非爆破技术在小直径隧洞开挖中的应用

吴伟民

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)



非爆破技术在小直径隧洞开挖中的应用

吴伟民

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

根据隧洞开挖对爆破震动控制的特殊要求，结合工程的施工条件和施工特点，选择合适的非爆破开挖方法，并对爆破方案、参数进行优化设计，合理确定施工顺序和方法、设备及材料配置、工程质量与安全控制等，确保了工程进度和施工安全。图5幅。

非爆破技术；小直径；隧洞；开挖

1 概 述

福建省沙县城南水厂是“福建省重点建设工程项目”之一，工程主要由水源及取水工程(双溪水库)、原水输水管线工程、净水厂工程和清水输配水管线工程组成。水厂设计规模为近期7.5万 m3/d，远期15万 m3/d。城南水厂建成后，结合现有的供水工程，可满足沙县城区工业及城乡29.0万人的生产和生活用水需求。

水厂原水输水管线工程由供水隧洞、供水管道、出口蓄水池及弃水渠工程组成，其中隧洞出口段邻近向莆铁路。为了保证在施工过程中不影响向莆铁路罗布隧道的正常运营，同时不对铁路的轨道、电缆槽、接触网等设备造成安全影响，根据南昌铁路局的要求，必须严格控制爆破震动。然而，一般的爆破震动控制技术只能最大限度地降低爆破震动，对振速控制波动性较大，难以满足本项目的技术要求。因此，结合本工程的施工条件和施工特点，选择合适的非爆破隧洞开挖方法，对保证施工质量、加快进度、降低费用、满足工程安全要求具有重要意义。

2 非爆破开挖方法选用

非爆破隧洞开挖方法的技术难度大，属于新工艺，国内类似的施工项目还不多，设备、技术、材料均处于不断完善中。近年来，在工程中应用的非爆破隧洞施工技术主要有：顶管开挖法、悬臂掘进机开挖法、水磨钻钻孔+(静力爆破剂)+液压或冲击劈裂机劈岩法、水磨钻钻孔+割岩机割岩+静力爆破剂劈岩法、盾构技术等。

顶管开挖法、悬臂掘进机开挖法一般用于土层、卵石混合土、强风化或单轴抗压强度小于60 MPa的软岩隧道开挖；盾构技术的一次性投入大，对作业人员的操作技能要求较高，但掘进效率高、质量好，适用于洞径较大、隧洞较长的大型隧洞开挖。本工程隧洞开挖长度为170 m，隧洞开挖断面为2.5 m×2.9 m(宽×高)的城门型断面；隧洞工程地质条件较好，岩石为中细粒花岗闪长岩，致密坚硬，岩性单一，地下水对隧洞施工影响小，大部分围岩为Ⅱ～Ⅲ类，围岩基本稳定。工程量少、洞径小、工程地质和水文地质条件较好的特点决定了在满足工程进度和质量的前提下，应尽量选择施工工艺简单、设备少的施工方法。

3 非爆破开挖方案设计

根据工程规模、地形地质、水文地质、施工条件、进度计划、人员及技术装备等情况，经过多方案的技术经济比较，本工程确定采用“水磨钻钻孔+静力爆破剂加热膨胀劈岩+周边钻孔劈岩机修整”的施工方法，其基本设计思想是：

(1)首先确定流水强度。本工程计划施工工期为18个月，故隧洞开挖流水强度采用一日一循环，循环进尺为1 m，能够满足工期要求。

(2)选择施工程序和方法，即确定每个循环段上临空面的位置。方案编制时分别采用了“沿开挖断面轮廓线钻孔造槽”和“在开挖断面中心钻孔造槽”—“掏心法”两种获取临空面的方法进行比较；考虑到“掏心法”钻孔的工作量比前者小很多，施工中选择采用“掏心法”制造临空面。

(3)整体规划一个掌子面上的施工分段情况。由于开挖断面较小，故计划分3段进行施工，各段钻孔位置、孔距、排距和孔径如下所示(见图1～图4)

图1 第1段开挖钻孔布置

图2 第2段开挖钻孔布置

图3 第3段开挖钻孔布置

图4 开挖断面钻孔总布置

(4)确定静力爆破剂的品种和加药量。药剂的品种和数量直接影响岩体解裂效果，根据“无振动、无飞石，无噪音、无污染”的原则，本工程选用SCA—Ⅰ加热膨胀型静力爆破剂，1个孔的加药量约为孔深的60%左右。岩体解裂后，再采用液压劈裂机劈岩撬挖清除岩石。

(5)对开挖断面周边采用风钻钻孔、劈岩机劈岩的方法进行修整。

4 非爆破开挖施工

4.1 非爆破开挖施工

(1)施工准备。根据围岩级别和水文地质情况进行开挖与支护方法比选，并结合现场人员、机械配置情况制定施工方案和参数，确保施工安全，施工方案经济、合理(见图5)。

(2)确定非爆开挖断面。根据隧道整体开挖断面及掏槽区大小，按照隧洞“掏槽、扩挖、成型、支护”一天一循环进行组织。考虑到在周长相同的条件下圆形面积最大，非爆破开挖断面采用圆形。同时，为满足作业人员操作需要，应搭设简易作业支架，并做到一次搭设能完成一次作业循环的全部钻孔。

(3)测量放线、布孔。由测量人员根据隧道洞内控制导线精确测设出劈裂开挖断面的圆心，然后按图4所示，在掌子面上标出各开挖段钻孔的中心位置。

图5 施工工艺流程

(4)搭设简易台架。用于钻孔和岩体劈裂的台架采用脚手架搭设，台架搭设应牢固，强度和稳定性满足要求，尽量减少作业时的晃动，以保证施工安全和钻孔精度。根据施工需要，台架面距隧洞顶部80 cm、宽2 m(左右侧各1 m)左右，以便于人员操作和水磨钻悬吊。

(5)第1段孔开挖(掏心)

①利用倒链将水磨钻悬吊在作业台架上，并安装可以调节水磨钻横向位置的支撑架，然后上下左右调整水磨钻位置，检查水磨钻能否顺利到位。开机检查水磨钻运转正常后，人工手持取芯钻在图1的二环线上采用以相割圆方式按水平方向施钻取芯，形成连续槽道临空面，将岩心与周围岩体分开，孔距70 mm，水磨钻钻孔孔径100 mm；相邻两个钻孔相割30 mm，每次钻取深度1 000 mm左右。每台钻机由3～4人操作，完成1个孔钻取芯时间约为5～10 min。

②用YT28凿岩钻机在一环线上钻劈裂孔，孔距50 mm、孔径42 mm，每次钻取深度1 000 mm左右。

③采用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入静力爆破剂，按一个操作循环所需要的药卷数量，放在盆中，倒入洁净水完全浸泡。30～50 s左右药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，孔口留5 cm用黄泥封堵，以保证水分和药剂不流出。在装药过程中，必须做好联线工作，同时用万能表逐一检查是否通电；然后将线联接到小型发电机，使用380 V的电压加热5～15 min左右，致周边岩石破裂，最后用人工清除破裂的岩体。

(6)第2段孔开挖。在图2所示的开挖圆轴线上用YT28凿岩钻机钻孔，相邻孔间距350 mm，排距350 mm，孔径42 mm，一次钻进约1 000 mm，钻劈裂孔可在搭设的简易台架前进行。然后以掏心孔形成的临空面，用静力爆破剂向临空面方向进行分裂开挖岩体，根据孔的深度决定快速膨胀剂用量多少，一般每1 m要用0.6 m的量。剩余的孔用黄土填满，然后用380 V的电压加热破碎岩体，再以人工配合液压劈岩机械清方。

(7)第3段孔开挖。在清除第二段的石碴后，按图3所示的开挖圆轴线用YT28凿岩钻机钻孔，相邻孔间距250 mm，排距250 mm，孔径42 mm，一次钻进约1 000 mm。钻孔完成后，用静力爆破剂向二段孔开挖后形成的临空面内进行分裂开挖岩体，该段由于第二段岩石破解形成了较大的临空面，劈裂效果最佳。然后再以人工配合液压劈岩机械清方，最后将自制作业台架移至掌子面处，对局部欠挖处采用气腿式凿岩机打眼，在孔内塞放静力爆破剂，使围岩开裂，并用人工手持液压劈裂机进行劈岩修边。

为保证台架、液压劈裂机管线和下部工作面安全，劈裂机将岩体分裂后，分裂出的岩块随时由人工用手推车运至距离掌子面10 m以外(实际工作时，均直接运出洞外)临时堆放，根据现场条件该工作约需3个运作人员。开挖完一个循环后，用装载机配合大车出碴至弃碴场。

(8)检查验收、信息反馈。每循环后检查施工效果，分析存在的问题及原因，及时修正相关参数，改善技术经济指标，提高开挖效率和保证施工安全。

4.2 质量与安全控制

(1)打孔质量控制。按方案中的设计孔位布置图进行测量放线，严格控制孔深、角度等技术参数。钻孔直径均采用42 mm。孔距与排距的大小与岩石硬度有直接关系，硬度越大、强度越高，孔距与排距越小；反之则大。施工中，根据此原则结合现场试验进行孔距与排距调整。

(2)装药的质量控制。本工程选用的静力爆破剂为型号SCA—I，药剂质量应符合《无声破碎剂》(JC 506—92)强制性行业标准，对检验不合格的产品不得使用。施工中，禁止边打孔边装药，打孔要一次完成，装药也要一次完成。同时，禁止打孔完成后立即装药，应先用高压风将孔清洗完成后，待孔壁温度降到常温后方可装药。药卷在灌装过程中，对已经开始发生化学反应的药剂不允许装入孔内。

(3)药剂反应时间控制。药剂反应时间一般控制在5～15 min，具体控制参数可根据现场的施工条件试验测定。

(4)安全技术控制。由于隧洞出口段距离铁路较近，影响较大，采用“短进尺、弱破岩、强支护、及时封闭、勤观测”的原则进行施工，并根据在前期非爆破洞段施工中发现的问题，不断优化循环进尺、孔眼布置及装药结构等技术参数。

5 结 语

结合工程的施工条件和施工特点，选择“水磨钻钻孔+静力爆破剂加热膨胀劈岩+周边钻孔劈岩机修整”的非爆破开挖方法，并对爆破方案、参数进行优化设计，合理确定施工顺序和方法、设备及材料配置、工程质量与安全控制等。实践证明，该非爆破技术在小直径隧洞开挖中的应用是有效、安全和可靠的。

[1]SL 279—2002，水工隧洞设计规范[S].

[2]JTG F60—2009，公路隧道施工技术规范[S].

[3]康 楠，刘元雪，余 鹏,刘秀强．地下工程非爆破开挖机械破碎法机理及应用[J]．后勤工程学院学报，2015，31(3):23_25．

[4]刘军伟，曹胜利.城际铁路暗挖隧道下穿地表建筑物非爆破施工技术[J]．隧道建设，2015，35(2):91_96．

责任编辑 吴 昊

2016-08-25

吴伟民(1965-)，男，教授级高级工程师，主要从事水利专业课程教学和水利工程设计工作。E_mail:wwm137@126.com