìn)尺全斷面法施工；Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖段可采用全斷面法施工，隧洞口及洞身采用水平淺孔爆破開挖，鉆爆法施工，采用光面爆破技術(shù)控制隧洞超欠挖。

洞身暗挖爆破施工前應(yīng)做好測(cè)量放樣工作，測(cè)定開挖標(biāo)高、隧洞中心線。前期爆破施工時(shí)采用多鉆孔、少裝藥、小方量爆破方法，控制爆破參數(shù)，確保隧洞圍巖的完整、穩(wěn)定。其施工流程:測(cè)量定位→炮孔布孔→施工準(zhǔn)備→鉆孔→吹孔→裝藥→堵孔→連接起爆網(wǎng)路線→警戒→爆破→噴水→通風(fēng)→檢查爆堆→盲炮處理→出渣→噴錨支護(hù)→永久支護(hù)。

施工前針對(duì)不同的圍巖類別進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，施工中根據(jù)圍巖實(shí)際情況和爆破效果對(duì)爆破參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。本次爆破隧洞口處爆區(qū)環(huán)境復(fù)雜，一次起爆藥量Q＜0.5 t，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，本爆破工程應(yīng)為D級(jí)巖土爆破工程。考慮到進(jìn)出口周邊環(huán)境，根據(jù)規(guī)定，應(yīng)相應(yīng)提高一個(gè)工程級(jí)別，自評(píng)為巖土爆破C級(jí)。自洞口到進(jìn)洞100 m范圍內(nèi)作為巖土爆破C級(jí)管理，進(jìn)洞口100 m后，作為巖土爆破D級(jí)管理。

4 明挖淺孔爆破參數(shù)

4.1 淺孔爆破參數(shù)

鉆孔直徑d=40 mm，炮孔平面布置成梅花型，垂直鉆孔，使用管狀乳化炸藥，其爆破參數(shù)的計(jì)算公式如下:

臺(tái)階高度 H=4.0 m

鉆孔直徑 d=40 mm

最小抵抗線 W=（20～30）d=0.8～1.2 m 取1.2 m

鉆孔超深 h=（0.3～0.45）W=0.36～0.54m 取0.4m

炮孔深度 L=H+h=4.4 m

堵塞長(zhǎng)度 L1=（1.0～2.0）W=1.2～2.4 m 取2.0 m

裝藥長(zhǎng)度 L2=L-L1=2.4 m

孔間距 a=（1～1.2）W=1.2～1.44 m 取 1.4 m

排間距 b=W=1.2 m

單孔藥量 Q=q·a·b·H=2.35 kg

炸藥單耗 q=0.30～0.40 kg/m3取0.35 kg/m3

按上述公式計(jì)算得到的不同臺(tái)階高度時(shí)鉆孔直徑d=40 mm的爆破參數(shù)值列于表2。

表2 Φ40 mm淺孔爆破參數(shù)表（單耗q=0.35 kg/m3）

以上參數(shù)通過試爆視實(shí)際效果進(jìn)行調(diào)整。

4.2 淺孔炮孔的裝填結(jié)構(gòu)

炮孔裝藥采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)。淺孔爆破使用Φ32 mm乳化炸藥，起爆體置于藥柱中間，實(shí)行單向起爆，裝藥過程中要用炮棍將炸藥壓實(shí)，保證裝藥密度和質(zhì)量?；靥畈捎勉@孔形成的巖屑或無石塊的泥土，回填過程中也要用炮桿不斷壓實(shí)，保證堵塞質(zhì)量。

4.3 淺孔炮孔的布孔方式

淺孔布孔采用矩型布孔，每次布孔不超過四排；在爆破振動(dòng)能滿足要求時(shí)，淺孔采用孔內(nèi)同段孔外延時(shí)起爆網(wǎng)路（排間起爆網(wǎng)路），孔內(nèi)為10段非電雷管，第一排孔外傳爆雷管為2段非電雷管，第二排孔外傳爆雷管為4段非電雷管，第三排孔外傳爆雷管為6段非電雷管，第四排孔外傳爆雷管為8段非電雷管，形成逐排起爆網(wǎng)路，達(dá)到降低振動(dòng)、提高爆破效果的目的。

根據(jù)隧洞口明挖段工程量，隧洞口明挖淺孔爆破每次爆破總藥量應(yīng)控制在168 kg以內(nèi)。最大段藥量應(yīng)控制在32.4 kg。

5 路橋段輸水洞、分水洞圍巖全斷面開挖

5.1 爆破開挖步驟

輸水隧洞、分水洞爆破開挖主要采用全斷面法開挖。采用直線型掏槽，掘進(jìn)孔爆破，按設(shè)計(jì)開挖輪廓線布置周邊炮眼進(jìn)行光面爆破。實(shí)際施工過程中的進(jìn)尺主要根據(jù)掘進(jìn)過程中圍巖級(jí)別和設(shè)計(jì)參數(shù)來掌握。選用的工程鑿巖穿眼工具主要采用手持式風(fēng)鉆YT-28，壓縮空氣提供動(dòng)力，鉆頭直徑Φ40 mm。爆破設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺如表3所示。

表3 不同級(jí)別圍巖的設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺

5.2 爆破器材選取

采用安全性較高的非電塑料導(dǎo)爆管作為起爆器材。炸藥選用標(biāo)準(zhǔn)Φ32 mm乳化炸藥，200 mm長(zhǎng)，每卷200 g。其中周邊眼采用Φ32 mm炸藥與導(dǎo)爆索間隔不耦合裝藥。炮孔眼口堵塞均采用砂與黏土合制的炮泥。雷管采用多段別非電毫秒雷管，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況跳段使用。

5.3 圍巖炮眼眼網(wǎng)參數(shù)和裝藥量

Ⅴ級(jí)圍巖類比其它工程單耗取0.9～1.2 kg/m3。炮眼眼深為1.0 m，循環(huán)進(jìn)尺0.9 m。經(jīng)計(jì)算與作圖法，給出鉆爆參數(shù)見表4。

Ⅳ級(jí)圍巖類比其它工程單耗取，1.2～1.4 kg/m3。炮眼眼深為1.6 m，循環(huán)進(jìn)尺1.5 m。經(jīng)計(jì)算與作圖法，給出鉆爆參數(shù)見表5。

表4 路橋段輸水隧洞、分水隧洞Ⅴ級(jí)圍巖全斷面法開挖爆破參數(shù)表

表5 路橋段輸水隧洞、分水隧洞Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法開挖爆破參數(shù)表

表6 路橋段輸水洞、分水隧洞Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖全斷面法開挖爆破參數(shù)表

Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖類比其它工程單耗取1.5～1.8 kg/m3。炮眼眼深為2.7 m，循環(huán)進(jìn)尺2.5 m。經(jīng)計(jì)算與作圖法，給出鉆爆參數(shù)見表6。

以上爆破參數(shù)為計(jì)算值，實(shí)際施工中可根據(jù)爆破效果及巖石變化適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)。

6 隧洞爆破裝藥結(jié)構(gòu)與起爆網(wǎng)路

6.1 路橋段輸水隧洞鉆爆裝藥結(jié)構(gòu)

輸水隧洞采用直徑40 mm的鉆孔，輔助孔、掏槽孔采用連續(xù)柱狀裝藥（掏槽孔設(shè)計(jì)空孔除外），用一發(fā)非電雷管起爆，將裝有非電雷管的炸藥通過炮棍送到炮孔最底端，再繼續(xù)裝藥到設(shè)計(jì)量，然后采用炮泥進(jìn)行堵塞，堵塞過程中不得損壞導(dǎo)爆管；為減小對(duì)周邊圍巖的損傷及準(zhǔn)確形成隧洞輪廓，周邊孔采用光面爆破，線裝藥密度為0.2 kg/m，采用Φ32 mm乳化間隔裝藥，炮泥堵塞，用導(dǎo)爆索起爆，采用導(dǎo)爆索將光爆孔聯(lián)結(jié)，然后由相應(yīng)段位的非電雷管起爆。炮孔堵塞長(zhǎng)度不小于50 cm，炮泥的填塞有助于提高爆破質(zhì)量、減少爆破聲響、提高炸藥利用率等作用。炮泥應(yīng)采用巖粉和黏土進(jìn)行制作。

6.2 輸水隧洞爆破起爆網(wǎng)路

路橋段輸水隧洞爆破起爆網(wǎng)路，掏槽孔、輔助孔采用孔內(nèi)毫秒延時(shí)，掏槽孔先爆后，以掏槽處為中心依次向外傳爆，周邊的光爆孔用導(dǎo)爆索起爆炸藥，每孔導(dǎo)爆索采用搭接方式聯(lián)結(jié)在一起，由相應(yīng)段位的雷管引爆周邊光爆孔。隧洞起爆網(wǎng)路，采取“一把抓”的方式連接，起爆網(wǎng)絡(luò)采用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，按如下順序連接:孔內(nèi)雷管分組→周邊孔導(dǎo)爆索并接→同段非電雷管雙發(fā)簇連→起爆器。

7 通風(fēng)與排水

7.1 通風(fēng)、排煙

通風(fēng):輸水隧洞、施工支洞及分水隧洞掘進(jìn)通風(fēng)主要采用機(jī)械壓入式通風(fēng)。

排煙:隧洞工程施工中，由于開挖爆破分解不完全，經(jīng)常產(chǎn)生大量有害氣體，必須及時(shí)通風(fēng)凈化空氣。本工程洞內(nèi)施工機(jī)械盡量采用電工機(jī)具，減少尾氣排放，并配備滿足通風(fēng)要求的壓入式風(fēng)機(jī)排煙。除此之外，還可采用掛簾隔煙、噴霧除塵等輔助方法，加強(qiáng)除塵排煙的效果。

7.2 排水

洞外排水采用排水溝、山頂?shù)慕厮疁线M(jìn)行自流排水；隧洞內(nèi)為順坡，排水比較簡(jiǎn)單，一面掘進(jìn)一面挖排水溝即可充分利用水體自流至洞口后用水泵抽排；隧洞內(nèi)為逆坡，則應(yīng)分段設(shè)置集水坑，間距控制在300～400 m，用水泵按梯級(jí)逐坑抽排出洞。

8 建議:

1）項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)要配套齊全，制度要完善，要分工明確，要優(yōu)化組織設(shè)計(jì)，科學(xué)合理安排，精心組織施工。

2）施工期間通過加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測(cè)、超前預(yù)報(bào)，結(jié)合反饋信息及時(shí)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。

3）安全要引起足夠重視，安全制度要健全，安全責(zé)任要具體到人，落實(shí)到位，安全記錄要簽字歸檔。

4）盲炮處理要按爆破安全規(guī)程的要求，及時(shí)采取有效措施，要有計(jì)劃。

5）要建立一系列的安全保證及應(yīng)急管理體系，如質(zhì)量安全保證體系，應(yīng)急救援預(yù)案等。

總之，根據(jù)工程區(qū)域水文地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)及項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行研究分析設(shè)計(jì)，對(duì)圍巖不同級(jí)別施工進(jìn)行了設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并確定了爆破設(shè)計(jì)與施工方案，確保了在施工隧洞期間質(zhì)量與安全?，F(xiàn)輸水隧洞掘進(jìn)工程正在有序進(jìn)行，施工前期未發(fā)生任何質(zhì)量安全事故。