溫 賀,吳新紅,麥小章,朱士清,王平安

（1.中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長沙 410000；2.中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410007）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，斷面尺寸小于 15 m2的小斷面隧洞在各種引水工程、勘探工程、礦山開采、城市地下廊道等領(lǐng)域應(yīng)用越發(fā)廣泛。小斷面隧洞施工中經(jīng)常會遇到硬巖層，此類巖致密堅(jiān)固而且完整，內(nèi)聚力大、強(qiáng)度高、波阻抗高，爆破開挖過程中受圍巖夾制作用顯著[1]。而且當(dāng)斷面尺寸小于10 m2時，受空間限制造成施工操作不便，爆破參數(shù)選擇受限。以上限制造成小斷面隧洞爆破炸藥單耗高、炮孔利用率低等問題。炸藥單耗不僅關(guān)乎施工成本，而且單耗越大排放的有毒有害氣體越多，當(dāng)前環(huán)保理念深入人心，倡導(dǎo)綠色安全施工成為主流，所以降本增效、綠色爆破成為小斷面隧洞爆破開挖的研究重點(diǎn)。本文以梅州抽水蓄能電站自流排水洞工程實(shí)踐為例，為類似工程進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)并降低炸藥單耗提供設(shè)計(jì)參照。

該電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，自流排水洞所在地層主要為燕山三期中細(xì)粒黑云母花崗巖，洞室圍巖以III類為主，普式硬度系數(shù)f=16～20，屬極堅(jiān)固巖石。構(gòu)造形式主要為節(jié)理、小規(guī)模的閃長巖脈及斷層。自流排水洞斷面采用城門拱型斷面，斷面凈尺寸為 3.0 m×2.9 m(寬×高)，II/III類圍巖斷面面積S=8.11 m2。采用新奧法光面爆破技術(shù)進(jìn)行施工。對比自流排水洞爆破試驗(yàn)實(shí)況，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到滿足施工工期要求的爆破方案，力圖降低單耗，降本增效。

1 優(yōu)化前爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，自流排水洞爆破施工基本參數(shù)選定如下：炮孔直徑Φ42，藥卷直徑Φ32；炮孔深度230 cm；周邊眼炮孔間距50 cm，其他孔位、孔距可現(xiàn)場調(diào)試。

經(jīng)過理論計(jì)算及現(xiàn)場爆破試驗(yàn)調(diào)試，爆破設(shè)計(jì)見圖1，圖1中炮孔及裝藥參數(shù)見表1。

圖1 II/III類圍巖菱形掏槽爆破設(shè)計(jì)

表1 炮孔及裝藥參數(shù)

上述爆破設(shè)計(jì)受地質(zhì)圍巖情況影響，爆破后掌子面殘留炮孔殘孔較多，尤其是掏槽部位，掏槽孔不能完全爆出，殘孔長達(dá)40 cm左右，給下一循環(huán)作業(yè)造成麻煩。同時殘孔里面是否留有殘藥也是一個重大安全隱患點(diǎn)。從堆渣形態(tài)和石渣塊徑上觀察，石渣堆砌高度不及掌子面高度的 2/3，中間堆積高，兩側(cè)堆積矮，飛石最遠(yuǎn)達(dá)30 m，石渣塊徑小，粉末較多。由此分析該爆破設(shè)計(jì)崩落孔線裝藥密度過大?；诒菩Ч霸蚍治?，該爆破設(shè)計(jì)不能滿足長時間生產(chǎn)需求，需進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)

鑒于上述爆破設(shè)計(jì)暴露出的不足之處，從增大掏槽部位補(bǔ)償空間，調(diào)整崩落孔線裝藥密度著手進(jìn)行優(yōu)化。

宗琦認(rèn)為利用爆炸應(yīng)力波在不同介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的反射拉伸作用，在大斷面巖石巷道掏槽孔中間鉆鑿一個大直徑空孔的措施可以提高掏槽效率[2]。為此在圖1爆破設(shè)計(jì)上對掏槽孔進(jìn)行優(yōu)化，同時調(diào)整崩落孔孔距和孔位，減小崩落孔線裝藥密度。制定出兩種試驗(yàn)方案, 各進(jìn)行8次試驗(yàn)，取實(shí)際參數(shù)的平均值，爆破參數(shù)見表2。

圖2 II/III類圍巖花型掏槽爆破設(shè)計(jì)

表2 平均爆破參數(shù)

大孔掏槽試驗(yàn)中，Φ100孔徑的掏槽空孔大大增大了沖擊波破碎巖石的補(bǔ)償空間（注：其他炮孔孔徑均為 Φ42），爆破效果穩(wěn)定，平均每炮進(jìn)尺達(dá)2.23 m，炸藥單耗為3.58 kg/m3，可實(shí)現(xiàn)一天兩個循環(huán)，進(jìn)尺4.5 m左右，基本可滿足自流排水洞施工需求。但是該方案存在不足：受洞室尺寸影響，Φ100孔徑的掏槽孔需用ZQS-100D鉆機(jī)進(jìn)行造孔，鉆機(jī)造孔期間鉆孔工無法同步作業(yè)，且粉塵較大，若洞室開挖里程較大時粉塵無法及時抽排出洞，對作業(yè)人員人身健康威脅較大，而且搬運(yùn)鉆機(jī)設(shè)備費(fèi)時費(fèi)力。

花孔掏槽試驗(yàn)圍繞抽芯孔布置6個小空孔（見圖2），在抽芯孔一段起爆后，破壞空孔，形成一個相當(dāng)于Φ126孔徑的自由臨空面，大大增大了爆破補(bǔ)償空間。實(shí)踐證明，該爆破設(shè)計(jì)爆破效果穩(wěn)定，平均進(jìn)尺達(dá)到2.2 m，炸藥單耗穩(wěn)定在3.52 kg/m3左右。炮孔孔徑均為Φ42，使用YT28氣腿鉆即可完成，節(jié)省施工空間且可滿足自流排水洞施工要求。

3 新技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)——水介質(zhì)換能爆破

隨著自流排水的開挖，洞身越來越長，受洞徑影響，通風(fēng)散煙越來越困難，散煙時間越來越長，影響到施工工期和作業(yè)人員健康。增加抽、排風(fēng)機(jī)和考慮施工通風(fēng)散煙都只是解決一時表象，不能從根本上解決爆破煙塵、有毒有害氣體超標(biāo)等問題。秦健飛（2016）總結(jié)前人水壓爆破研究成果，優(yōu)化施工工藝，創(chuàng)造性地提出水介質(zhì)換能爆破技術(shù)[3]。該技術(shù)在降低炸藥單耗、爆破振動危害，減少爆破飛石和爆破煙塵等方面效果顯著。

圖2中爆破設(shè)計(jì)炮孔布置及雷管段別不變，對MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13 段雷管孔位的裝藥結(jié)構(gòu)做如下調(diào)整：由炸藥+封堵調(diào)整為炸藥+水 袋+封堵。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)不變，見圖3。

經(jīng)過 10次爆破試驗(yàn)，取爆破參數(shù)平均值，結(jié)果見表3。

圖3 水介質(zhì)換能爆破裝藥結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)對比

表3 設(shè)計(jì)爆破參數(shù)

水介質(zhì)換能爆破對炮孔封堵要求很高，只有在密閉性好的空間內(nèi)爆破瞬間方可實(shí)現(xiàn)水對炸藥能量的吸收與釋放，從而延長爆破時程，提高炸藥能量利用率，實(shí)現(xiàn)降低炸藥單耗、爆破振動危害和減少爆破飛石、爆破煙塵的目標(biāo)。經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)試，上述爆破設(shè)計(jì)達(dá)到較為穩(wěn)定的爆破效果，總裝藥量穩(wěn)定在56 kg左右，對底腳孔和掏槽孔適當(dāng)增加了裝藥量，炸藥單耗穩(wěn)定在3.20 kg/m3。最主要的是爆破煙塵大大降低，現(xiàn)場炮工反映相比以前刺鼻辣眼氣味小很多。

水介質(zhì)換能爆破在降低施工成本和節(jié)能環(huán)保方面前景廣闊。但是目前仍存在一些制約因素，首先是爆破水袋制作工藝未做到自動化，制作水袋費(fèi)工費(fèi)時；其次是堵孔要求較高，炮泥制作要求較高；尤其是洞室開挖為連續(xù)循環(huán)作業(yè)，對爆破水袋、封堵炮泥需求量大，目前制水袋設(shè)備尚處于半試驗(yàn)半生產(chǎn)狀態(tài)，生產(chǎn)效率有待提高。以當(dāng)前爆破情況分析，該爆破設(shè)計(jì)單耗有所降低，但是制作水袋的人工成本增加，總體下來施工成本未見有效降低，但是該爆破技術(shù)應(yīng)用前景廣泛，是綠色爆破的新選擇。

4 經(jīng)濟(jì)適用性分析

工程施工不同于理論研究，施工選擇不只是考慮單純經(jīng)濟(jì)性，而是綜合人、機(jī)、料、法、環(huán)做出的最優(yōu)選擇。工程的性質(zhì)與作用不同，做選擇的著重點(diǎn)就不同，所以工程施工要結(jié)合工程本身?xiàng)l件進(jìn)行爆破工藝選擇。某電站自流排水洞為發(fā)電廠房排水隧洞，長達(dá)3.6 km，對工期需求較為迫切，故選擇側(cè)重點(diǎn)為可達(dá)到穩(wěn)定爆破效果和定額時間進(jìn)尺滿足工期要求，同時力圖經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)，節(jié)能減排。上述3種爆破設(shè)計(jì)對比情況見表4。

表4 爆破設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過以上分析，在目前情況下自流排水洞爆破最優(yōu)方案為花孔掏槽爆破設(shè)計(jì)，若以后水介質(zhì)換能爆破配套設(shè)備工藝完善后，可采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)進(jìn)行施工。

5 結(jié) 論

（1）小斷面隧洞施工受空間限制，設(shè)備選擇受限，孔位、孔深、孔徑、孔向等施工受限，且受圍巖夾制作用，加上花崗巖圍巖硬度、強(qiáng)度和完整性影響，開挖爆破施工難度較大，炸藥單耗高于理論值。

（2）掏槽部位增加空孔可增加補(bǔ)償空間和臨空自由面，提高爆破效率。如花孔掏槽爆破設(shè)計(jì)中抽芯孔裝藥輔助花孔留空時爆破效果好且穩(wěn)定。

（3）隧洞施工爆破參數(shù)優(yōu)化是一個動態(tài)的過程，必須基于各種圍巖條件施工過程的爆破試驗(yàn)并對原有參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，才可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

（4）工程實(shí)踐證明，水介質(zhì)換能爆破在降低炸藥單耗、爆破振動危害，減少爆破飛石和爆破煙塵等方面效果顯著，應(yīng)用前景可觀。