隧洞钻爆法开挖方案比选

魏雪林

(南昌县棠墅港左堤河道堤防管理站，江西 南昌 330200)

1 工程概况

鄱湖灌区属鄱阳湖水系，潼津河流域中上游，昌江右岸，距县城约 40km，受益农田分布在九—景高速公路两侧。灌区是一个以军民、滨田两座大(2)型水库和大源河、北槎垅两座中型水库为骨干水源工程联合进行水量调配的大型灌区，主要由军民、滨田、梅岭、大源河四大灌片组成，设计灌溉面积2.34×104hm2。

四干渠为新建工程，除了补充大源河灌片部分高田的灌溉要求外，其主要任务是从大源河水库引水至滨田水库，缓解滨田水库水量不足的问题，以提高滨田灌片灌溉保证率。本标段工程起止桩号15+744.0-22+483.5，全长6.74km，其中20+952.6-21+326.0段为石坑垅隧洞，洞段长373.4m，纵坡比为1∶500。隧洞通过地段属丘陵地貌，山头较低,山顶高程87-95m。进口山坡较平缓,坡角30°-35°，表部为残坡积土层，自然边坡稳定，出口山坡较陡，坡角60°-65°，表部强风化岩石出露，自然边坡稳定。

2 钻爆方案设计

2.1 爆破参数

鄱阳湖灌区续建配套与节水改造项目施工3标隧洞开挖钻爆施工炸药消耗量及循环装药量采用格斯帕扬经验公式[1]进行计算：

(1)

Q=L1×S×q

(2)

式中：q为炸药耗用量，kg/m3；Q为循环装药量，kg；f为岩石坚固系数；L1炮孔深，m；K1为炮孔填充系数；η为炮孔利用率，%；S为爆破开挖断面面积，m2；K2为炸药等效换算系数；K3为岩体裂隙修正系数；Fs为自由断面系数。

炮孔数量及光面爆破周边孔眼数分别按下式计算：

(3)

(4)

式中：N为炮孔个数，孔；N1为光面爆破周边孔眼数，孔；r为炸药质量，kg/m；n为炮孔装药系数；L为洞室开挖轮廓线长，m；B为洞室底板长，m；E为光面爆破周边孔间距，m。

爆破面积是影响掏槽孔眼个数及岩石坚硬程度的主要因素，经计算，鄱阳湖灌区续建配套与节水改造项目施工3标隧洞开挖掏槽孔眼数确定为4个，消耗炸药量具体见表1。

表1 施工3标隧洞开挖消耗炸药量 kg/m3

2.2 装药结构

本隧洞工程掏槽眼和辅助眼均连续装药，为延长爆轰气体的作用时间从而弱化爆轰波的冲击强度，周边眼应按照径向、环向不耦合装药，且其不耦合系数应≥2.0，药卷直径应至少为炸药直径临界值，才能确保炸药爆轰的稳定性[2]。工程隧洞周边孔孔径4.5cm，故而选用3.2cm∶2.0cm尺寸的药卷，模拟炮眼进尺单次为2m，光面爆破连续装药，孔内药包均通过导爆索起爆。

3 钻爆方案比较

3.1 方案一：台阶法爆破方案

该方案按照扩挖三台阶法由上至下开挖施工，待各单元开挖后封闭成环，并根据前述所得爆破参数确定台阶法爆破施工炮孔布设及排列情况，详见下图。工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ单位装药量均为0.25kg/m，循环装药量分别为33.491kg、26.463kg、26.463kg，周边孔数量分别为40个、9个、10个，单孔用药量均为0.23kg，辅助孔数量分别为63个、64个、64个，单孔装药量分别为0.37kg、0.38kg、0.38kg。

图1 台阶法爆破方案炮孔布设图

3.2 方案二：导坑法爆破方案

该方案按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的次序进行隧道断面依次开挖以及各个断面开挖后的及时支护，并根据前述所得爆破参数确定导坑法爆破施工炮孔布设及排列情况，详见下图。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ工况下，单位装药量分别为0.28kg/m、0.28kg/m、0.28kg/m、0.27kg/m、0.27kg/m、0.26kg/m，循环药量为10.92kg、11.20kg、11.20kg、13.21kg、13.20kg、26.00kg，周边孔数量分别为25个、23个、18个、19个、19个、0个，工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ周边孔单孔装药量均为0.25kg，工况Ⅵ周边孔单孔装药量为0；各工况掏槽孔数量均为4个，单孔装药量均为0.6kg；各工况辅助孔数量分别为6个、10个、10个、18个、18个、50个，工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ辅助孔单孔装药量0.40kg，工况Ⅵ辅助孔单孔装药量0.45kg。

图2 导坑法爆破方案炮孔布设图

3.3 方案比选

考虑到本工程隧道开挖的特殊性，故进行隧道破坏标准判断时沿用《爆破安全规程》(GB6722-2011)所规定的临界振动速度10-20cm/s，也就是临近隧洞爆破施工所导致的既有隧洞在不同振频下破坏的临界振动速度[3]。

方案一左洞的振速最大为0.15cm/s，满足规程要求，但是左洞拱顶监测点振速达到了29.47cm/s，超出规程要求的最大值。究其原因主要在于台阶法爆破方案下各部分岩体存在较大的开挖跨度，布药量随之增加，导致爆破过程中同时产生的压缩应力波重叠作用大大增强，浅振面切线向拉伸应力明显增大。应力的增高导致周围岩体振速加大，引发裂缝。

方案二左洞的振速最大为0.17cm/s，满足规程规定，左洞振速最大值18.24cm/s位于拱底，而且从拱顶至拱底的各点振速逐渐增大。掘进过程中边开挖边用钢架加固支护，岩体振速得以有效控制，且对隧洞周围岩体的破坏程度大大减轻。

通过上述分析发现，两种爆破开挖方案在进行右洞爆破掘进开挖过程中，传递至左洞的振动能量有所衰减，振速均比规程要求低，所以在右洞爆破掘进施工的同时左洞交通可以正常开放。但是方案一右洞质点振速大于方案二且超出规范要求的安全允许范围，所以，综合比选后选择方案二导坑法爆破方案进行右洞爆破开挖。

鄱阳湖灌区续建配套与节水改造项目施工3标隧洞开挖采用导坑法分部开挖成功实施爆破，且爆破开挖后岩体整体性良好，超欠挖量均符合规程要求，岩体表面并不存在肉眼可见裂缝，爆破开挖后的岩块大小适中，便于搬运。

4 结 论

对鄱阳湖灌区续建配套与节水改造项目施工3标隧洞钻爆开挖方案设计及比价分析结果表明，方案一与方案二振速均能迅速达到峰值，右洞爆破振动传递至左洞需要时间，所以左洞振速达到峰值比右洞滞后0.01s，随后振速便呈波浪状趋势下降，并最终趋于零，所进行的振速变动趋势模拟与施工实际相吻合。方案二模拟质点振速符合从拱顶至拱底不断增大的趋势规律，且对隧道左洞的影响符合规程要求，最终选择方案二导坑法钻爆开挖。