光面爆破技术在湾坞供水隧洞施工中的应用

马旺军

(渭南水利建筑工程有限责任公司, 陕西 渭南 715100 )

1 工程概况

福安市湾坞供水工程位于福安市东南部，从福安市溪柄镇调引茜洋溪水源，经赛岐镇辖区供水至湾坞镇工业区，设计日供水规模13万t。本工程由取水口、引水管道、引水隧洞、引水箱涵等组成。其中输水隧洞全长15.46 km，隧洞全线共分成4个工程标段进行施工。隧洞开挖断面为2.2 m×2.5 m和2.0 m×2.2 m的城门洞型,开挖断面积4.62～5.05 m2，各标段主洞长在4 097m 至5 598 m之间。

隧洞沿线属中低山丘陵、海积平原、冲洪积平原等地貌。出露的地层主要为侏罗系上统小溪组(J3x)和南园组(J3n)火碎屑岩组成；燕山期侵入岩；第四系堆积物等地貌。洞室埋深多在50～250 m,围岩主要为流纹质晶屑灰熔岩和花岗岩，岩石坚硬，隧洞围岩大部分稳定和基本稳定，工程地质条件较好。其中C3标段大小盘支洞为反坡出渣, 坡度为12%,支洞长度约300 m，单头掘进最大长度为1 671 m(不含支洞)。开挖工期24 个月。由于洞室开挖断面小、线路长,致使洞内的出渣、通风排水都存在许多困难。施工单位通过改造出渣机械、增加通风管、配置多型号水泵等诸多措施,加快了施工进度，隧洞光爆效果达到了设计要求,月开挖进度最高达到180 m，为长巷小断面水工隧洞开挖爆破施工提供一些借鉴意见。

2 光面爆破技术实施方案

2.1 光面爆破的技术分析

一般光面爆破效果受诸多因素的影响。装药集中度(q)、最小抵抗线(W)直接影响周边岩石的爆落效果；炮眼间距(E)、炮眼密集系数m(m=E/W)和最小抵抗(W)主要影响着周边轮廓的规整重度；半孔率主要受其不耦合系数D(D=炮眼直径/药卷直径)的影响。这些影响因素中，炮眼间距(E)、炮眼密集系数(m)、装药集中度(q)、最小抵抗线(W)、不耦合系数(D)又是实施爆破主要技术参数。只有这些参数整体处于某一合理的范围，才能达到比较理想的光爆效果。

对于隧洞掘进，光面爆破效果还受围岩地质条件、炸药特性、断面形状和大小、钻孔质量等影响。其中围岩地质条件和钻孔质量是最主要的影响因素。

通常隧洞光面爆破参数取值范围：炮眼间距E=(8～15)d，炮眼密集系数m=0.7～1.0，最小抵抗线W=(10～20)d或者W=E/m，不耦合系数D=1.5～2.0，装药集中度q=0.04～0.4(kg/m)。

2.2 光面爆破参数

(1)光面爆破参数确定方法。针对各类岩石初次选用爆破参数，在施工中可按照选定的参数进行爆破效果的测定，测量半孔率和轮廓不平整度，根据实验确定周边眼的装药量、装药结构、堵塞长度和炮眼间距等爆破参数。

通过核对地质情况，在完成爆破试验后，利用得出的药量、装药结构、堵塞长度，计算得出炮眼间距E,在参照光面爆破参数表中的相对距离E/W，定出不同的抵抗线W，再进行试验，最终得出最小抵抗线W值。

(2)光面爆破参数值(见表1)。

表1 爆破参数表

2.3 炮眼布置

2.3.1 炮眼数目设计

炮眼数目的多少直接影响每一循环凿岩工作量、爆破效果、循环进尺、洞体成型的好坏。按下式计算炮眼数目，在施工中，根据具体情况再作调整，以达到最佳爆破效果。

炮眼数目N，按下式计算：

N=q×s/rη

式中：q为炸药单耗量，取q=1.85，kg/m3；S为开挖面积，S=5.05 m2；r为每米长度炸药的重量，2号岩石销铵炸药r=0.78 kg/m；η为炮眼装药系数，取η=0.7。

经计算，N=17，光面爆破需多增加周边眼9个及空孔4个，共计30个。

2.3.2 每个炮眼的装药量

(1)掏槽眼。

Q1=η×L×r

式中：η为炮眼装药系数，取η=0.8；L为眼深，L=2.5 m；r为每米长度炸药量，r=0.78 kg/m； 经计算Q1=1.56取Q1=1.5 kg。

(2)辅助眼。

Q2=η×L×r=0.7×2.4×0.78=1.31 kg 取Q2=1.35 kg

2.3.3 炮眼爆破参数(见表2)

表2 炮眼爆破参数表

2.3.4 装药结构 周边眼采用小直径药卷不偶合间隔装药，导爆索引爆，其他炮眼采用一般药卷集中装药。所有炮眼采用炮泥堵塞，堵塞长度约为30 cm(见图2)。

2.4 光面爆破施工工艺与方法

(1)测量、放线、布眼。测量人员利用全站仪，准确定出隧道中线，断面轮廓线，并且用红油漆准确表示出来。技术人员还要经过对上次爆破效果的检查仔细核算，及时根据现场地质情况调整爆破参数，准确标示出炮眼的位置，严格控制误差不超过5 cm。

(2)钻孔。钻工采用国产YT-28 型钻机、风动手持钻机对掏槽眼、周边眼和辅助眼进行钻孔。在钻孔时使用φ25 mm钻杆、一字型42 mm合金钻头钻眼，钻孔深2.4 m。每个工作面配2台钻机同时作业，司钻手按设计划定的区域和炮眼顺序钻孔。钻孔严格按照钻爆设计图钻孔，并保证钻孔深度。

(3)清孔装药。装药前先用高压风清孔，将炮眼内的泥浆岩屑清除干净，然后按划定的区域装药连线。装药在掌子面自上而下的顺序进行，先两侧后中间，炮孔装药均采用反向装药结构。所有装药的炮眼堵塞炮泥周边眼的堵塞长度25～30 cm，其他眼的堵塞长度为35～40 cm。

(4)连接起爆。在起爆网络连接过程中采用能防水的四通管，连接线采用塑料导线，连接好后要经过炮工的仔细检查才能进行起爆作业。

导爆管连线采用“一把抓”法，配两个起爆雷管，装药结束经安全检查后起爆，各步骤按《塑料导爆管非电起爆操作原则》进行。

要保证连接的正确性和起爆的正确顺序。起爆顺序为先掏槽孔，再辅助孔，辅助孔起爆后再起爆底孔，周边孔最后起爆。

爆破作业时，要求所有人员必须撤至离开挖掌子面至少220 m处、并不受有害气体、振动及飞石伤害的安全地点，以保证所有人员的人身安全。

图1 城门型隧洞炮眼布置示意图

图2 光爆孔结构图

2.5 光面爆破质量保证措施

(1)技术人员正确标示开挖轮廓线。测量画线时要按规范和设计考虑预留变形量，还应考虑5 cm的施工误差，以免出现欠挖。

(2)采用仪器监测爆破效果和超欠情况。

(3)采用定人、定位、定钻，明确责任，保证钻孔质量。

(4)实行超欠挖奖惩措施，激发操作人员提高技术的热情。

(5)不断优化爆破设计。按预设计钻爆后，立即检查爆破效果；检查超欠挖是否在规范内，轮廓是否圆顺，进尺及爆出的石渣是否达到设计要求，根据检查的数据，进行分析计算，调整钻爆设计参数，以达到最佳光爆效果。

3 爆破开挖实施

3.1 设备配置

实际作业采用二台钻机(备用一台), 每台风钻用风量 2.4 m3/min,据此配75 kW10 m3/min电动空压机一台,压力8.5 kg/cm2,设2 m3储气筒一组; 洞外配320 kVA 变压器一台。

3.2 出渣运输

由于隧洞断面小，所以采用扒渣机装渣,用改装的三轮车( 规格长3.5 m×宽1.5 m×高1.8 m) 运输出渣, 400 m 内配二辆车( 另增加一辆备用) , 每增加 500 m 相应增加一辆车；每150 m 开挖避车道一处。

3.3 隧洞内排气通风布置

由于隧洞开挖采用支洞分段开挖,C3标段溪里隧洞洞长3 022 m, 单头掘进达1 671 m长。洞内通风、排气是施工安全的重点。由于洞线较长, 为了加快排气并使洞内空气清洁, 在单向掘进至1 000 m时采用了双管排气方法进行,即在洞内布设了两根直径300 mmPVC 排气管, 并增设5.5 kW轴流通风机一台, 通风管上下间距为60 cm, 在使用时，下管进风,上管排风, 风管中部设一台 5.5 kW 吸出式通风机。这样将洞内废气排出并将洞外新鲜空气输入, 形成对流使洞内工作面的空气尽快得到改善,洞内空气质量达到安全要求。

3.4 隧洞排水布置

C3标段溪里隧洞因受地形限制, 支洞设计为反坡, 坡度为12%,洞内排水无法自流排出,为解决这一问题，在支洞口设蓄水池一个, 容量约30 m3左右, 将洞内渗水、涌水采用高扬程潜水泵排出至洞口水池，沉淀过滤后排放至河道；其余平坡隧洞则在隧洞洞口一侧开挖约20 m3蓄水池沉淀排出。

3.5 质量问题分析与处理

(1)掌子面不平整，凹凸不平。钻眼时，周边眼和辅助眼的眼底没落在同一平面上，装药量控制不合适。

严格按照设计钻孔和装药，着重注意眼底落在同一平面的重要性。

(2)进度不符合设计要求。掏心眼倾斜过大，深度不够，炮眼数量不足。

在钻孔时，要特别注意掏心眼的角度应符合要求，保证掏心眼的深度。掏心眼装药要使用高爆力的销铵乳化炸药。适当增加辅助眼的数量和密度，也能对增加进尺起到一定作用。

(3)边缘轮廓线扭曲，不圆顺。测量放线不准确。周边眼间距过大，布眼位置不准确。

确保测量的准确性和可靠性。对周边眼参数重新设计，沿开挖轮廓布周边眼。

(4)冲天炮。炮孔堵塞不密实，炮泥堵塞长度不够，炮眼间距过大。

炮泥堵塞完成后由专人负责检查堵塞质量。适当减小炮眼间距，增加炮眼数量。

(5)盲炮。炸药受潮，雷管未爆。

在潮湿环境下使用乳化炸药。在起爆网络连接好后要认真检查起爆顺序的正确性，每根雷管应该严格控制引爆的导爆管数量。

3.6 实施效果

炸药选用 2 号岩石硝胺炸药为32×200 mm(直径×长度) 、重量 0.15 kg; 周边光爆采用直径为22 mm 的药卷, 采用非塑料导爆管和毫秒微差雷管起爆。C3标段实际炸药单耗为 3.51 kg/m3, 雷管消耗为 17.13 个/延米, 导爆管消耗为11.86 m/延米。

开挖进度得到有效控制，平均月进尺在 145 m以上。

开挖断面质量控制情况良好，隧洞开挖美观, 隧洞开挖在地质条件较好的洞段( 围岩Ⅱ、Ⅲ类)

成型规则, 洞壁开挖平整, 平整度不大于10 cm, 开挖残留半孔保存达10孔, 残留孔率达 76.9% , 光面爆破效果理想, 开挖施工中未出现安全事故( 见图3) 。

图3 光爆效果照片

4 结 语

福安市湾坞供水工程隧洞开挖小断面单向掘进长度较长,通过合理采用爆破技术参数，采用先进的通风排烟设备并进行合理布置等有效措施，获得良好效果，月开挖进尺达到了180 m。从而避免了以前由于排烟通风条件落后,爆破技术达不到安全要求,需要通过增加支洞来缩短隧洞开挖距离等所带来的投资大的弊端，为长巷小断面水工隧洞开挖工法提供借鉴。