地下水封石油储库硬岩大断面控制爆破

王忠康，顾晓薇，谢乾坤，施传斌，胥孝川，王 青

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041；3.鸿基建设工程有限公司，浙江 苍南 325800)

中国作为石油消耗大国，对石油的需求量连年攀升，对外依存度超过50%，保障石油安全是国家能源安全战略的核心，当今世界防止和减少石油供应中断危害最可行、最有效、最安全的手段是足量的石油储备。大型地下水封石油储库具有占地少、储量大、寿命长、安全性高、应急能力强等诸多优点，已经成为全球原油战略储备的重要途径[1]。地下水封石油储库不同于一般的地下工程，其跨度大、边墙高、开挖断面特大，同时要求爆破振动低、围岩损伤小、稳定性高，特大断面洞库减震爆破施工是决定地下水封储库工程建设成败的关键。袁青等[2]针对LPG储库特大断面光面爆破开挖，综合选取孔深、孔距、最小抵抗线、炮孔数目、炸药单耗等钻爆参数，分层分次爆破，既控制了爆破振动，又获得了良好的爆破效果。易泽荣[3]为解决地处断层破碎带、地质条件极为复杂的特大断面隧洞施工难题，提出“平面多工序、立体多层次”的施工原则，依据各层特点综合采用光面爆破和预裂爆破技术，有效控制了超挖及对围岩的损伤。陈铁骑[4]就高应力特大断面隧洞施工问题，根据围岩地质、断面形状及尺寸、施工方法和步序给出开挖控制爆破方案及参数确定方法。宋秀清[5]以工程实例为背景，重点介绍了特大断面硬岩爆破的掏槽眼和光面爆破的参数选择。杨家松[6]就特大断面地下洞库开挖分层高度及层间施工方法等问题进行研究，得到一些有用的结论。谭忠盛等[7]结合汕头地下水封LPG储库的修建，通过三维有限元数值分析优化开挖步序，确保施工过程中洞室的稳定性。刘永[8]研究了掘进爆破对地下储库稳定性影响，通过萨道夫斯基公式与现场监测的振速拟合分析研究振动特性及变化规律，为振速预测及方案优化提供指导。本文以华南某地下水封石油储库硬岩特大断面爆破开挖为例，“大洞小打、分部开挖”，划大断面为小断面，分层分次开挖，采用复式楔形掏槽、毫秒延迟起爆、周边孔光面爆破等技术，合理选取爆破参数，精心设计爆破方案，通过爆后结果统计及爆破振动测试评价特大断面硬岩爆破效果，以期能够为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

华南某地下水封石油储库洞室为三心拱形隧洞，跨度20 m，高30 m，断面面积为570 m2，属于特大断面，如图1所示。勘查资料表明，洞库区主要为花岗岩，岩性主要为中-细粒斑状黑云母二长花岗岩，次为细粒或粗粒黑云母二长花岗岩，地质条件较好；普氏硬度系数f=7～13，质地坚硬，岩块密度2.64 g/cm3；库区岩体完整性较好，裂隙发育程度不高；除断层破碎带等为Ⅳ类围岩外，其他均为Ⅰ～Ⅲ类围岩。

图1 洞室断面图Fig.1 The section of cavern

2 爆破方案

2.1 钻爆参数

影响爆破作用的因素众多，主要有岩体性质、炸药性能、炸药与岩石的匹配关系、装药结构、自由面数量和大小[9]。因此，在实际生产过程中需关注以下几点：①充分认识岩体性质，考虑断面尺寸和施工工序，确定合适的开挖方案；②合理选取爆破参数，包括孔径、孔深、炸药单耗、孔距、最小抵抗线、炮孔数目、不耦合系数等[10]；③合理设计装药结构，制定爆破方案，实现高效率、高质量爆破作业。

1) 炮孔直径。采用三臂凿岩台车配合人工钻孔，炮孔直径45 mm。

2) 炮孔深度。深孔掘进爆破可充分利用工时，增加凿岩时间的同时减少装药、连线、通风、出渣等其他工序的时间，将更多时间用于钻孔和破岩。但炮孔越深，爆破过程中所受周围岩体的夹制作用也越大，故孔深不可过大。目前，中等断面以上的洞室掘进炮孔深度常设计为3.0～3.5 m[2]。待开挖洞室断面高达570 m2，属特大断面，分幅分层开挖，炮孔深度定为3.6～3.8 m，掏槽孔超深20 cm。

3) 炸药单耗。炸药单耗受岩石性质、开挖断面、孔径和孔深、爆破材料等因素影响，常采用经验公式计算确定。结合花岗岩岩性及以往同类围岩施工经验，经理论计算后确定。洞室开挖分为第Ⅰ层左侧开挖、第Ⅰ层右侧扩挖、第Ⅱ层台阶、第Ⅲ层台阶4个爆破断面，对应的炸药单耗也略有不同。

4) 最小抵抗线及孔距。由于开挖断面大，掏槽孔底距的取值明显超出中小断面。周边孔光面爆破是制约隧洞开挖质量的关键，根据洞室围岩情况及施工经验，周边孔间距取56 cm，光爆层厚度取70 cm。辅助孔爆破是崩落岩石的主体，条件相对宽松，最小抵抗线和孔距可适当取大些。

5) 炮孔数目。炮孔数目常根据炸药单耗进行初算，然后根据统计资料经工程类比后初定，布孔时加以微调，试验后确定。

2.2 洞室开挖方案

隧洞开挖遵循“大洞小打、分部开挖”的原则，总体上分三层(第Ⅰ层、第Ⅱ层、第Ⅲ层)开挖。第Ⅰ层开挖高度10 m，左右分幅开挖，左侧开挖先行，开挖宽度12 m，右侧开挖跟进，开挖宽度8 m； 第Ⅱ层开挖高度10 m，中间拉槽先行，两侧边墙各预留1.5 m光面爆破层后行跟进；第Ⅲ层开挖高度10 m，中间拉槽先行，两侧边墙及底板各预留1.5 m,采用光面爆破。洞室分层开挖示意图见图2。

1) 第Ⅰ层左侧开挖。第Ⅰ层左侧开挖面积105 m2，三级复式楔形掏槽。结合花岗岩的岩层岩性，炸药单耗暂取1.1 kg/m3，炮孔数目184个，炮孔布置详见图3。

图2 洞室分层开挖施工示意图Fig.2 Sketch of cavern with layer excavation

图3 第Ⅰ层左侧炮孔布置Fig.3 Left layout of borehole in layer Ⅰ

掏槽孔和辅助孔装填Φ32 mm岩石乳化炸药，连续装填，孔底毫秒延迟起爆。周边孔装填特制的Φ25 mm药卷并辅以导爆索爆破，底板孔连续装药，并适当增加药量，第Ⅰ层左侧爆破装药参数详见表1。

2) 第 Ⅰ 层右侧扩挖。第 Ⅰ 层右侧扩挖面积65 m2。扩挖可充分利用左侧临空面，不再进行掏槽，扩挖炸药单耗一般控制在0.8～1.0 kg/m3之间，暂取0.82 kg/m3，炮孔数目100个，炮孔布置详见图4。

图4 第Ⅰ层右侧炮孔布置Fig.4 Right layout of borehole in layerⅠ

右侧扩挖辅助孔、周边孔、底板孔装药结构及起爆方式同I层左侧，装药参数详见表2。

表1 左侧开挖装药参数Table 1 Blasting parameters of left excavation

表2 右侧扩挖装药参数Table 2 Blasting parameters of right excavation

3) 第Ⅱ层和第Ⅲ层爆破方案。第Ⅱ层中部拉槽开挖面积170 m2，两侧边墙光面爆破总面积30 m2；第Ⅲ层中部拉槽开挖面积144.5 m2，两侧边墙及底板光面爆破总面积55.5 m2，断面规则，最小抵抗线及孔距较为均一。由于第Ⅱ层、第Ⅲ层开挖可充分利用上侧自由面，炸药单耗暂取0.6～0.85 kg/m3。第Ⅱ层中部拉槽取0.8 kg/m3，边墙爆破取0.75 kg/m3；第Ⅲ层中部拉槽取0.82 kg/m3，边墙爆破取0.75 kg/m3。炮孔布置详见图5和图6。第Ⅱ层爆破开挖辅助孔、周边孔装药结构及起爆方式同第Ⅰ层，装药参数详见表3和表4。第Ⅲ层爆破开挖辅助孔、周边孔、底板孔装药结构及起爆方式同第Ⅰ层，装药参数详见表5和表6。

图5 第Ⅱ层炮孔布置Fig.5 Layout of borehole in layer Ⅱ

3 效果分析

根据实际生产情况，进行了数十次现场试验，收集爆后数据并统计分析。研究表明，开挖断面较为平整，未见大体积根底，说明复式楔形掏槽可有效克服周围岩体的夹制作用，抛掷岩块，形成槽腔，获得良好的掏槽效果；试验平均炮孔利用率在90%以上，个别循环的炮孔利用率高达94%，单次循环进尺在3.2 m以上，说明大断面硬岩掘进开采用中深孔，可加大循环进尺，提高施工效率；爆破块度较为均匀， 偶有大块出现，说明炮孔布置比较合理， 少量大块则可能是因为掏槽孔口间距偏大导致大块岩石片落；周边眼半孔率约为85%，超欠挖均控制在限值以下，壁面成型良好，说明光爆参数选取合理，能量分布合理；最大单段药量约为54 kg，测点的质点峰值振速小于爆破安全允许振速峰值，说明爆破方案可有效控制爆破振动。

图6 第Ⅲ层炮孔布置Fig.6 Layout of borehole in layer Ⅲ

表3 第Ⅱ层中部拉槽装药参数Table 3 Blasting parameters of central excavation in layer Ⅱ

表4 第Ⅱ层边墙爆破装药参数Table 4 Blasting parameters of sidewall excavation in layer Ⅱ

表5 第Ⅲ层中部拉槽装药参数Table 5 Blasting parameters of central excavation in layer Ⅲ

表6 第Ⅲ层边墙及底板爆破装药参数Table 6 Blasting parameters of sidewall and floor excavation in layer Ⅲ

4 结 语

水封石油储库工程实践表明，特大断面硬岩钻爆开挖采用三级复式楔形掏槽、非电导爆管雷管毫秒延迟起爆、周边孔光面爆破技术，基于“大洞小打，分部开挖”施工原则，分层分次爆破，划大断面为小断面，有效减少单次起爆药量和最大单段药量，在爆破减振、炮孔利用率提升、壁面成型质量提高等方面优势明显，能够满足水封石油储库爆破开挖要求，可为硬岩大断面钻爆开挖提供借鉴与参考。