某隧洞工程基坑开挖爆破设计探讨

张惠兰

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况及地质条件

某隧洞施工设置5#和8#两处竖井：5#竖井在隧洞70+900位置，设计开挖深度约81m，圆型断面，且竖井成型后直径达6.6m；8#竖井在隧洞85+000位置，设计开挖深度74m，也为圆型断面，竖井成型后直径与5#竖井直径相同；5#和8#两处竖井均设置在输水隧洞轴线上。

5#施工竖井工程地表分布厚度0.5-1m的第四系上更新统-全新统洪积含砾粉土层，下伏基岩主要为巨厚层状的下白垩统土黄-红黄色泥岩，局部夹砂岩、泥质粉砂岩和少量泥质砂砾岩，岩层产状300°NE∠3°，断层和节理裂隙均不发育，地下水埋深23.6m，岩性极软，强风化层和弱风化层厚分别为3-5m和13-15m，属于Ⅴ类围岩。竖井段地层缺乏自稳能力，较易产生塑性变形。地表以下基岩岩性主要为巨厚层状上侏罗统泥岩夹泥质粉砂岩、砂岩，岩层产状300°NE∠13°，断层和节理裂隙均不发育，地下水水位埋深23.6m，且洞身多处于地下水以下，主要表现为渗水、滴水为主的病害形式，局部甚至存在线状流水，所估算的该竖井段总涌水量30m3/h，且地下水对该段混凝土具有较强腐蚀性，对钢筋和钢结构也具有中等腐蚀性。该段竖井整体缺乏自稳能力，产生塑性变形的可能性较大。

8#施工竖井工程地表为第四系上、全新统洪积碎石土层，碎石含量30%-40%，呈棱角状，块径0.5-1.5cm为主，为V类围岩。地表以下为新近系泥岩，局部夹泥质砂砾岩、泥质砂砾岩，岩层产状300°NE∠3°，强风化层厚3-4m，弱风化层厚12-15m。泥岩的天然含水率为10.0%-17.0%，饱和含水率为14.3%-19.7%，天然密度2.05-2.15g/cm3，干密度1.85-1.94g/cm3，饱和密度2.15-2.23g/cm3；该段泥岩的自由膨胀率一般为40%-67%，属弱膨胀岩。该段地下水埋深一般为11m，洞身处于地下水以，洞底以上岩体内局部存在薄的微承压含水层，该段以渗水、滴水为主，局部洞段存在线状流水或小的涌水现象，估算该隧洞段总涌水量约为198m3/h，该段围岩属极软岩，为Ⅴ类围岩，大多洞段自稳能力差，易产生塑性变形。

2 基坑开挖爆破设计

2.1 主要爆破方式

根据实际围岩揭露位置及设计要求，某隧洞5#和8#竖井石方开挖通过开沟、拉槽爆破方式进行。岩石明挖则按照梯段微差挤压爆破进行，开挖边线有形体结构要求时根据围岩揭露厚度及岩石级别分别采用光面、预裂爆破技术，厚度较小且较为松动的岩石采用液压破碎锤配合风镐直接开挖。石方建基面以上留出厚度1.0-2.0m的保护层，并通过手风钻或风镐开挖。石方开挖前必须进行钻爆设计，并在施工前进行现场爆破试验，调整和修正钻爆参数，保证爆破施工效果。

2.2 预裂爆破参数

预裂孔采用QZJ-100B钻机按照Φ90mm的直径钻进，孔深一般≤8m，保护层开挖钻孔孔距控制在0.8-1.0m范围，在钻孔施工前，进行边坡开挖线的精确测量，并通过红色油漆将预裂孔孔位标出。预裂爆破所采用的Φ32mm乳化炸药按照相等间隔及2.8的不偶合系数以不偶合结构装药，并在底部0.5-1.0m范围内按照设计装药量的2-3倍加强装药，线装药密度控制在300-350g/m范围，孔口堵塞段长度1.0-1.2m。预裂孔装药过程中先按照设计要求用胶布将药卷捆绑于竹片后再放置入孔，再用岩屑将孔口封堵密实[1]。导爆索实现对预裂孔的起爆。某隧洞5#和8#竖井岩石明挖预裂爆破设计参数如表1所示。

表1 岩石明挖预裂爆破设计参数表

预裂孔角度按1∶0.3和1∶0.5计算，当一次预裂长度无法达到设计开挖底线位置，应使预裂炮孔长度超出梯段炮孔深度，并将超深值控制在梯段炮孔药卷直径的30倍(即1.8m)以上。根据现场实际情况并综合考虑设计坡比(1∶0.75)后适当调整预裂孔角度。

2.3 梯段爆破设计

梯段爆破孔通过潜孔钻机钻孔，按照设计坡比进行钻孔角度的钻设，孔深一般控制在8m以内，主爆孔间排距按照3.0m×2.0m的尺寸设计，并按梅花形布置。主爆孔采用Φ60mm乳化炸药的连续不偶合方式装药，单耗药量控制在0.4-0.5kg/m3范围。为防止爆破过程对设计边坡造成振动破坏，应在靠近预裂面的位置布设2-3排缓冲孔，并按照其它梯段爆破孔装药量的50%-70%控制缓冲孔的装药量，在与预裂面距离1.5m的左右两侧布孔。梯段爆破采用塑料导爆管连接非电毫秒雷管的微差起爆方式[2]。某隧洞5#和8#竖井岩石明挖梯段爆破设计参数如表2所示。

表2 岩石明挖梯段爆破设计参数表

在确定出某隧洞5#和8#竖井岩石明挖梯段爆破设计参数的基础上，还应根据施工实际进行梯段高度及其他爆破参数的适当调整。梯段爆破孔倾斜角度按照设计坡比(1∶0.75)及现场实际情况进行调整。

2.4 保护层爆破设计

保护层炮孔钻进施工采用YT-28手风钻机，保护层设计厚度2.0m，并划分为三个开挖层，开挖厚度分别为第一层1.0m、第二层0.8m，第三层撬挖层20cm。撬挖层施工主要通过风镐和撬棍配合完成。以乳化炸药为主要起爆材料，钻孔直径42mm，药卷直径32mm，塑料导爆管按设计要求与非电毫秒雷管连接后通过微差起爆，岩石保护层开挖钻爆设计参数见表3。

表3 保护层开挖钻爆设计参数表

2.5 爆破试验

针对本工程地质条件及隧洞5#和8#竖井岩层物理力学特征，在明挖钻爆施工前，必须针对代表性强的区域展开爆破实验，并通过爆破试验所获得的参数为爆破施工提供依据，并进一步优化爆破参数设计，确保隧洞5#和8#竖井爆破施工取得最佳工程效果。按照《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定，本工程爆破试验内容包括爆破材料性能试验、爆破参数试验、爆破破坏试验、爆破地震效应试验[3]。

3 爆破安全参数

3.1 质点振动速度

质点振动速度按下式确定：

(1)

式中：v为质点振动速度；W为爆破装药量，在齐发爆破的情况下应为总装药量，而分段延情况下应视爆破时具体条件取有关段或最大段的装药量，kg，根据爆破参数取W=81.2kg；D为爆破区装药量几何中心与观测点、建筑物、防护目标等的距离，m，根据设计图纸及实际测量取D=300m；K、a由爆破施工场地水文地质条件、岩性特性、爆破区相对位置等所决定的常数，依据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》SL378-2007，初选取值为K=300，α=1.9。

经计算v=0.095，取值完全符合《水工建筑物地下开挖工程施工规范》SL378-2007所规定的爆破质点振动速度安全值。

3.2 安全距离

进行明挖爆破施工时，计算并控制一次起爆药量和飞石距离，保证附近建筑物安全，同时在起爆前做好附近人员的数算及警戒工作，在爆破作业面附近设置防护网。爆破冲击波安全距离由公式(2)确定，个别分散物安全允许距离由公式(3)确定：

(2)

式中：Rk为空气冲击波与爆破掩体内技术人员之间允许距离最小值，m；Q为一次爆破过程中所对应的TNT炸药当量，秒延时爆破情况下取最大段药量，毫秒延时爆破下取总装药量，kg，依据爆破参数取81.2kg；经计算Rk=108m。

Rf=KqD

(3)

式中：Rf为飞石飞散距离；Kq为安全系数，取16；D为钻孔孔径。经计算Rk=144m。

按照《爆破安全规程》GB6722-2014的相关要求将爆破飞石安全允许距离设定为300m，均符合爆破施工安全要求。

4 结 论

某隧洞5#和8#竖井至完工验收，整个基坑开挖爆破历时163d，通过爆破施工方案设计、爆破施工过程的精心组织，在保证基坑及周围建筑物安全的基础上，实现了对隧洞5#和8#竖井基坑的安全、快速、高效开挖，成功总结出一套竖井基坑钻孔、爆破开挖施工相结合的施工作业流程，保证了施工进度和施工效率。