新疆輸水工程喀雙引水隧洞爆破技術(shù)與施工方案研究

張福林

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

1 引言

水不僅是人賴以生存的必備物質(zhì)，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1-2]，但是我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，水資源分配存在明顯的不均勻性，從而導(dǎo)致水資源缺乏地區(qū)的發(fā)展受到很大的限制[3]。因此，根據(jù)我國(guó)地區(qū)全面發(fā)展的相關(guān)政策，從水資源這一重要基礎(chǔ)物質(zhì)出發(fā)，使得越來(lái)越多的跨流域遠(yuǎn)距離調(diào)水工程得到人們的重視和發(fā)展[4-5]，遠(yuǎn)距離調(diào)水工程難免需要穿越不同的地質(zhì)地形，穿越山嶺地區(qū)等就需要建造引水隧洞，因此對(duì)于引水工程中的施工技術(shù)要求也越來(lái)越高[6-7]。

盾構(gòu)法或者TBM等施工方式近年來(lái)在地下工程中得到較為廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于一些較為特殊的圍巖或者施工環(huán)境較為復(fù)雜的條件下，傳統(tǒng)的爆破施工還是十分重要的[8-9]。爆破施工控制較難，施工不當(dāng)不僅容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，也會(huì)給后續(xù)施工帶去挑戰(zhàn)，從而增加施工難度和成本[10-11]。

本文以新疆YEGS二期輸水工程喀雙段某一引水隧洞為研究背景，通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件充分了解的基礎(chǔ)之上，調(diào)整爆破參數(shù)和施工工藝，保證爆破的施工質(zhì)量，滿足施工規(guī)范要求。

2 工程概況

2.1 工程概況

喀雙隧洞沿線途徑G216國(guó)道及S424、S228和S432省道，工程區(qū)線路總長(zhǎng)約為283.4 km。本項(xiàng)目爆破隧洞研究位于奇臺(tái)縣境內(nèi)，標(biāo)段長(zhǎng)度為9.1 km，其中Ⅳ級(jí)圍巖8.016 km，Ⅴ級(jí)圍巖1.091 km。開(kāi)挖斷面為城門洞型，Ⅳ級(jí)圍巖斷面尺寸6.74 m×6.69 m(寬×高)，Ⅴ級(jí)圍巖斷面尺寸6.9 m×6.82 m(寬×高)。襯砌斷面為馬蹄形，Ⅳ級(jí)圍巖一次支護(hù)厚度15 cm，Ⅴ級(jí)圍巖一次支護(hù)厚度18 cm。洞身支護(hù)采用濕噴機(jī)噴射C30混凝土。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地形地貌、地層巖性及施工方法，該段隧洞長(zhǎng)8.016 km，該段位于卡拉麥里山南坡，地形由北向南緩慢傾斜，沿線地形起伏小，地形平坦、開(kāi)闊。地層巖性為二疊系砂礫巖和砂巖夾泥巖，厚層狀，巖體完整，巖石飽水后抗壓強(qiáng)度極低，開(kāi)挖失水后易崩塌，圍巖穩(wěn)定性較差。二疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖自由膨脹率為49.5%，為弱膨脹巖，該段為Ⅳ類圍巖。隧洞沿線地表水貧乏，工程區(qū)范圍內(nèi)氣候干燥和降水少。區(qū)內(nèi)巖石完整性良好，裂隙貫通性差，裂隙水量較小，地下水與降水相關(guān)。

3 隧洞施工爆破設(shè)計(jì)

本標(biāo)段圍巖為Ⅳ和Ⅴ類圍巖，采用全斷面爆破法進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制每一循環(huán)的超欠挖，對(duì)局部欠挖部位采用小型挖掘機(jī)與人工操作風(fēng)鎬處理，如有大面積欠挖應(yīng)重新進(jìn)行爆破施作。實(shí)際進(jìn)尺根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況進(jìn)行確定，在圍巖破碎地段采取短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)或免爆開(kāi)挖，杜絕僥幸心理冒險(xiǎn)作業(yè)。

鉆爆設(shè)計(jì)思路是周邊采用光面爆破，核心掏槽采用楔型掏槽，減輕對(duì)圍巖擾動(dòng)，控制圍巖的超欠挖，達(dá)到良好的輪廓成形。當(dāng)巖性發(fā)生變化時(shí)，遇到巖層破碎段時(shí)，需根據(jù)具體爆破情況進(jìn)行調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺及布孔方式，或重新進(jìn)行爆破試驗(yàn)確定爆破參數(shù)。

3.1 循環(huán)進(jìn)尺確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，Ⅳ類和Ⅴ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺不同。本工程Ⅳ類和Ⅴ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺分別按2 m和1.0 m計(jì)算，具體循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況而定，當(dāng)遇到巖層情況較差時(shí)，根據(jù)具體爆破施工情況實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 爆破參數(shù)選擇

(1)孔徑φ及炮眼深度

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)施工鉆孔設(shè)備為YT28手風(fēng)鉆，因此本次試驗(yàn)初擬掏槽孔、崩落孔、底孔及周邊孔孔徑均為φ45 mm；Ⅳ級(jí)圍巖除挖槽孔及底板洞深度l=2.2 m，周圍眼、輔助眼炮口深度l=2.1 m；圍巖挖孔、板洞深度l=1.2 m以外，其余的周圍眼、輔助眼和現(xiàn)場(chǎng)的l=1.1 m以外的炮孔。

(2)藥卷直徑d

在實(shí)際應(yīng)用中，我們采用直徑為φ32 mm的巖石乳化炸藥，周圍用2號(hào)巖石乳化炸藥，沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行半切(相當(dāng)于φ20小藥卷)，即周圍不耦合系數(shù)d=45/20=2.25，符合d=2.0～2.5的要求。

(3)爆破器材及裝藥結(jié)構(gòu)

采用條形乳化炸藥，藥卷直徑φ32，雷管以非電毫秒的雷管為主，保證爆破質(zhì)量，光面炸破可用導(dǎo)爆索引爆。除周圍眼外，其余均采用耦合裝藥，起爆時(shí)采用反向爆炸。

(4)周邊眼間距(E)、最小抵抗線(V)和相對(duì)距系數(shù)(K)

斷面跨度大與最小抵抗線可成正相關(guān)，巖石硬度與最小抵抗線成反相關(guān)?？紤]隧洞主要含極軟巖，故最小抵抗線(V)為0.40 m～0.60 m。相對(duì)距系數(shù)與爆破效果密切相關(guān)。考慮到巖石節(jié)理發(fā)育情況，間距取值在40 cm左右，最小抵抗線值取60 cm。

3.3 裝藥量計(jì)算

爆破裝藥量和炮眼數(shù)量計(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)和式(2)。

q=QEV

(1)

N=qS/ηγ

(2)

式中：q為裝藥集中度，kg/m；Q為單位體積耗藥量，g/m3；E為周邊眼間距，m；V為最小抵抗線，m；N為炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼；S為開(kāi)挖段面積，m2；η為裝藥系數(shù)，即裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度的比值；γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到主洞Ⅳ類圍巖q=0.178 kg/m；主洞Ⅴ類圍巖q=0.158 kg/m。主洞Ⅴ類圍巖炮孔數(shù)量為120個(gè)，主洞Ⅳ類圍巖炮孔數(shù)量為123個(gè)。主洞爆破設(shè)計(jì)炮眼布置示意見(jiàn)圖1。主洞單每個(gè)循環(huán)不同圍巖所使用是炸藥量見(jiàn)表1和表2。

表1 主洞單循環(huán)Ⅳ類圍巖炸藥消耗表

表2 主洞單循環(huán)V類圍巖炸藥消耗表

(a)Ⅳ類圍巖

(b)Ⅴ類圍巖

3.4 起爆方式及爆破網(wǎng)絡(luò)

本工程通過(guò)簇聯(lián)法將電雷管起爆非電毫秒雷管，將發(fā)電雷管與非電毫秒雷管連接，起爆先后通過(guò)非電毫秒雷管的延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)。從掏槽孔逐圈向外爆破，為保證周邊孔準(zhǔn)爆，通過(guò)毫秒雷管和導(dǎo)爆索對(duì)周邊孔達(dá)到共同起爆的效果。

4 爆破技術(shù)要求及爆破物品使用安全措施

4.1 爆破技術(shù)要求

①測(cè)量放線：設(shè)備主要是徠卡TS09全站儀和徠卡350M電子水準(zhǔn)儀，由專業(yè)人員負(fù)責(zé)測(cè)量工作，通過(guò)測(cè)量檢查和復(fù)查，確保測(cè)量控制工序質(zhì)量，確保隧洞貫通誤差符合規(guī)范要求。②鉆孔作業(yè)：由技工進(jìn)行鉆孔施工；炮由工程師進(jìn)行檢查。③采用不耦合裝藥，按設(shè)計(jì)線裝藥量每隔150 mm把藥卷捆在導(dǎo)爆索上。為防止彎曲，可利用竹片固定。④通風(fēng)和灑水除塵：爆破后利用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，打開(kāi)工作面設(shè)置的噴水霧裝置，灑水除塵，并及時(shí)排除石渣內(nèi)的炮煙。

4.2 爆破物品使用安全措施

①爆破相關(guān)裝備的輸送：爆破相關(guān)裝備的輸送必須提前向相關(guān)的公安部門申請(qǐng)，使用合格的運(yùn)輸工具。②工程現(xiàn)場(chǎng)的重要位置及易出現(xiàn)安全事故等地區(qū)應(yīng)放置明顯的告警標(biāo)志，并采取圍欄等相關(guān)的防護(hù)措施。③爆破相關(guān)設(shè)備的裝車和卸車等過(guò)程，必須有專人負(fù)責(zé)，并做好警示工作；轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)注意避免引發(fā)設(shè)備損壞或者爆破；對(duì)搬運(yùn)工人必須進(jìn)行事先培訓(xùn)工作，掌握搬運(yùn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，如輕拿輕放、避免嚴(yán)重踩踏、嚴(yán)禁攜帶明火以及保持足夠間距等。④爆破時(shí)必須設(shè)置安全線，安全線一般距離爆破中心不應(yīng)小于300 m，爆破作業(yè)開(kāi)始時(shí)需要清理安全線以內(nèi)的所有人員、動(dòng)物及重要物品，并且提前進(jìn)行預(yù)警，整個(gè)過(guò)程必須有專業(yè)的人員負(fù)責(zé)監(jiān)督。爆破作業(yè)結(jié)束后，不能著急進(jìn)入安全線以內(nèi)，需要經(jīng)過(guò)專業(yè)人員確保安全后方可進(jìn)入安全線以內(nèi)。⑤隧洞爆破安全注意事項(xiàng)。裝藥時(shí)必須用木棍進(jìn)行壓實(shí)工作；爆破工作進(jìn)行過(guò)程時(shí)，人員、動(dòng)物和相關(guān)設(shè)備物品等均要撤離至安全線以外；爆破過(guò)后保持現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)，通風(fēng)時(shí)間至少15 min以上；如果遇到盲炮，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理，處理好之后方可進(jìn)行下一步施工工作。

5 結(jié)論

(1)本文以新疆YEGS二期輸水工程喀雙段引水隧洞為研究背景，針對(duì)含軟弱圍巖隧洞鉆爆法施工過(guò)程中出現(xiàn)超挖現(xiàn)象嚴(yán)重及圍巖穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，調(diào)整爆破設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格控制每一循環(huán)的超欠挖處理。

(2)針對(duì)Ⅳ和Ⅴ類軟弱圍巖自穩(wěn)性較弱的特點(diǎn)，在圍巖破碎地段采取短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)進(jìn)行超前支護(hù)或免爆開(kāi)挖。

(3)通過(guò)實(shí)際施工情況，調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺、布孔方式及裝藥量等施工參數(shù)，保證爆破施工安全及工程進(jìn)度。