鄂北水资源配置工程下穿石油管道输水隧洞光面爆破研究

陈长江 张 鑫 罗应贵

1 工程概况

汉东寨隧洞位于鄂北水资源配置工程桩号260+940—262+430，长1.49km。隧洞线路走向总体从西北向东南，城门洞形断面，过水断面净宽2.8m，净高3.08m，隧洞底板高程98.92～98.76m，设计纵坡1∶9600，设计输水流量3.5m3/s。隧洞沿线地面高程114～193m，相对高差约80m，为低山丘陵地形，隧洞沿线未见大的断层和破碎带。隧洞围岩为混合片麻岩，中硬岩，根据地质勘探成果，汉东寨隧洞围岩为Ⅲ～Ⅳ类，进、出口边坡易存在开挖边坡稳定性问题。隧洞处于地下水位之下，隧洞岩石渗透性较小，不存在大的涌水问题。汉东寨隧洞采用常规光面爆破钻爆法施工，隧洞开挖宽度3.7m。汉东寨隧洞施工区域内80m无建筑物，隧洞桩号261+387处上方地面有一处中石化成品油输送管道横跨，输油管道埋深约1.2m，输油管道距离隧洞顶垂直高度最近距离为40m。

2 工程要求

工程施工过程中需坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，隧洞爆破施工时，必须确保周围建、构筑物及其他设施和附近人员的安全。根据输油管道产权方中石化公司的有关要求，汉东寨隧洞下穿中石化成品油输送管道钻爆施工过程中，需确保输油管道运行安全。钻爆过程会对输油管道产生多次反复振动，爆破振动速度需小于输油管道安全允许振动速度，确保爆破过程中输油管道不受到爆破振动损伤。

根据鄂北水资源配置工程要求，隧洞工程施工质量需达到优良等级。隧洞施工时严格控制超欠挖，保证Ⅲ类围岩光面爆破效果。根据质量评定相关规范要求，Ⅲ类围岩光面爆破评定为优良等级，爆破半孔率需达到60%以上。

3 爆破设计

中石化成品油输送管道为钢管，直径324mm，材质为L415，管道壁厚为6.4～7.5mm，设计压力为9.5MPa。根据设计部门关于石油管道的材料标准要求，参考国内外类似工程的经验[1-3]，确定石油管道的安全允许振动速度为v=3cm/s。根据确定的石油管道安全允许振动速度，对爆破参数进行设计，确保输油管道处爆破振动速度在安全允许振动速度范围以内。

3.1 爆破原始参数

Ⅲ类围岩隧洞开挖断面S=12.3m2，如图1所示。

图1 Ⅲ类围岩隧洞开挖断面（单位：cm）

汉东寨隧洞围岩为混合片麻岩，六类土，属次坚石，坚石系数f为4～10，密度为2200～2900kg/m3，Ⅲ类围岩。隧洞开挖方式为全断面爆破开挖，炸药为2号岩石乳化炸药。雷管选用安全型半秒延期导爆管雷管，拱顶部位使用导爆索，爆速6000m/s。炮孔直径Φ=42mm。掏槽眼炮孔深度为2.7m，其余炮孔深度为2.5m。

3.2 爆破设计

周边眼设计：拱部炮孔间距计算公式

实际取值40cm。

最小抵抗线w=60cm，炮孔数量参考值按下式计算：

式中 K——临空面影响系数；一般为2～2.5；

F——岩石坚固系数；

S——隧洞断面面积。

边墙炮孔间距50cm左右，布孔后实测为53cm。

经计算并结合现场实际，装药及连线见表1。

表1 炮眼装药及连线

单循环进尺按2.2m考虑，则单方炸药耗量2.22kg/m3。

根据以上爆破参数设计，汉东寨对于Ⅲ类围岩光面爆破施工效果较好，爆破半孔率达到60%以上。

4 爆破安全计算

4.1 爆破振动计算

根据爆破设计参数，计算爆破震动速度。计算公式如下：

式中 K——与岩石性质、地势高低、爆破方法和爆破条件有关的系数。

Q——最大一次单段起爆炸药量。

α——爆破震动波随距离衰减的系数，取值1.3～2.0。

根据GB6722—2014《爆破安全规程》，在无试验数据的条件下，相关参数可按表2取值。

表2 爆区不同岩性的K、α值

（1）对于汉东寨隧洞Ⅲ类围岩，最大一次单段装药量为18kg。K取为200，α取为1.65，爆源距管道不同距离时的计算见表3。

表3 爆破情况统计表

根据最大安全允许振动速度3cm/s，反推不同距离一次单段最大允许装药量，计算公式如下：

不同距离一次单数量见表4。

表4 一次单程最大允许装药量

（2）参考《广水市鄂北地区水资源配置工程宝林隧道进口、出口爆破施工振动影响测试》，取值K=75，α=1.68，Q=18kg。代入公式，计算如下：

＜3cm/s，满足要求。

（3）参考南水北调中线京石段施工，取K=83.9，α=1.31。代入公式，计算如下：

＜3cm/s，满足要求。

4.2 爆破安全距离

根据确定的爆破允许安全振动速度，可计算爆破振动安全允许距离，计算公式为：

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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。

根据GB6722—2014《爆破安全规程》，一般民用建筑物v≤3cm/s，确定的输油管道安全允许质点振动速度亦为3cm/s，代入数据计算如下：

若参考宝林隧洞相关数据，计算得R=17.8m。若参考南水北调中石段施工，计算得R=33.3m。

4.3 穿输油管道段施工措施

对于中石化管道轴线两侧各200m范围内的重点区域的爆破施工，采用勤监测、短进尺、多循环、弱爆破的原则爆破施工，严格控制装药量。

采用爆破震动测试仪进行爆破震动实时监测，及时分析监测结果，核对输油管道处的爆破振动速度，将监测结果与安全防护措施对比，发现偏离立即调整纠正，确保安全防护措施的科学性和可靠性。

光面爆破施工采用不藕合装药。对接近输油管道段的施工，掏槽眼孔比周边眼和辅助眼孔深0.2m，掏槽眼装药量相应增大，周边眼和辅助眼药量对应减小（约20%）。增大后发爆破的临空面，以减小爆破振动对输油管道的影响。

5 结语

（1）隧洞钻爆施工下穿输油管道，爆破振动对输油管道造成反复多次振动影响，根据相关类似工程确定输油管道爆破振动允许安全速度为3cm/s，隧洞钻爆振动速度控制在允许安全速度以内，确保输油管道安全。

（2）爆破参数设计优化，在保证输油管道安全的前提下，确保光面爆破效果，施工质量达到优良标准。

（3）穿越输油管道的钻爆施工加强爆破控制，采用勤监测、短进尺、多循环、弱爆破等措施控制爆破振动，进而保证输油管道安全。