山西中部引黃工程08標(biāo)段引水隧洞開挖重點(diǎn)難點(diǎn)工序分析

王 東

(運(yùn)城市鹽湖區(qū)水務(wù)局，山西 運(yùn)城 044000)

1 概況

山西中部引黃工程08標(biāo)段引水隧洞工程位于山西省呂梁地區(qū)興縣境內(nèi)，沿線高程最高為1605 m，相較于最低點(diǎn)高程(隧洞出口)差為628 m，隧洞總長的63.1%埋深在300 m以下。主洞起點(diǎn)里程總61+676.88，終點(diǎn)里程總77+040.90，全長15364.02 m，平面線形：除在總67+612.1處有一平曲線外，其余段均為直線；設(shè)計(jì)縱坡為1/3000，隧洞襯砌后的斷面為城門洞型4.0 m×5.0 m。

引水隧洞沿線共設(shè)5座施工支洞，編號(hào)為18#～22#，為提高工效，確保工期和質(zhì)量，支洞開挖斷面統(tǒng)一為：4.69 m×4.12 m(寬×高)。各支洞的主要特性參數(shù)見表1。

表1 08標(biāo)段支洞主要特性參數(shù)表

2 不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)

(1)樁號(hào)61+676.88～66+114.0地段：洞身穿過的地層為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組上段及下段，巖溶地下水位位于隧洞底部，圍巖工程地質(zhì)分類為V類，在地應(yīng)力作用下，泥灰?guī)r可能產(chǎn)生變形；

(2)樁號(hào)66+114.0～70+641.7地段：巖溶地下水位位于隧洞洞頂以上。隧洞位于巖溶地下水位以下且穿過蔚汾河，開挖時(shí)存在涌水或突水問題；

(4)樁號(hào)70+641.7～77+040.9地段：巖溶地下水位位于隧洞底部以下，可能存在層間水，泥灰?guī)r洞段圍巖為軟～較軟巖，圍巖工程地質(zhì)分類為V類，占該段長度的22%，隧洞開挖時(shí)有遇到溶洞的可能，局部洞段泥灰?guī)r可能產(chǎn)生變形。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件及圍巖狀況，隧洞圍巖以V類為主，本工程重點(diǎn)工序?yàn)殂@爆開挖，采用全斷面開挖，為了提高傳爆可靠性，爆破網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)工爆破網(wǎng)絡(luò)，通過非電毫秒微雷管差爆破技術(shù)分層次引爆炸藥，最終形成隧洞開挖輪廓，實(shí)現(xiàn)光面爆破。

3 鉆爆開挖及控制

3.1 爆破設(shè)計(jì)

3.1.1 施工支洞爆破參數(shù)

(1)單位巖體炸藥消耗量計(jì)算：

以施工支洞V類圍巖開挖斷面R=2.51 m的類馬蹄形洞為例進(jìn)行計(jì)算。

施工支洞V類圍巖開挖斷面積S=17.25 m2≤20 m2

巖體炸藥消耗量采用下式計(jì)算：

q=elx(0.31f3/4)/(sx1/3×dx1/2)

式中：q為巖石每平米耗藥量，kg/m3；f為普氏巖石堅(jiān)固系數(shù)，f=8，根據(jù)施工規(guī)范，V類圍巖f=8～10；sx為相對斷面面積，sx=s/5=17.25÷5=3.45；s為平洞斷面面積，開挖斷面面積按17.25 m2計(jì)；dx藥卷相對直徑，dx=D/32=1；d為藥卷直徑32 mm；e為炸藥類型系數(shù)，e=1/2(360/ex+14/h)=1.28；ex為炸藥爆力，ex=220 cm3；h為炸藥猛度，h=10 mm；lx為炮孔深度對炸藥消耗量系數(shù)，l=3 m，lx=1.1。

經(jīng)計(jì)算：q=1.63 kg/m3。

(2)斷面鉆孔數(shù)量

采用以下公式計(jì)算：

N=a1+a2S

式中：N為開挖斷面的鉆孔數(shù)量；a1、a2為巖體可爆程度確定的系數(shù)，a1=30.9，a2=1；S為平洞斷面面積，m2。

上述公式為譯波爾建議公式，實(shí)際施工使用小炮孔的2號(hào)炸藥，故系數(shù)a1偏小，應(yīng)增加1～2倍方能使用，此處增加1.1倍。經(jīng)計(jì)算：N=1.1×30.9+1×17.25=52個(gè)。

(3)爆破參數(shù)計(jì)算

①掏槽孔的炸藥用量計(jì)算：

qcut=1.25Q/N

式中：qcut為掏槽孔的炸藥用量，kg/孔；Q為一次開挖循環(huán)炸藥用量，Q=qV=1.63×17.25×2.5=70.29 kg。

經(jīng)計(jì)算，qcut=1.25×70.29÷42=2.09 kg。

②周邊孔的平均炸藥用量計(jì)算：

qp=awlp(0.5～0.9)q

式中：qp為周邊孔的平均炸藥用量，kg；a為周邊孔的孔距，a=0.3 m～0.6 m；w為周邊孔的最小抵抗線，w=0.3 m～0.7 m；lp為周邊孔的孔深，m；q為單位耗藥量，kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，qp=0.5×0.6×2.5×(0.5～0.9)×1.63=0.61 kg～1.10 kg。

光面爆破效果的優(yōu)劣主要取決于周邊眼，包括炮孔密集系數(shù)、間距、裝藥量等參數(shù)。為了取得優(yōu)良的光面爆破效果，本工程在施工前進(jìn)行了多次試驗(yàn)，依據(jù)爆破后的圍巖情況總結(jié)爆破效果，將周邊眼爆破參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

③輔助孔的平均炸藥用量計(jì)算：

qn={Q-(qcutNcut+qpNp)}/[N-(Ncut+Np)]

式中：qn為輔助孔的平均炸藥用量，kg；Ncut為掏槽孔數(shù)；Np為周邊孔數(shù)。

qn={70.29-[2.09×4+(0.61～1.10)×30]}÷[52-(4+30)]

=1.61 kg～2.42 kg

(4)爆破參數(shù)的選用。

施工支洞最終選定的的爆破參數(shù)見表2，開挖炮眼布置見圖1。

表2 施工支洞全斷面開挖爆破參數(shù)表

圖1 施工支洞開挖炮眼布置圖

3.1.2 引水隧洞爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)單位巖體炸藥消耗量計(jì)算

以引水隧洞V類圍巖開挖斷面R=2.38 m的類馬蹄形洞為例計(jì)算。施工支洞V類圍巖開挖斷面積S=24.61 m2>20 m2，用戈斯帕揚(yáng)公式計(jì)算單位巖體炸藥消耗量：

式中：S為隧洞斷面面積，S=24.61 m2；L1為平均鑿巖深度，L1=2.5 m；K1為炮孔裝藥量充填系數(shù)，K1=(0.32/0.4)2=0.64；η為炮孔利用率，η=1.0；K2為等效炸藥換算系數(shù)，K2=Q1/Q0，K2=1.35；Q0為標(biāo)準(zhǔn)炸藥的熱能值，1000 kcal/kg；Q1為炸藥釋放的爆熱，1350 kcal/kg；K3為巖體裂隙率的修正系數(shù)，見表3，K3=0.9；Fs為自由面數(shù)量，F(xiàn)s=1.0；f為普氏巖石堅(jiān)固系數(shù)，f=8。

表3 巖體裂隙修正系數(shù)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：q=1.47 kg/m3。每循環(huán)炸藥量：Q=qLSη，計(jì)算得Q=90.44 kg。

(2)開挖斷面的鉆孔數(shù)量

N=a1+a2S

式中：N為開挖斷面的鉆孔數(shù)量；a1、a2為巖體可爆程度確定的系數(shù)，a1=30.9，a2=1；S為平洞斷面面積，m2。

由于是小斷面小炮孔爆破，a1增加1.4倍。故N=1.4×30.9+1×24.61=67個(gè)。

(3)爆破參數(shù)計(jì)算

計(jì)算過程同施工支洞。

qcut=2.02 kg/孔，qn=1.52 kg/孔～2.07 kg/孔，qp=0.55 kg/孔～0.99 kg/孔。

(4)爆破參數(shù)的選用。

引水隧洞全斷面開挖爆破參數(shù)見表3，炮眼布置見圖2。

表3 引水隧洞全斷面開挖爆破參數(shù)表

圖2 引水隧洞開挖炮眼布置圖

2.2 鉆爆施工控制

(1)放樣布孔

引水隧洞開挖斷面為4.0 m×5.0 m(寬×高)，5座施工支洞18#～22#開挖斷面統(tǒng)一為4.69 m×4.12 m(寬×高)，考慮施工誤差和預(yù)留變形量統(tǒng)一放大5 cm；專業(yè)測量技術(shù)人員在每一循環(huán)均以掌子面附近的控制樁作為參考點(diǎn)，采用全站儀準(zhǔn)確測量出開挖面的中線、輪廓線和炮眼位置，并用紅油漆在掌子面明確標(biāo)注；為了減少測量的工作量，并確保開挖輪廓線的精確度，在隧洞直線段直接將激光準(zhǔn)直儀安裝在隧洞拱頂處。

(2)開孔鉆眼

隧洞開孔數(shù)量眾多，雖然都是水平孔但是想要通過逐個(gè)人工測量來控制孔眼精確度，人力、時(shí)間上都不可能跟上進(jìn)度，故只能依靠鉆孔人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場感覺來保證鉆孔精度。因此為了確保周邊眼的精確度和較好的光爆效果，施工中，將挑選一班人中技術(shù)最好的幾位專打周邊眼；鉆眼完畢進(jìn)行檢查并做好記錄，檢查合格后才能進(jìn)行下一步的裝藥。

(3)清孔裝藥

光面爆破的第一要?jiǎng)?wù)就是要保證施工人員的安全，故裝藥前的清孔工作所用到的炮鉤，均在施工前由鋼筋彎制而成，此次清孔工作先用炮鉤伸入炮孔將石屑刮出，然后用高壓風(fēng)吹凈。

參照設(shè)計(jì)好的炮眼布置圖，把計(jì)算好的裝藥量自上而下分片分組裝入雷管并用炮泥堵塞炮眼，炮泥由2/3砂和1/3黃土加水?dāng)嚢柚瞥?。工程施工中光面爆破孔孔口堵塞長度為25 cm，掏槽孔不裝藥部分全堵滿，其余掘進(jìn)孔堵塞長度為抵抗線的90%。炮泥使用2/3砂和1/3黃土制作并使用水炮泥。

(4)聯(lián)接起爆網(wǎng)絡(luò)

光面爆破的孔眼都有一定的規(guī)律性，為了加快掘進(jìn)速度和起爆的精確度，采用聯(lián)接起爆網(wǎng)絡(luò)，即將所有的起爆裝置連接成網(wǎng)絡(luò)一起爆破，保證爆破參數(shù)的一致性。每個(gè)孔眼均用兩個(gè)傳爆雷管，每根雷管的布置方式一致：一端與炸藥包連接，一端在孔口外插入塑料連接塊；以此類推，20個(gè)孔眼為一組形成一個(gè)導(dǎo)爆管單元，再用并聯(lián)的方式利用塑料連接塊連接其他導(dǎo)爆管單元，形成連接起爆網(wǎng)絡(luò)，可以有效控制所有孔眼起爆參數(shù)的一致性。

在工程初期開挖初期由于疏忽，個(gè)別孔眼導(dǎo)爆管連接未采用塑料連接塊導(dǎo)致爆破短路，故由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是采用的導(dǎo)爆雷管，為了保證爆破效果，避免爆破短路，導(dǎo)爆管的連結(jié)不能跨過塑料連接塊直接連結(jié)，連接好務(wù)必安排專人進(jìn)行檢查。

(5)瞎炮的處理

瞎炮在爆破中時(shí)有發(fā)生，安全起見，要安排專人進(jìn)行負(fù)責(zé)，首先要做的就是查明原因，若是孔外導(dǎo)爆管損壞引起的，切去損壞部分重新連接即可；若是短路引起的，則要檢查導(dǎo)爆管和連接模塊的連接處進(jìn)行調(diào)整；若本身不能引爆，則掏出炮泥，然后用高壓風(fēng)和水沖出炸藥，拿出雷管，重新布置即可。

3 引水隧洞開挖難點(diǎn)及控制

本工程有多處不良地質(zhì)構(gòu)造地帶，故在施工過程中根據(jù)設(shè)計(jì)資料，接近不良地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，必須放慢施工速度和減短爆破進(jìn)尺，采用水平地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆探，每15 m～30 m進(jìn)行一次水平鉆機(jī)鉆探，以了解施工前方的地質(zhì)情況，防止安全隱患的發(fā)生，施工中最大的難點(diǎn)是總干3#隧洞樁號(hào)59+398～63+590、75+510～93+163、98+584～118+144、128+700～137+785段施工產(chǎn)生中等巖爆(Ⅱ級(jí))。為了減少該段圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞，采用全斷面開挖一次成形，并及時(shí)在掌子面和洞壁經(jīng)常噴撒水；用超前鉆孔應(yīng)力解除法來釋放部分應(yīng)力，巖爆連續(xù)發(fā)生段在施工后進(jìn)行了適當(dāng)?shù)拇?，在巖爆高峰期過后采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù)法，噴15 cm厚的混凝土；錨桿采用Ф25，@1.2 m×1.2 m，L=3.0 m～3.5 m，梅花型布置方案，加墊板對圍巖進(jìn)行了加固。

雖然施工過程中處理巖爆耽誤了一些工期，但是施工完成后運(yùn)行至今，該段圍巖穩(wěn)定性良好，未產(chǎn)生任何工程問題。

4 結(jié)語

山西中部引黃工程08標(biāo)段2015年10月16日竣工運(yùn)行至今，引水隧洞經(jīng)過多次運(yùn)行安全檢查，均符合運(yùn)行安全標(biāo)準(zhǔn)，說明開挖階段光面爆破施工方法切實(shí)可行，對于重點(diǎn)、難點(diǎn)工序的處理方式有借鑒參考意義。