深孔梯段預(yù)裂爆破技術(shù)在大型地下水封洞庫施工中的應(yīng)用探索

徐鴻剛 陳雨春 叢宇 王肖珊

1中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司 重慶 401123 2青島理工大學(xué) 山東 青島 266520

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以石油及天然氣為主的能源需求量逐年攀升，能源安全有效存儲成為目前國家能源安全戰(zhàn)略的核心問題[1-3]。水封洞庫因其安全性高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，已成為能源儲備首選手段[4-6]。袁青等[7]以某特大斷面地下液化石油氣儲庫為研究對象，對爆破鉆孔孔深、孔距、單位炸藥消耗量、炮孔數(shù)目等參數(shù)進(jìn)行綜合選取，獲得了良好的分層開挖光面爆破效果。陳祥等[8]以某水封石油洞庫為研究對象，采用現(xiàn)場檢測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了爆破載荷作用下洞室圍巖動態(tài)響應(yīng)及其衰減。本文以湛江某地下水封洞庫主洞室二、三層開挖施工為例，對深孔梯段預(yù)裂爆破施工技術(shù)在地下水封洞庫工程中的運(yùn)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，以期待為類似工程項目提供借鑒。

1 工程概況

湛江某石油儲備地下水封石洞油庫工程由10條主洞室組成，洞壁與相鄰施工巷道洞壁之間凈距為40 m，相鄰主洞室之間凈距80 m。每條主洞室設(shè)計長度均為923 m，直墻圓拱截面，設(shè)計洞跨20 m，洞高30 m，底板高程-110.000 m，頂拱高程-80.000 m，屬于大跨徑洞庫。

主洞室范圍主要為微風(fēng)化~未風(fēng)化麻狀花崗巖，裂隙較發(fā)育~不發(fā)育，巖體完整，圍巖穩(wěn)定性好，主要以Ⅱ~Ⅲ圍巖為主。

2 方案選擇

主洞室二、三層空間大，有兩個臨空面，采用潛孔鉆梯段爆破開挖具有人員投入少、設(shè)備投入費(fèi)用低、施工進(jìn)度快、可以大大的縮短工期，降低成本，對施工成本及安全有利。頂層采用通常采用臺車開挖與人工開挖兩種方式，使用臺車開挖一般采用中導(dǎo)洞先行，周邊擴(kuò)挖的方式，主要考慮臺車作業(yè)半徑及開挖輪廓平整度。二層采用深孔梯段預(yù)裂爆破，三層采用深孔梯段預(yù)裂爆破+底板預(yù)留1.5m保護(hù)層水平光面爆破相結(jié)合的開挖方案。

一次起爆長度為3個循環(huán)，合計起爆長度24 m，每循環(huán)進(jìn)尺8 m。每條主洞室開挖分大小里程端兩個面開挖，實現(xiàn)鉆孔、爆破、出渣連續(xù)作業(yè)。主爆區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)、孔外延時，嚴(yán)格控制最大單響起爆藥量。主爆孔鉆孔采用垂直鉆孔，孔位布置采用梅花型布控，預(yù)裂孔外插角度3°。

圖1 主洞室梯段分層開挖示意圖

3 爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 鉆孔孔徑確定

結(jié)合本工程地質(zhì)條件結(jié)合現(xiàn)場施工機(jī)械水平，主爆孔采用D7、CM351潛孔鉆機(jī)施工，預(yù)裂孔采用ZGYX410-B鉆機(jī)施工，水平孔采用人工風(fēng)鉆鉆孔，成孔直徑為45 mm。

3.2 鉆孔深度

主洞室二層開挖高度10m，三層開挖高度8.5m，預(yù)留1.5 m保護(hù)層。采用液壓鉆機(jī)鉆孔時鉆孔底部粉塵難以吹出，孔底往往有0.5 m深的巖粉，為保證造孔深度達(dá)到設(shè)計孔深，二層在造孔時超鉆1.5 m，二層垂直孔孔深為11.5 m。三層因為預(yù)留有保護(hù)層，超鉆0.5 m，垂直孔深為9 m。為保證邊墻不存在欠挖，預(yù)裂孔外插角度取3°。

3.3 孔距和排距的確定

3.3.1 預(yù)裂孔

炮孔間距按經(jīng)驗公式a=(7～12)D 來確定。式中：a為炮孔間距；D為鉆孔直徑。當(dāng)孔徑小時取大值，孔徑大時取小值，根據(jù)本項目設(shè)備配置，深孔預(yù)裂孔徑取D=76 mm，a當(dāng)巖石均勻完整時取大值，巖石破碎時取小值，本方案取a=0.8 m。

3.3.2 主爆孔

孔距a是指同排相鄰兩個炮孔中心線之間的距離，排距b是指相鄰兩排炮孔中心線間的距離。兩者參數(shù)設(shè)置合理與否，對爆破效果均會產(chǎn)生影響。

炮孔密集系數(shù)m是指炮孔間距a與排距b的比值，即m=a/b；根據(jù)中硬巖體的爆破經(jīng)驗：保證最優(yōu)效果的孔網(wǎng)面積（a*b）是孔徑斷面積（π*d2/4）的函數(shù)，兩者比值之間是一個常數(shù)，其值為1300～1350。在臺階深孔預(yù)裂爆破中，炮孔密集系數(shù)m一般取m為0.8～1.4。最小抵抗線根據(jù)中深孔爆破經(jīng)驗公式，W=（25～30）d，取2 m，根據(jù)以上原則炮孔密集系數(shù)m取小值，可得到：

a*b=1300*(π*d2/4)

a=0.8b（m取0.8）

通過計算得：a=2.2 m，b=2.7 m。

3.3.3 緩沖孔

為了確保預(yù)裂帶的減震效果，減少主爆孔爆破對預(yù)裂面的破壞作用，在主爆孔和預(yù)裂孔之間設(shè)置緩沖孔，緩沖孔距離預(yù)裂孔1.2 m，間距1.6 m，孔深和主爆孔相同，取11.5 m。

圖2 主爆孔炮眼布置圖（單位：cm）

3.4 裝藥參數(shù)

⑴預(yù)裂孔裝藥參數(shù)

預(yù)裂孔沿洞庫邊墻布置，間距a=0.8 m，預(yù)裂孔深度11.5 m，一次起爆長度為3個循環(huán)，合計24 m。

預(yù)裂孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ32 mm*0.2 kg，長度為0.2 m，不耦合系數(shù)2.4。為克服底板夾制作用，在孔底設(shè)置加強(qiáng)藥包，采用2卷規(guī)格為Φ60 mm*1.2 kg的大藥卷。

①預(yù)裂孔線裝藥密度Qx

工程類比法（使用范圍壓R=20～200 MPa）

Qx=0.042[R壓]0.5a0.6

式中：Qx為除去堵塞長度后的預(yù)裂孔裝藥密度，g/m；

a為預(yù)裂孔孔距0.8 m，R壓為176.3 MPa。

帶入數(shù)據(jù)計算得：Qx=500 g/m

②單孔裝藥量

Q=0.5*12=6 kg，現(xiàn)場實際取6.4 kg。

⑵主爆孔裝藥參數(shù)

主爆孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格Φ60 mm*1.2 kg，長度30 cm，不耦合系數(shù)Dd=r孔/r藥=1.3。

主爆孔裝藥量：Q=qabH

式中單位炸藥消耗量q（單耗）在深孔爆破中一般根據(jù)巖石的堅硬性、炸藥種類、施工技術(shù)和自由面數(shù)量等因素綜合確定，普適公式：

q=1.1k0（f/S）0.5

式中：q為單位炸藥消耗量

k0為考慮炸藥保留的校正系數(shù)（其中：k0=525/p，p=320，p為爆炸力，mL）

S——洞室斷面面積，m2

f——巖石堅固性系數(shù)，取17

故q=1.1×1.64×（17/200）0.5=0.53kg/m3

經(jīng)計算得：Q=25.4kg現(xiàn)場實際取25.2kg。

(3)緩沖孔裝藥參數(shù)

緩沖孔間距為主爆孔最小抵抗線的50%～75%，本工程的緩沖間距取1.6m，單孔藥量為12.7kg

4 爆破振動控制

4.1 控制原則

主洞室爆破振動的影響由單段起爆藥量釋放的能量決定，一次爆破的允許裝藥量采用薩道夫斯基公式計算控制。

薩氏公式：V=K（Q1/3/R）α

由上式推導(dǎo)出：Q=R3(Vmax/K)3/α

式中：Vmax—最大允許振速（cm/s）。K、α—與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件、爆破等因素有關(guān)的參數(shù)；R—測點距爆區(qū)幾何中心距離（m）；Q—最大單段允許裝藥量（kg）。

由于庫區(qū)主要以花崗巖為主，所以選取硬質(zhì)巖，取K=50，a=1.3，R=60 m，V=2 cm/s，將計算值帶入公式中為：

Q=603(2/50)3/1.3

由此得出單段最大允許起爆藥量為128 kg。

4.2 爆破空氣沖擊波驗算

地下洞庫爆破時的沖擊波超壓可以采用波克洛夫斯基公式進(jìn)行計算。

波式公式為：

式中：

P—空氣沖擊波陣面超壓，105Pa；

S—裝藥巷道的斷面積，m2；

Q—裸露爆破TNT炸藥當(dāng)量；乳化炸藥與TNT當(dāng)量的換算系數(shù)為0.708，洞庫潛孔爆破反向起爆堵孔時的炸藥轉(zhuǎn)化為沖擊波的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.05～0.07；即Q=0.708×0.06×一次爆破乳化炸藥總藥量；

R—距爆區(qū)幾何中心距離，m；

K—系數(shù)，K=0.67。

根據(jù)中國科技大學(xué)出版社2009年出版的《工程爆破安全》所述，爆破空氣沖擊波達(dá)到0.3×105 Pa時會造成人員的聽覺損傷。根據(jù)以上計算可知，地下洞庫爆破安全防護(hù)距離嚴(yán)禁小于200m，宜按照300 m控制。

4.3 實際爆破振動的驗證

①經(jīng)武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院組成監(jiān)測小組多次進(jìn)行質(zhì)點振動速度等的監(jiān)測，爆破未造成洞室邊墻的危害，爆破質(zhì)點振動速度為0.1~1.7 cm/s，爆破振動速度滿足《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）中對于新澆大體積混凝土的最大振速為2.0 cm/s的要求，說明爆破各項參數(shù)選取較為合理。

共測試了7組。

5 工效分析

⑴臺車開挖：

爆破參數(shù)：孔數(shù)200；進(jìn)尺：4 m；出渣方量：10 m×20 m×4 m=800 m3；

出渣車數(shù)：80車

①扒渣測量：1.2小時

②雙機(jī)并打：按5個臂同時作業(yè)，擺臂及鉆孔時間按每孔6分鐘，每臂240分鐘，需5小時；

③裝藥放炮:兩個平臺車+直梯，6人一組，每人34孔，每孔4分鐘，同時聯(lián)線、警戒，需3小時；

④通風(fēng)排煙：40分鐘

⑤循環(huán)時間：16小時；

⑵潛孔鉆開挖：

①爆破參數(shù)：進(jìn)尺：8 m；出渣方量：10 m×20 m×8 m=1600 m3；

②出渣車數(shù)：150車；

③拉槽打眼：36孔，每米10分鐘，每孔90分鐘，54小時1循環(huán)，安排3臺鉆機(jī)，18小時內(nèi)完成；2臺鉆機(jī)27小時內(nèi)完成；

④裝藥放炮:裝藥5小時；

⑤通風(fēng)排煙：40分鐘

⑥循環(huán)時間：28小時；

由以上可以看出，臺車開挖8m所需時間32小時，潛孔鉆開挖8m所需時間28小時，若按照臺車4m/循環(huán)折算，每循環(huán)可節(jié)約2小時，工期相比而言，更為有保證。

6 經(jīng)濟(jì)分析

⑴臺車：臺車折舊使用費(fèi)按10萬元/月/臺計算，5臺50萬元/月，二、三層共計開挖時間按10個月計算，共需要500萬元。

⑵潛孔鉆：ZGYX410-B型潛孔鉆機(jī)每臺新機(jī)費(fèi)用26萬元，CM351型潛孔鉆機(jī)每臺新機(jī)費(fèi)用20萬元，一個作業(yè)面按2臺ZGYX410-B，1臺CM351進(jìn)行配置，四個共需要8臺ZGYX410-B型潛孔鉆，4臺CM351型潛孔鉆機(jī)。ZGYX410-B折舊使用費(fèi)（3年）按0.72萬元/月/臺，CM351折舊使用費(fèi)（3年）0.55萬元/月/臺，空壓機(jī)折舊費(fèi)（8年）0.15萬元/月/臺計算，按開挖時間按10個月計算，所需費(fèi)用為80.35萬元。

⑶從施工機(jī)械設(shè)備上節(jié)約200萬元左右。

7 結(jié)論與體會

⑴深孔梯段預(yù)裂爆破半孔率、平整度，爆破成型效果滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

⑵深孔梯段預(yù)裂爆破方案可用于大型地下水封洞庫開挖，但需要嚴(yán)格控制鉆孔精度、最大單段起爆藥量、堵塞長度及裝藥結(jié)構(gòu)。

⑶在開挖循環(huán)時間上，優(yōu)于臺車開挖，每循環(huán)節(jié)約2小時。臺車與潛孔鉆2種爆破方案從施工成本上而言，潛孔鉆比臺車開挖節(jié)約3.5元/m3，總體成本大概節(jié)約200萬元左右。

⑷通過分層裝藥，很好的解決了大塊率高的問題。底板采用水平光面爆破彌補(bǔ)了梯段爆破底板平整度差的問題。

⑸爆破過程中進(jìn)行了振動監(jiān)測，從實測值來看，質(zhì)點振動速度低于規(guī)程2.0 cm/s及設(shè)計要求控制標(biāo)準(zhǔn)5~7 cm/s，符合設(shè)計及規(guī)范要求。

⑹在能夠滿足裝渣運(yùn)輸?shù)臈l件下，可適當(dāng)增加孔距及排距，少鉆孔可減少循環(huán)鉆孔時間，同時也降低火工品單耗。應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行觀察和試驗，以達(dá)到效益最大化。