中部引黄工程穿越忻保高速隧洞施工爆破方案比选

于 韬

（山西省水利厅，山西 太原 030002）

1 工程概况

山西中部引黄工程是山西省“十二五”规划大水网建设中的一项重要工程，该工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括4市16个县（市、区）。

本工程输水总干线由1～4号隧洞、渡槽及沿线分水口等建筑物组成。隧洞总长197.7km，其中总干2号隧洞长约29.105km，设计流量5.98m3/s，设计纵坡1/3000。根据工程总体布置情况，本工程总干线2号隧洞与新建忻保高速公路官地坪2号隧道附近交叉1次。忻保高速公路为两条平行的道路，左、右两条道路中心间距约58.0m，线路宽均为12.25m。

2 交叉段设计方案

2.1 平面布置

本工程输水总干线由北向南布置，忻保高速公路为东西向。忻保高速公路官地坪2号隧道为两条平行的单向隧道，隧洞最大宽度10.86m。引黄总干2号隧洞与新建的忻保高速公路官地坪2号隧道的右洞中心线和左洞中心线交叉，交叉角度80.81°，考虑15m的保护范围，长约100m。

2.2 竖向布置

本工程2号隧洞从忻保高速公路官地坪2号隧道下部穿越。官地坪2号隧道右洞路面（洞底）高程为1030.15m，最低开挖高程1027.87m，与之交叉的总干2号隧洞洞顶开挖高程1023.5m，间距4.37m；官地坪2号隧道左洞路面（洞底）高程为1029.98m，最低开挖高程1027.70m，与之交叉的引黄总干2号隧洞洞顶开挖高程为1023.48m，间距4.22m。

2.3 断面设计

2号隧洞穿越段全长91.11m，为岩石洞段，Ⅴ类围岩，采用城门洞形断面。洞净宽4.2m，净高5.1m，直墙段高3.0m，设计水深3.52m，顶拱中心角180°，半径2.1m，衬砌厚度0.4m。内挂直径8mm，间距150mm×150mm的钢筋网，喷C20混凝土12cm厚；顶拱范围内设直径25mm的系统锚杆，长2.0m，间排距1.0m，呈梅花型布置；全断面C25钢筋混凝土衬砌，顶拱100°范围内回填灌浆，灌浆压力0.2MPa。局部地段根据围岩破碎程度，采用20a工字钢加直径25mm超前锚杆或20a工字钢加直径42mm超前小导管超前支护。

3 地质资料

本工程2号输水隧洞在该段隧洞围岩为奥陶系中统峰峰组泥灰岩。洞顶距离官地坪2号隧洞左右洞面开挖底高程分别为4.22m，4.37m，根据《水利水电工程地质勘察规范》，该段隧洞围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌。建议围岩单位弹性抗力系数K0=50～100MPa/m，坚固系数fk=0.5～1.5，泊松比μ=0.35～0.45，变形模量0.05～0.5GPa。

4 施工方案

根据公路隧道及输水隧洞地质资料，对以下可能的方案进行比较：常规爆破开挖方案、静态爆破开挖方案、静态爆破开挖结合超前小导管灌浆支护方案及常规爆破开挖结合公路隧道内固结灌浆方案。

4.1 常规爆破方案

4.1.1 施工方案依据

本工程总干2号隧洞穿越忻保高速公路官地坪2号隧道，上下最小中距为4.22m，如不科学控制装药量，输水隧洞穿越段爆破作业将对公路官地坪2号隧道结构形成危害。为保证车辆的行驶安全和隧道的运行安全，输水隧洞穿越段石方洞挖设计为控制爆破的施工方法，采用短开挖、打浅孔、装少药、弱爆破、强支护的控制爆破施工工艺。

总干2号输水隧洞断面面积约20m2，为减少爆破总装药量并达到控制爆破的目的，采用下导洞分部开挖法，即先在断面底部中心开挖超前导洞，然后一次性扩挖剩余断面，隧洞周边采用光面爆破。

4.1.2 爆破安全距离确定

爆破振动安全允许距离按下式计算：

式中：R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；

V——保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；

K，α——与爆破点到保护对象之间的地形、地质条件相关的系数和衰减指数，通过现场试验确定。

4.1.3 一次爆破最大单响量的确定

根据输水隧洞的布置方案，公路隧道与输水隧洞相对高差4.22m，据此可算出一次爆破最大允许单响药量。

根据建筑物情况及规范要求，安全允许质点振动速度15～20cm/s，依据地质资料，输水隧洞围岩类别为Ⅴ类，属软岩，K值为250～350、α值为1.8～2.0，据此计算的一次爆破最大允许装药量为0.7～1.15kg。

4.1.4 存在问题

根据爆破设计，如开挖进尺为1m，掏槽孔、辅助孔及周边孔单孔装药量在0.4～0.6kg之间，根据以上计算结果，最大单响药量仅1～2孔，无法满足爆破设计要求。经灌浆加固处理后，输水隧洞围岩类别为中硬岩，K值为150～250、α值为1.5～1.8，据此计算的一次爆破最大允许单响药量1.5～3.0kg，可基本满足爆破设计要求。

4.2 静态爆破方案

静态破碎法亦称无声爆破法，其原理是人工造孔后，利用装在炮孔中的静态破碎剂经水化作用，产生巨大膨胀压力，并施加给孔壁，从而使岩石胀裂，产生裂缝，经过一段时间后达到最大值，将介质破碎，达到开挖的目的。

采用直径40mm钻头钻孔，钻孔方向一般为垂直钻孔，布孔方式按梅花型布置，进尺按1m考虑，孔距25cm左右，孔深5～10cm。钻孔直径与破碎结果有直接关系，钻孔过小，不利于药剂发挥效力；钻孔过大，易冲孔。

根据水灰比，量取一定量配制好的溶液，用拌和铲充分拌和均匀，成为无团块、易流动的浆液。拌和时间不少于2min，人工一次拌和量不超过5kg。

把拌和好的药从桶中直接灌注到已钻好的炮孔中至灌满为止，用略小于钻杆的捅杆捅实捅紧。灌注前应检查孔中有无积水，如有积水排干后才能灌药，流动性差的药液不能再掺水使用。

在工程静态破碎法的使用中，硬岩开裂时间为12h左右，低温情况下开裂时间会适当延长，软岩开裂时间为4～6h左右。本工程属软质岩石，用药量一般为8～10kg/m3。

方案优点：破碎剂不属于危险物品，因此在购买、运输、保管和使用中不受任何限制；施工过程安全，不存在炸药爆破时产生的震动、空气冲击波、飞石、噪音、有毒气体、粉尘、爆破振动等危害；施工简单，破碎剂用水拌合后，装入炮孔即可，无需堵塞。

方案缺点：施工周期长、造价高。由于静态破碎剂能量不如炸药威力大，钻孔多且多为水平及倾斜孔，装药比较困难。破碎效果受气温及施工人员的经验影响大，同时由于该段隧洞围岩工程地质为Ⅴ类，围岩极不稳定，变形破坏严重，一旦采取措施不当，开挖时围岩可能产生变形，施工存在安全隐患。

4.3 静态爆破开挖结合超前小导管固结灌浆支护方案

静态爆破方法同前。超前小导管固结灌浆支护方案如下：

超前小导管注浆：超前小导管的钢管（开孔管）采用直径42mm热轧钢管，壁厚3.0mm，钻孔深4.5m。管棚布置在顶拱部位，单根钢管长5.0m，钢管间距0.4m。钻孔方向与洞轴线呈3°交角，偏向洞外。循环搭接长度1.5m，掌子面外露0.5m，超前小导管与下部横向架设的型钢拱架（或钢格栅）焊接。灌浆材料采用水泥浆（有堵水要求时采用化学材料），灌浆压力不高于0.2MPa。超前小导管注浆的有效长度为3m。

钢支撑：钢支撑型号为工字钢20，1m一榀。

该方案综合了静态爆破和超前固结灌浆的优点，但施工周期长、造价高。

4.4 常规爆破开挖结合公路隧道内固结灌浆方案

首先在公路隧道内自上而下对输水隧洞进行固结灌浆，然后进行爆破开挖。根据实际情况，孔位采用梅花型错孔布置，沿公路隧洞方向灌浆，灌浆宽度12m（输水隧洞外各延4m），垂直公路隧道方向宽度为隧洞净宽，间排距均为2m。采用纯压式分段灌浆法自下而上灌注，一次钻孔到底，然后自下而上分段灌注，在凝固前进行上层灌注，使全孔得以复灌，从而保证灌浆量，提高灌浆质量。

方案优点：在公路隧道内采用自上而下的固结灌浆方法，可沿公路隧道方向将固结灌浆的范围扩大，确保灌浆质量，同时对围岩进行固结灌浆，有效解决了围岩开挖的变形问题，可提高固结灌浆及输水隧洞开挖的速度。

方案缺点：在公路隧道内进行固结灌浆，可能影响该段高速公路正常交通，同时爆破可能产生一定的震动。但采用小药量控制爆破，可以减轻或消除对公路隧道产生的影响。

5 建议

通过以上方案比较，从施工可靠性和安全性来讲，采用常规爆破开挖结合公路隧道内固结灌浆方案或静态爆破开挖结合超前小导管固结灌浆支护方案均是可行的。但从工程进度考虑，建议采用常规爆破开挖结合公路隧道内固结灌浆方案。