某輸水隧洞中空孔爆破施工質(zhì)量控制過(guò)程分析

李大峰

(南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

某輸水隧洞工程位于江蘇省南京市江寧境內(nèi)，北東距南京市約 45km，距陸郎鎮(zhèn)約3.5km，按設(shè)計(jì)要求隧洞采用鉆爆法施工。

該項(xiàng)目包括樁號(hào)主洞K0+000～K2+640與支洞XK0+000～XK0+158(K0+855)兩段，隧洞總長(zhǎng)2.798km，其中主洞長(zhǎng)2.640km，通過(guò)三個(gè)斜井通道進(jìn)入隧洞，隧洞為有壓輸水隧洞，斷面形式為曲墻拱形斷面，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

由于疫情，項(xiàng)目工期滯后嚴(yán)重，決定從延長(zhǎng)規(guī)定爆破時(shí)段內(nèi)有效作業(yè)時(shí)間、加大資源投入和避車洞調(diào)整縮短爆破時(shí)段內(nèi)工序時(shí)間、試驗(yàn)中空孔爆破新工藝加大提高每循環(huán)進(jìn)尺、申請(qǐng)適當(dāng)延長(zhǎng)爆破時(shí)間等幾個(gè)方面入手，消除爆破時(shí)段受限對(duì)工期的影響，將掘進(jìn)工期控制在投標(biāo)掘進(jìn)工期的9個(gè)月內(nèi)。文章針對(duì)該項(xiàng)目中空孔爆破施工質(zhì)量控制過(guò)程進(jìn)行了分析。

2 中空孔爆破原理

在關(guān)鍵線路采用新工藝中空孔爆破施工，既利用被限制爆破的夜間時(shí)段，在支洞下游主洞作業(yè)面、出口主洞作業(yè)面采用適合該隧洞斷面尺寸的大口徑履帶式潛孔鉆機(jī)及大型高風(fēng)壓空壓機(jī)(共三套，兩套使用，一套備用，考慮現(xiàn)場(chǎng)其他工序施工用電負(fù)荷和柴油空壓機(jī)穩(wěn)定性，采用柴油空壓機(jī))，在掌子面進(jìn)行掏大孔作業(yè)，增加爆破臨空面，提高單次爆破進(jìn)尺[1-5]。

3 中空孔爆破施工方法分析

3.1 技術(shù)準(zhǔn)備及實(shí)施階段劃分

3.1.1技術(shù)準(zhǔn)備

(1)開(kāi)工前組織技術(shù)管理人員學(xué)習(xí)爆破原理，編制施工技術(shù)交底，繪制開(kāi)挖斷面圖，為全面開(kāi)工做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

(2)開(kāi)工前組織測(cè)量、技術(shù)等技術(shù)人員進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，制定鉆孔位置確定施工方案。

(3)根據(jù)總體施工計(jì)劃和分項(xiàng)的施工節(jié)點(diǎn)詳細(xì)進(jìn)行細(xì)部施工方案的優(yōu)化。組織合同段工程的內(nèi)部技術(shù)交底以及各類作業(yè)人員的崗前技術(shù)培訓(xùn)工作。

3.1.2實(shí)施階段劃分

按照工期要求及該項(xiàng)目的主要工程內(nèi)容，結(jié)合該項(xiàng)目地理位置、周圍環(huán)境及工程特點(diǎn)，組織對(duì)項(xiàng)目關(guān)鍵線路隧洞出口、斜井下游2個(gè)關(guān)鍵線路工作面進(jìn)行施工，總體施工安排如下：

(1)施工準(zhǔn)備階段，設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行試運(yùn)行并改裝，同時(shí)在隧洞內(nèi)安裝設(shè)備所需供水管線、新布設(shè)高壓風(fēng)管，降塵及排煙設(shè)施。組織好單個(gè)工序施工時(shí)間，合理安排好爆破時(shí)間。

(2)技術(shù)人員及測(cè)量人員做好技術(shù)培訓(xùn)工作，并對(duì)施工隊(duì)伍進(jìn)行技術(shù)交底。

(3)做洞內(nèi)中空孔試驗(yàn)，逐步根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整中空孔位置，直至洞身開(kāi)挖施工達(dá)到預(yù)計(jì)進(jìn)尺。

3.2 施工準(zhǔn)備及安排

(1)供水。利用原開(kāi)挖施工供水管道供水，在管道端點(diǎn)接入專用供水管道引至掌子面供水。

(2)施工供風(fēng)。由于原隧洞開(kāi)挖供風(fēng)管道為低壓風(fēng)管，中空孔施工為高壓風(fēng)，原開(kāi)挖供風(fēng)管道不能滿足中空孔施工的高壓風(fēng)管，在原管線位置下方新增Φ89×4.5高壓供風(fēng)鋼管2000m，因洞內(nèi)其他設(shè)備需正常供電，現(xiàn)有變壓器無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備滿負(fù)荷工作，在支洞和出口洞外各安置1臺(tái)295kW柴油高風(fēng)壓空壓機(jī)向各作業(yè)面履帶式鉆機(jī)提供風(fēng)壓，共進(jìn)場(chǎng)2臺(tái)柴油高風(fēng)壓空壓機(jī)和3臺(tái)大型履帶式鉆機(jī)(1臺(tái)備用)。

(3)排煙降塵。原隧洞排煙由洞外型號(hào)為SDDY-2×37kW對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙降塵及供風(fēng)，因中空孔施工過(guò)程中機(jī)械排煙及鉆孔過(guò)程中粉塵較多，無(wú)法滿足正常排煙及供養(yǎng)。該項(xiàng)目采用移動(dòng)抽入式風(fēng)機(jī)并安裝鋼絲風(fēng)帶將掌子面煙塵抽排至距離工作面100m以外，并合理利用霧炮機(jī)降塵。采用移動(dòng)抽入式風(fēng)機(jī)(由新購(gòu)入兩臺(tái)柴油三輪車運(yùn)輸)可解決掌子面斷面狹小及占用正常通道等問(wèn)題。

(4)組織設(shè)備進(jìn)場(chǎng)改裝，試運(yùn)行和試驗(yàn)。設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行調(diào)試，因隧洞斷面小，底端寬度為2.4m，施工過(guò)程中可利用空間約1.8m，為滿足施工條件，由租賃廠家專業(yè)技術(shù)人員對(duì)履帶式潛孔鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改裝調(diào)試，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)需求。

(5)組織施工隊(duì)伍、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)?？紤]洞內(nèi)施工設(shè)備磨損較大，按5個(gè)月考慮，每月每作業(yè)面消耗1套沖擊器及鉆頭，共需消耗10套；每月每作業(yè)面消耗8m鉆桿，共需消耗80m，進(jìn)場(chǎng)時(shí)備好這些易損件。

3.3 中空孔施工

計(jì)劃此次中空孔爆破施工范圍為隧洞出口至支洞下游里程段(K2+640～K0+855，共1785m)隧洞洞身開(kāi)挖支護(hù)，其中截至目前出口剩余694m(Ⅳ級(jí)圍巖659m，Ⅲ級(jí)圍巖35m)，支洞下游剩余899m(Ⅳ級(jí)圍巖649m，Ⅲ級(jí)圍巖250m)，該線路主要位于丘陵地帶，埋深約30m。

3.3.1人員機(jī)械及輔助設(shè)施組織情況

(1)根據(jù)爆破設(shè)計(jì)情況，人員機(jī)械增加情況見(jiàn)表1。

表1 人員機(jī)械增加情況表

為保證洞內(nèi)履帶式潛孔鉆機(jī)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)及維修保養(yǎng)，備用一臺(tái)。

(2)排煙及輔助施工設(shè)施，見(jiàn)表2。

表2 排煙及輔助施工設(shè)施表

3.3.2中空孔施工方案

(1)工程結(jié)構(gòu)

本次中空孔施工設(shè)計(jì)的內(nèi)容為隧洞洞身范圍1785m。其中隧洞洞身為曲墻拱形斷面，內(nèi)輪廓尺寸為3.2m×3.2m，有效面積為8.3 m2，有效周長(zhǎng)為10.373m。隧洞涉及Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖及Ⅴ級(jí)圍巖共三種。Ⅲ級(jí)圍巖外輪廓尺寸為3.96m×3.98m，每延米挖方量為13.41m3。Ⅳ級(jí)圍巖外輪廓尺寸為4.22m×4.16m，每延米挖方量為15.19m3。Ⅴ級(jí)圍巖外輪廓尺寸為4.38m×4.38m，每延米挖方量為17.00m3。本方案施工包括2個(gè)斜井，2號(hào)斜井連接隧洞終點(diǎn)至3號(hào)斜井由K0+855.0處與隧洞銜接。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧洞施工結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

(2)總體方案

根據(jù)工程要求、圍巖性質(zhì)、設(shè)計(jì)斷面尺寸，工期計(jì)劃及爆破施工特點(diǎn)，該項(xiàng)目計(jì)劃利用爆破時(shí)間段以外的夜間施工段，組織開(kāi)展中空孔爆破施工方案，在掌子面豎向施工3個(gè)直徑為200mm的圓形孔深度7m，保證每天施工開(kāi)挖2循環(huán)，增加臨空面，提高爆破效率，有效提高循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺[6-7]。

在掌子面增加中空孔開(kāi)挖施工的關(guān)鍵工藝是有效提高循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺。爆破流程如圖2所示，中空孔開(kāi)挖位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 隧洞爆破流程圖

圖3 中空孔開(kāi)挖位置關(guān)系圖

為降低掘進(jìn)爆破的地震效應(yīng)，設(shè)計(jì)采用毫秒延遲的起爆技術(shù)[8-14]。在增加開(kāi)挖進(jìn)尺的同時(shí)，控制爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保在圍巖穩(wěn)定的情況下，提高單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺。根據(jù)隧洞暗洞設(shè)計(jì)圖紙資料可知，巖石性質(zhì)主要有Ⅲ、Ⅳ兩種級(jí)別圍巖，為確保施工安全，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)要求、施工進(jìn)度等因素，確定單循環(huán)進(jìn)尺為2.5～3.0m。

開(kāi)挖邊界的周邊孔應(yīng)采用光面爆破，以減弱爆破作用對(duì)隧洞圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)使開(kāi)挖輪廓線平整，減少超挖和欠挖?？紤]到圍巖軟弱的實(shí)際情況，應(yīng)設(shè)計(jì)選取較小的炮孔間距和較小的線裝藥密度，孔距在40～50cm選取，線裝藥密度在0.1～0.2kg/m選取。

在條件允許情況下，施工中應(yīng)選用低爆速、小直徑的爆破藥卷，炸藥爆速最好在2200m/s左右，藥卷直徑為20～24mm，并且采用徑向不耦合和軸向不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，以削弱爆轟氣體對(duì)炮孔壁圍巖的強(qiáng)沖擊作用，避免爆破在炮孔周圍產(chǎn)生粉碎壓縮圈，進(jìn)一步縮小爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)范圍。

為了獲得較好的光面爆破效果，光爆孔設(shè)計(jì)選用多段藥卷間隔裝藥的方式。

采用毫秒延期起爆技術(shù)，控制一次起爆藥量產(chǎn)生的振動(dòng)小于保護(hù)目標(biāo)的允許振動(dòng)值。

(3)中空孔施工安排及工期優(yōu)化效果

該項(xiàng)目引進(jìn)鉆孔設(shè)計(jì)，因項(xiàng)目施工的引水隧洞斷面小，可操作空間有限，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改裝，同時(shí)支洞下游圍巖與出口圍巖斷面及圍巖等級(jí)參數(shù)不同，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)調(diào)整中空孔位置關(guān)系，具體安排時(shí)間見(jiàn)表3和表4。

表3 設(shè)備調(diào)試及改裝時(shí)間安排表

表4 工期對(duì)比表

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)中空孔新工藝爆破技術(shù)在某輸水隧洞工程的運(yùn)用進(jìn)行總結(jié)，從技術(shù)準(zhǔn)備、實(shí)施階段劃分、施工準(zhǔn)備及安排到中空孔施工全流程梳理，對(duì)中空孔爆破施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)采用履帶式潛孔鉆機(jī)打孔，調(diào)整爆破鉆孔位置及孔深、采用毫秒延遲起爆等技術(shù)手段，有效提高循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺的同時(shí)，控制爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使開(kāi)挖輪廓線平整，減少超挖和欠挖，最終將施工工期從原計(jì)劃的2021年9月30日提前到2021年1月25日。文章尚未分析中空孔新工藝爆破技術(shù)在隧洞應(yīng)力變形方面的優(yōu)勢(shì)，將在今后進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)的研究。