特小断面隧洞“多导一压顶”爆破施工

孙宝山,王亚威,罗 坤

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

在中国特色社会主义新时代,各行各业的发展日新月异,尤其是我国的基建工程,更是被誉为世界的“基建狂魔”[1],其中,隧洞(道)工程的总里程也如春起之苗,日有所长。无论是公路工程、铁路工程、市政工程,还是水利水电工程,隧洞施工经过多年的探索和积累,其施工方法已经多种多样,大放异彩。目前,对于大断面隧洞(道),如铁路、公路和市政工程的隧道可采用钻爆台车、盾构掘进机等成熟工艺施工,然而对于小断面隧洞施工,因其体量小、空间受限、机械化程度不高,仍需采用传统钻爆工艺,单循环进尺短、光爆效果差、安全风险高[2]。针对以上问题,探索优化形成“多导一压顶”工艺爆破施工技术,同时满足了安全、质量和进度要求。

1 工程概况

景宁县金村水库及供水工程,位于景宁县红星街道境内。工程建设任务以城市供水为主,结合生态环境改善。其城市供水范围为景宁县城区,远期供水人口8.39万人(2030年)。主要建筑物由拦河坝、溢洪道、输水系统(进水口、隧洞及压力管道)、放水建筑物(生态放空管)等组成。

输水系统布置在上游,输水隧洞全长9 164 m,设计开挖洞径2.6 m×2.6 m,分为主洞、水厂支洞、外舍支洞三部分,呈Y字型分布。主洞长 2090 m,水厂支洞长5 139 m,平均纵坡1 ‰;外舍支洞长1 935 m,平均纵坡1.4 %。

输水隧洞最大埋深约735 m。沿线岩石均属坚硬岩,围岩主要为弱～微风化,多属Ⅱ～Ⅲ类,开挖后洞室稳定性一般,存在局部掉块现象。隧洞穿越节理密集带或断层破碎带,属Ⅳ类围岩,岩体破碎,完整性差。外舍支洞发育F4断层破碎带,主要影响范围为WS0+478～WS0+685 m,断层充填物质为角砾岩;水厂支洞发育F1断层破碎带,主要影响范围的桩号为SD3+276～SD3+523 m,充填物质为断层泥、断层角砾岩,断层影响范围内围岩等级为Ⅳ类。

2 工艺原理及特点

2.1 工艺原理

对于超小断面隧洞开挖,先进行两个循环的下半洞(即导洞)掘进,再进行上半洞的光爆压顶施工,上半洞单循环进尺可达到下半洞单循环的1.5～2.0倍。以此类推,形成连贯的“多导一压顶”施工。下一循环的下半洞可与上一循环的光爆压顶同班施工。

2.2 工艺特点

本工艺与传统工艺相比,具有以下特点:

(1)掏槽孔按照直眼掏槽结构形式,中心孔爆破,第一圈掏槽孔为空孔,可为中心孔爆破提供挤压破碎面,提高掏槽效果;

(2)掏槽孔爆破设计了两次起爆,可为后续辅助孔提供更好的临空面,增强爆破质量;

(3)采用“多导一压顶”工艺,可为顶拱周边孔爆破创造独立临空面,提高光面爆破效果;

(4)采用“多导一压顶”工艺,可减少爆破振动对周边围岩的影响,提高爆破后围岩的稳定性,确保施工安全;

(5)采用“多导一压顶”工艺,增加了单循环进尺,减少了作业循环时间,经济效益显著。

3 施工工艺流程

特小断面隧洞开挖,先进行两个循环下半洞(导洞)掘进开挖(图1中①和②),待两个循环下半洞开挖完成后,再进行上半洞光爆压顶作业(图中③),其中上半洞光爆压顶(图中③)与下一循环下半洞(图中④)同时进行装药、联网、爆破作业,以此类推。

图1 施工工艺流程

为保证安全,上半洞光爆压顶(图中③)与下一循环下半洞(图中④)钻孔作业宜分开进行。

4 施工方法

4.1 施工准备

进洞施工前,为保证隧洞内环境舒适,采用轴流风机进行通风[3],以加快空气流动速度、降低洞内有害气体浓度。严格按照要求,检测洞内有毒有害气体含量,确认安全后,作业人员再进洞施工。

4.2 爆破设计

输水隧洞以凝灰岩和花岗岩为主,岩石较完整,自稳能力较好,以Ⅱ-Ⅲ类围岩为主,掌子面干燥。本工程爆破设计按照Ⅱ类围岩,先采用理论计算方法、工程类比法得到初步爆破设计参数,再通过现场爆破试验优化调整[4]。

炮孔数目与掘进断面、岩石性质、炮孔直径、炮孔深度和炸药性能等因素有关。采用公式(1)进行估算。

(1)

式中,N为炮孔个数;f为岩石坚固性系数;S为隧洞掘进断面面积。

炸药用量采用公式(2)进行估算。

Q=qSLη

(2)

式中,q为爆破1m3岩石用药量,通常根据围岩级别和围岩类型的不同以经验值取得;S为开挖断面积;L为凿孔深度;η为炮孔利用率,一般为0.8～0.95。

根据理论计算获得的初步爆破设计参数,结合现场爆破试验,在保证爆破振动速度符合安全规定的前提下,对爆破参数进行优化,最大限度提高隧洞开挖成形质量和施工进度。通过优化,隧洞“多导一压顶”爆破参数如表1,爆破布孔如图2。(注:图2中方格填充部分为光爆压顶区域;表1和图2中孔1～8为导洞爆破孔,9为光爆压顶爆破孔。)

表1 全断面爆破参数

图2 导洞开挖爆破布孔

4.3 放样布孔

上一循环施工结束后,测量人员采用全站仪对隧洞轮廓进行复测,并准确定出隧洞中心线和顶面高程,用红油漆画出下一循环开挖轮廓线,标出炮眼位置,其误差不得超过5 cm。

爆破技术人员根据测量人员复测结果,及时调整爆破参数,以达到最佳爆破效果。

4.4 钻孔

根据测量放线结果,采用YT-28手风钻进行钻孔,钻孔人员按照测量放样点位进行钻孔。

下半洞(导洞)钻孔时,布置2台手风钻,1台进行掏槽孔钻孔,1台进行周边孔及辅助孔钻孔。上半洞(光爆压顶)钻孔时,搭设简易平台,2台手风钻同时作业。

钻孔完毕后,现场爆破人员对孔位、孔深、孔向进行检查并做好记录,有不符合要求的炮孔应重钻,经检查合格后,方可装药爆破。

4.5 装药

由于输水隧洞开挖尺寸较小,首先进行下半洞(导洞)开挖,为顶拱光面爆破作业创造独立临空面,增强光面爆破效果,同时节约工序循环作业时间,提高生产效率。

下半洞开挖掘进钻孔分为直眼掏槽孔、辅助孔、边墙周边孔、底孔,其中直眼掏槽孔分为中心孔直眼掏槽爆破孔,第一圈直眼掏槽空孔,第二圈直眼掏槽爆破孔。由于采用直眼掏槽形式进行作业,工作面所提供的临空面基本没有,故在中心孔直眼掏槽爆破孔周围施工6个直眼掏槽空孔,给中心直眼掏槽爆破孔提供破碎导向,第二圈直眼掏槽爆破孔利用中心孔爆破后提供的临空面继续进行掏槽,为后续辅助孔等提供更好的临空面。

下半洞爆破孔装药采用2#岩石乳化炸药(φ32,每节300g,长度30 cm)及非电半秒雷管进行施工爆破,装药形式为不耦合连续装药,单孔装药量详见图3和图4。

图3 掏槽孔装药结构示意

图4 辅助孔装药结构示意

压顶开挖掘进装药采用2#岩石乳化炸药(φ32,每节300g,长度30 cm)、导爆索及非电半秒雷管进行施工爆破,装药形式为不耦合间隔续装药,压顶光面爆破孔底部装药150g,每间隔50 cm装药100g。单孔装药量详见图5。

图5 光爆孔装药结构示意

4.6 爆破

爆破起爆网络采用孔内分段“一把抓”进行起爆。起爆顺序:中心孔→第二圈掏槽孔→辅助孔→周边空→底孔。

每次起爆前,爆破员必须仔细检查起爆网络。在同一开挖断面上,起爆顺序应由内向外逐层起爆。爆破员必须最后离开爆破地点,并在有掩护的安全地点进行起爆。爆破前,爆破技术员或者是现场爆破负责人必须清点人数,确认无误后,方可下达起爆命令。爆破员接到起爆命令后,方可起爆。

4.7 爆后检查

爆破后,经通风除尘排烟确认洞内空气合格、等待时间超过15 min后,方准许检查人员进入爆破作业地点进行检查。发现盲炮,应首先查明原因,并派有经验的爆破员进行处理,处理盲炮时无关人员不许进人警戒区。

4.8 出渣

经爆后检查确认安全后,作业人员采用扒渣机装渣、小型柴油自卸车运输出渣。

5 应用情况

景宁金村水库及供水工程输水隧洞设计开挖断面尺寸不足10m2,属特小断面隧洞。输水隧洞爆破施工初期,受其断面小、空间受限、通风困难等限制,单循环进尺较短,循环周期长,施工进度缓慢,且光爆效果不理想。采用“多导一压顶”工艺后,在空间上节约了钻孔及装药时间,且施工循环进尺加大,月单向最大进尺220m,与传统施工爆破工艺月单向最大进尺180m相比,开挖工期缩短了18.18 %,减少了施工成本[5],同时隧洞开挖光面爆破效果有了明显的提升,顶拱光面爆破残孔率达到95 %以上。

6 结语

“多导一压顶”施工工艺在本工程输水隧洞投入使用以来,整个施工过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态,很好地解决了特小断面隧洞爆破施工的技术难题,得到了各方的好评。采用“多导一压顶”施工工艺,对特小断面隧洞的快速施工具有一定指导意义,为后期同类工程施工积累了宝贵经验。