水系连通工程光面爆破施工工艺研究

薛金标

(福建省水利水电建设有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

水系连通工程能够将新增调水能力，提升城市供水保障水平，确保居民生活用水安全，因此实施水系连通工程具有重要意义[1-2]。引水隧道的开挖是大型水系连通工程的必要工程措施，而不同的隧道开挖工艺会对工程质量有明显影响，较差的施工工艺会导致引水洞后期服役时间短，甚至出现垮塌等工程灾害，因此研究隧道开挖施工工艺十分必要[4-5]。

陶立明[6]针对隧道工程中的浅埋暗挖施工技术展开了深入分析；魏星[7]分析了浅埋黏土层大跨度隧道施工要点；王明明等[8]利用数值模拟对隧道施工对桩基托换之后的桥桩结构进行分析；鲁美等[9]研究了公路下方隧道开挖涉路工程及控制要点；栾纯立等[10]对设计图纸、周边环境、工程地质条件等方面进行分析，归纳出了在地下铁路保护区的明挖隧道施工防护对策，从而有效地克服了在保护区中开挖的困难；李军怀[11]对水利工程隧洞开挖施工技术进行相应的论述，并提出科学有效的质量控制措施。此外还有学者对不良地质条件下隧道开挖方法进行了研究[12-13]。

爆破是当前石质围岩隧道开挖的主要方法。其中，光面爆破是常见技术之一，该技术在1952年由加拿大第一次采用。光面爆破技术分区分段进行微差爆破，保证了爆炸后的轮廓线满足设计的需要，并可使临空面规则、平整，因此得到广泛运用[14]。然而目前由于我国工程地质条件复杂，不同的光面爆破工艺在不同工程条件下有明显差异性，因此需要因地制宜提出相应的施工方法。本文以福鼎市东南沿海河库水系连通工程为例，从隧洞开挖施工方法、光面爆破施工工艺、爆破安全距离计算等多个方面进行了研究分析并提出施工工艺，根据实际工程情况确定爆破开挖模型，研究成果可为相关工程提供参考。

2 工程概况

福鼎市东南沿海河库水系连通工程主要建筑物共包含4段输水隧洞、4段输水管道以及1条施工支洞。4段输水的隧洞总长度为13.321km，其中柴山—牛头坑输水隧洞(1#隧洞)长4214.5m、牛头坑—四斗庵输水隧洞(2#隧洞)长5420.9m、四斗庵—凤谷输水隧洞(3#隧洞)长2187m、凤谷—逍遥谷隧洞(4#隧洞)长1747.5m。隧道的开挖截面采取“城门型”，其宽度为2.4m，高为2.4m。4段输水管道全长为508.8m，采用DN1600型号的单根钢管，牛头坑管道长为103.8m、四斗庵管道长82.9m、凤谷管道长72.6m、逍遥谷管道长249.5m。施工便道包括新建道路(宽4m)7.5km，改扩建施工道路(宽4m)0.28km，现状水泥道路损坏修复5km。

3 隧洞开挖施工方法

本工程适用于洞室开挖光面爆破施工，采取全断面和钻爆法对隧洞进行开挖，爬渣机装车，运输使用翻斗车。如果遇到软弱地段(坍塌、裂隙、节理发育等)采取“锚网喷、钢支撑”等临时性支护技术，施工全过程遵循“爆破弱、支撑强、进尺短、监测勤”的施工方针，采取全断面方式对隧洞进行开挖，在施工时要注意控制周边眼的方位，减少超欠挖，并采取微差爆破技术，尽可能增加雷管的微差段，使每1段的炸药用量减少，从而减小震动效应，能有效降低围岩条件差地段稳定性的影响。全断面的施工工艺如图1所示。

图1 全断面施工工艺

4 光面爆破施工工艺

4.1 钻眼

钻工需要对炮孔分布图有一定的了解，并能对钻具进行熟练操作，特别是对钻孔周围，要有专门的人员在台车上指挥，保证周边眼外接的角度，外接角度通常不会大于2～3°，尽量保证2个炮口台阶不超过15cm。同时，要确保炮眼底部处于同一水平面上，必须根据工作面的岩层高低、孔眼的部位调整炮孔的厚度。掏槽眼比辅助眼眼底深10cm。

4.2 钻爆设计

(1)设计原则

针对工程的实际情况，从开挖进尺、爆破开挖、爆破设备等方面进行了爆破方案的编制。根据岩体的特点，合理选择最小抗拒线和周边眼的距离，使辅助眼与周边眼的水平方向保持一致，并使挖槽深度达到20cm。

(2)钻爆参数的选择

用爆破试验测定爆破的参数，试验时参数参考见表1。

表1 光面爆破参数

(3)掏槽方式

掏槽采用斜眼锲型，可降低钻眼数目，缩短钻孔周期，加快施工进度。

(4)装药结构及堵塞方式

装药结构：用小口径的药片对周边眼进行持续的装填，在岩石非常柔软的情况下使用引信。

堵法：将装炸药的炮孔用泥浆封起来，周围孔的阻塞长度应超过40cm。

(5)爆破效果监测及爆破设计优化

检验爆破坑的完好性，硬岩是否达到80%以上，中硬岩是否达到60%以上；二次爆炸的联结阶梯高度小于10cm。

爆破设计优化：对每1次爆破的爆破结果进行检验，通过对影响因素的分析，对其进行调整，以改进爆破的技术和经济效益；根据节理裂缝的发展、岩性软硬度等因素，调整眼间距、用量，尤其是周边眼；采用了对破碎后的碎屑粒径进行了修正。小粒径表明副眼密度大，而块度大表示为分布稀薄；根据基坑表面的不平状况，对钻孔深进行微调，以保证爆眼在同一剖面上。

(6)清孔

在装炸药前，先用弯形的钢制枪钩和较大口径的高压力空气管道把石块排出。

(7)装药

按照计划的要求，从上往下进行装药，雷管要与标号相符。用炮泥封住装有炸药的炮眼，堵塞长度应该大于20cm。4个空眼，每个眼的直径是75mm，其它眼的直径是45mm；采用微差爆破技术引爆。

(8)连接起爆网络

采用复式网络结构，在接头时应留意：不能拉伸并拧紧导爆管；每1个炮眼雷管的接头次数必须是一样的；起爆雷管用一条黑色胶带包裹，并与1根导爆管的1根自由端保持10cm的距离。

5 隧洞开挖采用光面爆破技术措施

为了有效地防止超欠挖，减小隧道内的粗糙度，在施工难度大的地区采用了弱爆破法。根据开挖断面、开挖方法、地质条件、掘进周期进尺等确定光爆炸方案，经审批通过后，严格按照图纸要求进行施工，并根据实际情况对相关的工艺参数进行调整。从断面轮廓上挖出的外围孔洞呈放射状分布，外张量不超过20cm。提高钻眼、画线的精度，特别是周边眼的精确度是超低开挖最重要的原因，必须对标中线高程进行细致的测量，并精确地绘制出基坑的轮廓线。采取早期合理的施工措施，及早闭合，以有效地减少围岩体的变形，减少暴露时间，强化对围岩的监测。

6 爆破设计

6.1 装药量计算

本工程隧洞宽度B为2.4m，隧洞高度H为2.4m，断面积S约为5.142m2。每1掘进循环总药量按下式计算：

Q=qSLη

(1)

式中，q—单位的炸药消耗量，一般取1.50kg/m3；S—隧洞掘进断面，取6.4m2；L—炮孔深度，取2.2m；η—炮眼利用率，取0.8。

6.2 单孔装药量计算

挖槽的单孔装药量：由于掏槽眼与工作平面呈竖向关系；掏槽眼长是2.2m。炮孔的使用率为0.8，其装药长度是1.8m，单孔的药量就是1.4kg。

不同眼的单孔装药量也不同：周边眼的装药量是按爆炸需要计算，w是最小的周边眼抵抗线，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取600mm，单孔的药量是0.95～1.1kg；底眼的炮孔装药系数是0.7，炮孔的装药长度是1.8m，单孔药量是1.3kg。

7 钻孔设计

掏槽形式：因该项目断面积是4.95m2，截面积小，横截面岩体强度为6～12，故掏槽方式建议采用水平桶形，其掏槽眼隔为0.4～0.6m；排距为0.4m。与工作面垂直；掏槽眼长2.5m。炮眼利用率是0.8，炮孔装药长2m，单孔药量是1.5kg。

周边眼的参数为：炮眼孔距为0.5～0.6m，深度是2.2m，按爆破条件，最小的周边眼抵抗线w，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取0.6m。根据周围井的爆破要求，炮孔装药的长度为0.6m，单孔的药量是0.45kg。

辅助眼参数：工作面与辅助眼垂直，炮眼的深度是2.2m，根据实际剖面尺寸，采用均匀的开孔方式，孔径为0.6～0.8m，排距是0.8m。

底眼参数：依据底眼抛掷作用的需要，将底部钻孔的位置朝下，底面要比底眼眼底高200mm，因此底眼炮眼的长度是2.45m，孔距是0.6～0.7m。布孔的具体方式，可以依据断面大小及岩石结构进行相应的调节，如图2所示。

图2 钻孔布置图

8 爆破安全距离计算

本工程采用隧道施工，隧道内的冲击波、飞石均受限于隧道入口的方位影响，隧洞口的安全间距为300m(即新挖出的工作面)，其后可根据施工的安全范围适当地向后推进。按照GB 6722—2014《爆破安全规程》，隧道开挖和开挖时，隧道的振动速度为4cm/s，此次设计的隧道开挖最大剂量为21kg，并采用了分段起爆。由爆炸产生的振动速度可采用如下公式进行计算：

(2)

式中，Qmax—最大单次爆炸，kg；R—爆心距，即爆破中心的测距，m；K—介电性的因子，通常取150；V—一个媒质的振荡速率，一般取4cm/s；a—地震波衰减系数，通常取1.5。不同质点计算结果见表2，得出了40m的最大炸药用量为45.51kg，本项目的防震安全距离应该大于40m，而剖面最大爆炸量为21kg，且采取了分段起爆，故本项目的爆炸剂量设计满足了地震安全距离的规定。

表2 爆破安全距离计算结果

9 隧洞施工监控测量

地质超前预测工作应当能够正确判断水文地质、工程地质情况，围岩等级，并给出了施工中应注意的问题和建议、方法等。隧洞易出现特殊的地质现象，应重视隧洞掌子面超前地质预报，随时观测监控。同时，在工程中，施工现场的技术人员要专门负责观察围岩情况，发现有任何不正常的现象时，人、机立即撤至安全地区，确保安全。具体观测要求如下。

9.1 围岩观测

观测断面应垂直隧洞轴线，布置在基岩最差、结构型式有代表性的部位，同时应考虑这些部位布线的简易及后期隧洞内水位变化的影响，图2中布点位置可根据实际围岩地质构造及支护情况适当调整。同样的围岩观测断面应平等布置2个以上，距离靠近，同时观测，观测结果取2个断面的平均值。对于稳定性较差的Ⅴ类围岩及断层带，需在隧洞断面1/4顶拱处布点观测。围岩覆盖层较薄的隧洞段，除在隧洞内布设观测仪器外，还应在相应地表布置测点，以监测岩体稳定性。测量项目B、C项的初次读数，应在施工后12h内完成，并在下一掘进前完成。测量项目B、C项的观测频率要求见表3。

表3 测量项目B、C项的观测频率要求

9.2 衬砌体观测

在衬砌体的主受力钢筋上，在相同的测点处设置2～3个钢筋，并在靠近钢筋的混凝土埋设无应力计和应变计，观测结果应相互印证、协同分析。2次衬砌在围岩及前期变形基本趋于平稳且满足以下3个条件的情况下进行：①在平孔附近的水平收敛速度低于0.2mm/d或拱顶塌陷速度低于0.1/d，此时隧道周边变形收敛速度、拱顶或基底竖向移动速度均显著降低；②水平孔的相对位移达到预测的总变形相关量的90%；③当喷射砼出现大量裂缝，或者位移量已达预计总位移量的70%而收敛速率仍无明显下降时，应立即采取补强初期支护措施。

10 结论

本文以福鼎市东南沿海河库水系连通工程为例，从隧洞开挖施工方法、光面爆破施工工艺、爆破安全距离计算等多个方面进行了研究分析并提出了施工工艺，根据实际工程情况确定爆破开挖模型。研究认为，施工全过程遵循“爆破弱、支撑强、进尺短、监测勤”的施工方针，隧洞开挖采取“全断面”开挖方式，在施工时要注意控制周边眼的方位，减少超欠挖，并采取微差爆破技术，尽可能增加雷管的微差段，使每1段的炸药用量减少，从而减小震动效应，能有效降低对围岩条件差地段稳定性的影响。