毗河水利工程特小斷面隧洞爆破施工技術研究

胡 欣， 郝 超， 唐仁兵， 肖 毅

(中國水利水電第十工程局有限公司 ，四川 都江堰 611830)

1 概 述

四川省都江堰灌區(qū)毗河供水工程是都江堰水利工程的重要組成部分，是以灌溉、城鎮(zhèn)供水為主，兼顧人畜用水和改善生態(tài)環(huán)境的民生工程。一期工程主要包括茍家灘引水樞紐、輸水總干渠一期工程“渠首-朝陽水庫”、新生水庫充水渠、十里河水庫充水渠、鯉魚水庫充水渠、樂陽干渠及灌區(qū)15條骨干渠系配套工程等，工程為Ⅰ等工程。

毗河供水一期工程第二施工分部隧洞開挖斷面尺寸為3.05 m×3.075 m至2.1 m×2.4 m的長度為20.88 km，屬于特小斷面隧洞，其中別家山隧洞開挖斷面尺寸為3.05 m×3.075 m，長度為923.42 m，設計流量為6.93 m3/s，隧洞比降為1/1 000。由于隧洞斷面小，給施工帶來了極大的挑戰(zhàn)，在小斷面隧洞施工中，對隧洞的布孔、鉆孔、爆破、除渣、風水電的布置都非常困難。在隧洞掘進過程中，爆破施工的效果與鉆孔工作具有密切的關系，施工中炮孔的布置、角度、數(shù)目和深度都會影響炮孔的利用率[1]、爆破后巖塊的大小與其在隧洞中爆破石渣堆積分布情況以及隧洞的成型效果等。由于支渠的引水隧洞較小，其圍巖的夾持力較大，爆破時單耗藥量較高，隧洞內(nèi)活動空間小，布鉆鉆孔特別是鉆孔角度控制困難。因此，對小斷面隧洞中鉆孔與爆破及爆破參數(shù)進行研究有利于提高施工效率，降低成本。

2 特小斷面隧洞施工難點

在特小斷面隧洞施工中，臨建布置、鉆孔、爆破、排煙、除渣、支護等都存在很多施工難點，施工中其中一項出現(xiàn)偏差都會造成開挖進尺少、炸藥單耗偏高、隧洞工期延長并造成開挖質(zhì)量降低。毗河引水工程特小斷面隧洞施工具有以下施工難點。

(1)由地質(zhì)資料得知，該隧洞巖層基本為粉砂質(zhì)泥巖，質(zhì)地軟、遇水易膨脹垮塌，地質(zhì)條件較差，安全隱患大。

(2) 隧洞斷面較小，工程措施選擇有限，只能采用小型機械施工，機械化施工程度不高，進而制約了工程進度。

(3) 在隧洞開挖時，要嚴格按照“短進尺，弱爆破，勤量測，快封閉”等原則，確保隧洞的安全施工。

(4) 由于隧洞斷面小，在開挖鉆孔過程中對掏槽孔的布置和施工較困難，一般工況下，爆破出較好的臨空面具有一定的難度，因此，開挖進尺受到了限制并增加了耗材。

3 爆破設計及參數(shù)

正確選擇掘進方案是資源配備的前提，也是各型隧洞開挖達到快速、安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗目的的關鍵問題。施工時應根據(jù)該工程特點、斷面大小、圍巖性質(zhì)、施工機具配制、爆破器材、施工隊伍的技術水平選擇最優(yōu)的鉆爆方案。同時，準確的鉆孔、合理的裝藥結構和正確的起爆順序是取得良好爆破效果的關鍵。毗河供水一期工程第二施工分部別家山隧洞洞挖采用φ42鉆頭鉆孔，孔深1.5 m，楔形掏槽，邊、頂拱進行光爆，毫秒雷管起爆，每循環(huán)有效進尺為1.4 m。

3.1 循環(huán)進尺深度

隧洞采用TY-28氣腿風鉆鉆孔，循環(huán)進尺深度H為1.5 m的淺孔全斷面掘進和光爆成型的施工方案。

3.2 掏槽方式的選定

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，先后采用了兩種掏槽方式：中空孔五星掏槽和水平楔形掏槽。由于中空孔五星掏槽對鉆孔質(zhì)量要求高，布孔非常密集且起爆間隔時間難以控制，爆破時發(fā)生了“拒爆〞和“壓死〞現(xiàn)象，導致掏槽失敗，同時，由于掏槽孔和輔助孔非常密集，且因部分炮孔裝藥量大而造成炸藥單耗居高不下(單耗達到4.5 kg/m3)。

為改進進尺不穩(wěn)定、炸藥單耗過高的實際狀況，施工中采用了楔形掏槽方式，楔形掏槽的優(yōu)點是對鉆孔精度要求較低，施工人員容易掌握，爆破時對間隔時間要求不十分嚴格(50～100 ms)，且比五星掏槽孔減少工作面鉆孔數(shù)量15%左右。

在隧洞爆破采用楔形掏槽時[2]，掏槽孔與開挖面的夾角為60°～70°、掏槽孔孔距為20～30 cm，掏槽孔單排孔呈錐形(兩孔孔底的間距為15～20 cm)時，掏槽孔的孔深比其它孔深0.2 m。楔形孔略呈錐形時能夠獲得較理想的掏槽效果，可以獲得理想的進尺，該掏槽方式其掏槽成功率高，不發(fā)生“拒爆”和“壓死”現(xiàn)象。掏槽孔布置情況見圖1。

掏槽及底板孔按拋擲爆破設計，采用楔形掏槽方式，充分利用楔形掏槽的易拋擲特性用于減輕振動以保持圍巖的穩(wěn)定。其它炮孔采用淺孔微振動控制爆破，在保證爆破效果的前提下，盡量減少炮孔的炸藥用量。采用微差爆破技術，以減少爆破對圍巖的擾動并降低振動強度。為控制開挖輪廓符合設計要求，對隧洞周邊采用光面爆破。

圖1 楔形掏槽孔布置示意圖

3.3 炮孔布置與鉆孔

(1)掏槽孔。掏槽孔一般布置在隧洞開挖斷面的中部，對于小隧洞和圍巖破碎的隧洞其掏槽孔應布置在中部以下，以避免由于掏槽孔藥量較高、爆破時對隧洞起拱處產(chǎn)生破壞使隧洞頂拱出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。炮孔采用φ42鉆頭鉆孔，掏槽孔的孔距取30 cm，對稱布置6個孔。掏槽孔采用非電毫秒雷管引爆2#巖石乳化炸藥進行爆破，乳化炸藥的卷狀規(guī)格為φ32×200 mm，將爆破炸藥單耗控制在1.43～1.72 kg/m3。

掏槽孔的爆破是隧洞爆破成功與否的關鍵，應由熟練的風鉆工操作并嚴格按照測量人員定出的中線、腰線、開挖輪廓線和測量人員布置的孔位鉆孔作業(yè)。每排炮孔嚴格按“平、直、齊”的要求進行施鉆與檢查，做到炮孔的孔底落在一個垂直面上。為減少超挖，將周邊孔的外偏角控制在設備所能達到的最小角度，光面孔及掏槽孔位的偏差不得大于5 cm，其它炮孔位的偏差不得大于10 cm。

(2)周邊孔。在隧洞施工過程中，為獲得較完整、平順的開挖輪廓，降低爆轟波對周邊洞壁的損傷，所有周邊孔均采用光面爆破。周邊孔的鉆孔要求間距均勻、外插角符合爆破設計要求，炮孔相互平行，深度一致。

隧洞光面爆破孔的造孔深度為1.5 m，光面爆破孔孔距視開挖輪廓線的曲率、圍巖類別等確定，其間距確定為35～45 cm。

(3)線裝藥密度。周邊光面爆破采用φ22～25小藥卷，采用導爆索串聯(lián)間隔裝藥，不耦合系數(shù)不小于2。將光面爆破周邊孔線裝藥密度控制在150～180 g/m，同時，根據(jù)施工現(xiàn)場圍巖變化情況進行調(diào)整。

隧洞崩落孔的造孔深度為1.7 m，其間距為60～70 cm，采用φ42鉆頭鉆孔，炮孔裝φ32藥卷并連續(xù)裝藥，乳化炸藥藥卷的規(guī)格為φ32×200 mm。采用非電毫秒延期雷管引爆。

(4)堵 塞。炮孔口用炮泥條堵塞，炮泥條采用人工或炮泥機制作，炮泥條成分為泥土、砂和水，合理的重量百分比為土∶砂∶水=(70～80)∶(8～10)∶(13～20)，泥條具有較好的柔軟性，周邊孔的封堵長度不小于30 cm。

(5)爆 破。爆破網(wǎng)路[3]采用非電毫秒延期雷管分段、電雷管引爆非電毫秒延期雷管的微差爆破網(wǎng)路，分段由內(nèi)(掏槽孔)向外(擴槽孔、崩落孔)、按由低到高的段位順序進行，以保證起爆的可靠性和準確性。

導爆管聯(lián)接時需注意導爆管不能打結和拉細，各把的導爆管數(shù)應均勻。引爆電雷管應放至各把導爆管中間并用黑膠布扎牢，將綁扎長度控制在10 cm以上。采用微差控制爆破、嚴格控制每段的裝藥量和段間延期時差以達到控制爆破振速的目的，最大限度地減小其對周邊圍巖的擾動和破壞。

3.4 鉆孔要求

嚴格選擇掏槽施工隊伍并要求其熟練掌楔型掏槽方式，掏槽孔最深處的孔間距離為0.2 m，按隧洞中線左、右對稱布置。采用楔型掏槽孔時，爆破段數(shù)較少，以便于實現(xiàn)全斷面一次爆破。由于隧洞斷面小，掏槽孔鉆孔時采用套釬鉆孔(開口釬子的長度為1 m，隨后使用較長的釬子)。

(1)測量放線。隧洞施工的測量采用全站儀，測量作業(yè)由專業(yè)人員實施，每槽炮后進行洞室中心線、設計規(guī)格線的測放并根據(jù)爆破設計參數(shù)布置孔位[4]。在施工中嚴格按照測量人員定出的中線、腰線、開挖輪廓線和測量布孔實施造孔作業(yè)。技術人員現(xiàn)場檢查以便及時發(fā)現(xiàn)和解決現(xiàn)場出現(xiàn)的技術問題。每排炮孔由值班技術員按“平、直、齊”的要求進行檢查。

(2)鉆孔要求。應嚴格控制掏槽孔的鉆孔精度。鉆孔過程中，當掏槽孔偏斜過大甚至打穿交叉時，其爆破進尺將顯著減少，因此，鉆孔過程中應盡可能采取多種有效措施以保證鉆孔精度，這是取得高效爆破的關鍵，如用紅油漆標注出掏槽孔的位置；為保證鉆孔角度，采用打短、長套釬鉆孔、用長桿釬插入已鉆好的炮孔中幫助鉆工確定下一炮孔的方向，鉆孔時保持炮孔平行等。

鉆孔的一般原則:

(1)若要保證鉆孔工作效率高，就應充分發(fā)揮風鉆的作用，盡量少移動風鉆的位置，多鉆孔可以使鉆孔工作便利并節(jié)省時間。

(2)在裂縫和層理多的圍巖中布置炮孔時，炮孔應垂直或斜交裂縫和層理(因為炮孔與層理的交角愈大、爆破效果愈好)。

(3)隧洞開挖應根據(jù)圍巖的軟硬程度合理地確定孔距[5]。炮孔間的相互距離對爆破效果影響很大。炮孔距離太小時增加了鉆孔的工作量、增大了炸藥單耗。炮孔距離太大時易造成預定的圍巖爆不下來，同時會造成齊頭工作面凹凸不平，給下次鉆孔造成難度，還會留下較深的線孔。

(4)鉆孔的定位精度和平行度。掏槽區(qū)的炮孔布置密集，所設計的最小抵抗線由內(nèi)向外逐漸增大，一旦定位不準將給后排爆破造成很大的困難。另外，若鉆孔平行度偏斜太大甚至有兩孔或多孔打穿，必然會影響掏槽效果。炮孔互交處因藥量過大導致出現(xiàn)“壓死〞現(xiàn)象，而其它位置則因炮孔間距過大、藥量不足，不能產(chǎn)生較好的破碎和拋投效果。為減少鉆孔偏斜，可以在周圍已鉆成的炮孔內(nèi)插桿判斷鉆孔的偏斜情況。

4 爆破效果

在隧洞爆破施工中采用楔形掏槽方式，其孔深為1.7 m，并充分利用楔形掏槽的易拋擲特性減輕振動，保持圍巖的穩(wěn)定；對于其它炮孔，采用淺孔(1.5 m)微振動控制爆破，Ⅲ類圍巖洞段每循環(huán)進尺達到1.4 m，平均日進尺為2.8 m，IV類圍巖洞段每循環(huán)進尺達到1.3 m，平均日進尺為2.6 m。將炸藥單耗控制在1.43～1.72 kg/m3，有效降低了炸藥用量。采用楔形掏槽方式比五星直線掏槽方式減少了15%的鉆孔，提高了工效，加快了開挖速度。

5 結 語

(1)在隧洞開挖施工過程中，掏槽孔爆破技術是隧洞掘進的關鍵，掏槽孔的間距、掏槽體積的大小及施工規(guī)整性始終決定著隧洞工程爆破效果的

好壞并制約著開挖進度的快慢以及單位耗藥量增加等。由此可知：掏槽方式是影響爆破進尺最為關鍵的因素。毗河水利工程小斷面隧洞的掘進楔形掏槽炮孔數(shù)目少、結構簡單、爆破效率高、耗材消耗少，是適合于該隧洞掘進爆破的掏槽方式。

(2)在隧洞爆破施工時，合理選定布孔和各種爆破參數(shù)，既能確保隧洞開挖的安全性和穩(wěn)定性，又能有效降低成本，使爆破出的巖塊適中，同時提高了設備的裝渣效率和設備的利用率，減輕了施工人員的勞動強度，提高了炮孔利用率和生產(chǎn)進度。

(3)光面爆破的試驗和施工是一個動態(tài)管理過程。施工中，應根據(jù)不同洞段的圍巖性質(zhì)隨時調(diào)整光面爆破的各種設計參數(shù)，既能使全炮孔均勻爆破、半孔率高，又能獲得最佳的爆破效果。

(4)恰當?shù)难b藥量應是既要具有破巖所需的能量，又不造成圍巖的過度破壞。施工中在確保裝藥質(zhì)量時，良好的炮孔堵塞質(zhì)量也是實現(xiàn)隧洞快速掘進的重要手段之一。