鄭武超

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，成都，610091)

1 工程概況

1.1 基本情況

鐵崗-石巖水庫水質(zhì)保障工程(四期)項目位于深圳市寶安區(qū)石巖街道寶石公路筆架山公交站，主要建筑物包括調(diào)蓄寶石湖、生態(tài)堤、溢洪道、轉(zhuǎn)輸隧洞、截洪渠(溝)等。為達到保障下游鐵崗水庫水質(zhì)安全、降低水質(zhì)風險的目的，擬在該片區(qū)西側洼地處新建調(diào)蓄寶石湖，收集匯水范圍內(nèi)1.24km2的初期雨水，其中建成區(qū)匯水面積為0.49km2，生態(tài)區(qū)匯水面積為0.75km2，將雨水完全存蓄后，通過轉(zhuǎn)輸隧洞(涵)輸送到擬建的應人石生態(tài)庫最終匯入鐵崗水庫。

轉(zhuǎn)輸隧洞(涵)布置在生態(tài)堤右側，起點為寶石湖，終點為應人石河口生態(tài)庫，全長2326m，其中隧洞段長1625.441m，箱涵段長700.559m，采用重力自流的方式，最大過流能力不小于31.40m3/s。順水流方向依次為進口工作閘、1#隧洞段、1#箱涵段、2#隧洞段、2#箱涵段、出口消力池和拋石海漫段。隧洞段采用城門洞型，二次襯砌后斷面尺寸2.5m×3.25m(寬×高)。本文主要對隧洞段爆破設計進行研究。

1.2 施工難點

本工程地處深圳市寶安區(qū)鐵崗水庫一、二級水資源保護區(qū)，沿線地表為基本農(nóng)田，轉(zhuǎn)輸隧洞為有壓隧洞，距離長、斷面尺寸較小，質(zhì)量要求嚴格。根據(jù)地質(zhì)報告描述，II類圍巖約22.3%，III類圍巖約4.7%，III-IV類圍巖約4.0%，IV類圍巖約5.3%，V類圍巖約63.7%，地質(zhì)復雜，地下水豐富，穩(wěn)定性較差，圍巖整體較破碎，給爆破作業(yè)帶來了難度。

2 轉(zhuǎn)輸隧洞爆破區(qū)周邊環(huán)境、地層巖性及工程地質(zhì)條件

2.1 周邊環(huán)境

1#隧洞與南光高速距離大于300m，進口周邊為林地、湖區(qū)，出口周邊為山林地帶，進出口周邊300m范圍內(nèi)均無建(構)筑物，無地下管線，沿線山體上分布有多座高壓線塔，洞口最近的線塔距離約61m；2#隧洞進口距南光高速約126m，出口距南光高速約204m，洞身段與高壓燃氣管線最近距離約30m，延線分布有高壓線塔，與洞口距離均在150m外，進口右側有鐵崗水庫的林場管理房，距離洞口約44m，出口周圍200m內(nèi)無建(構)筑物。

2.2 地層巖性

項目范圍內(nèi)出露地層有奧陶系、白堊系燕山侵入巖和第四系地層。早奧陶系(加里東期)侵入巖(ηγO1)主要分布在鐵崗水庫庫壩區(qū)下游，巖相簡單，為細粒斑狀混合花崗巖組成，多呈灰白色，以花崗結構為主；白堊系燕山四期侵入巖(γβ3K1、γβ4K1、ηΥ5K1)分布于工程區(qū)大部分，巖性為粗中粒黑云母花崗巖、細粒斑狀黑云母二長花崗巖、局部中(細中)粒斑狀角閃石黑云母二長花崗巖；第四系(Q)在區(qū)內(nèi)零星分布，主要分布于坡麓、溝谷底部和沖積平原地區(qū)，以及居民分布區(qū)，土層類型為殘(崩)坡積土(Qedl)、沖洪積土(Q4apl)和人工堆積物(Q4s)，局部雜填土。

2.3 工程地質(zhì)條件

范圍內(nèi)地質(zhì)條件和氣候、地貌有著相互聯(lián)系，寶安區(qū)屬亞熱帶季風氣候，受臺風和雨季影響，地下水豐富，分為有孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型。

(1)地面下松散巖層中的孔隙潛水：分布于河床兩岸沖洪積和殘坡積層中，受降水補給，一般埋藏在地表以下數(shù)米，充水條件較好，水位隨降雨量大小而變化。

(2)地面下基巖裂隙水：主要分布在風化巖石或堅硬巖石的裂隙中，主要是大氣降雨和孔隙潛水補給。受基巖裂隙發(fā)育程度控制，其埋藏深度和流量亦受大氣降水影響。

3 轉(zhuǎn)輸隧洞爆破設計方案

3.1 隧洞爆破作業(yè)分區(qū)

隧洞爆破區(qū)域分為1#隧洞、2#隧洞二個部分，其中1#隧洞進口明挖段進水閘基坑局部可能有1.0m～2.0m厚的巖石層需要爆破，2#隧洞進口位于明挖箱涵段，出口明挖段也可能局部存在少量硬巖需要爆破。暗挖隧洞采用進出口雙向掘進，如果施工進度需要且條件許可的情況下可能會在2#隧洞中間地段增加一個豎井往進出口方向掘進。1#隧洞進口及2#隧洞出口均設計有施工圍堰，隧洞進洞在圍堰修筑完成后開始施工，隧洞雙向掘進到進出口相距30m時，采用一個作業(yè)掘進，接近貫穿時派專人在另一側洞口處警戒，確保爆破安全。

3.2 隧洞爆破設計方案

根據(jù)施工方案，隧洞采用“新奧法”施工，φ42mm淺孔鉆進爆破，根據(jù)本工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，軟巖開挖選擇機械配合人工開挖方法，硬巖開挖選擇光面爆破施工。該工程Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖均采用全斷面光面爆破技術施工，Ⅱ、Ⅲ類圍巖每循環(huán)進尺2.0m～3.0m；Ⅳ、Ⅴ類圍巖每循環(huán)進尺0.5m～2.0m。鉆爆過程中遇到軟弱夾層或滲水較大時使用臺階法上下開挖，擬減少對圍巖的擾動，炸藥單耗宜控制在1.50kg/m3～2.60kg/m3之間，爆破過程中嚴格控制循環(huán)進尺，根據(jù)實際爆破效果及時進行參數(shù)調(diào)整。

3.3 鑿巖機具及爆破器材的選取

3.3.1 鑿巖機具的選取

依據(jù)設計的爆破方案，爆破鉆孔機具采取φ42mm直徑的鉆頭鉆孔，鉆頭為“一”字型或“+”字硬質(zhì)合金鋼，選取鉆桿長度分別是：1m～3.5m幾種規(guī)格，規(guī)格是中空六棱型。

3.3.2 爆破器材的選取

根據(jù)爆破規(guī)模及巖石特性，選用2#巖石乳化炸藥作為起爆藥，非電導爆管雷管起爆，所需爆破器材見表1。

表1 需用爆破器材

4 爆破參數(shù)設計與裝藥量計算

4.1 隧洞圍巖分類情況及支護形式

隧洞分為1#隧洞和2#隧洞兩段，1#隧洞全長320.0m，其中V類圍巖171.697m，Ⅲ、IV類圍巖148.303m；2#隧洞全長1305.441m，其中V類圍巖902.716m，Ⅲ、Ⅳ類圍巖62.042m，Ⅱ圍巖340.701m。具體分類及支護情況見表2。

表2 隧洞圍巖分類及支護情況統(tǒng)計

4.2 隧洞Ⅴ類圍巖石方開挖炮孔布置及裝藥量計算

Ⅴ類圍巖局部可能出露強風化巖，采用手風鉆鉆孔、裝少量乳化炸藥，用導爆管雷管進行起爆，循環(huán)進尺控制在1.0m左右。

4.2.1 施工流程

施工工藝流程見圖1。

圖1 Ⅴ類圍巖石方隧洞施工工藝流程

4.2.2 施工方法

隧洞開挖采用全斷面掘進法，YT-28手風鉆鉆爆。采用2#巖石乳化炸藥，非電雷管起爆，起爆順序依次為上排孔、中排孔、底板孔。洞口段及不良地質(zhì)洞段，采取短進尺、弱爆破的施工方法。

(1)地質(zhì)超前預報

使用有效的超前地質(zhì)預報，掌握開挖工作面前方圍巖幾米至幾十米地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結合掘進中地質(zhì)條件的變化，及時提出預報，以便有準備地做好各種預防和施工措施，確保隧洞施工作業(yè)順利進行。

(2)超前支護

超前支護見本章節(jié)超前支護。一般完成超前支護4h后方可進行隧道開挖。

(3)測量放樣

隧洞清碴、噴錨支護完成后，進行下一循環(huán)的施工。根據(jù)設計斷面尺寸，用全站儀進行斷面輪廓線測量放樣工作，在掌子面放出炮孔孔位，并用紅油漆在作業(yè)掌子面上作好標記。

(4)鉆孔

在鉆孔作業(yè)車上采用YT-28手風鉆造孔，孔徑φ42mm。爆破布孔見Ⅴ類圍巖洞身爆破設計圖(圖2)和Ⅴ類圍巖洞身爆破網(wǎng)路設計圖(圖3)。開孔時用自制開孔定位器，使孔位與設計一致；開孔后，嚴格控制鉆孔的方向，進尺速度、深度，并做好鉆孔記錄，供現(xiàn)場工程師參考。調(diào)整裝藥量和起爆順序，優(yōu)化開挖參數(shù)，局部(主要存在下臺階部位)開挖時打設三排左右的炮孔，沿邊墻設計輪廓線布置周邊孔，底板設計輪廓線布置底板孔。

圖2 Ⅴ類圍巖洞身爆破設計

圖3 Ⅴ類圍巖洞身爆破網(wǎng)路設計

(5)裝藥

裝藥嚴格按照規(guī)范和爆破操作安全規(guī)程，裝藥前用水沖洗鉆孔，上排孔、中排孔和底板孔采取柱狀連續(xù)裝藥，周邊孔采取導爆索空氣間隔裝藥。采用非電雷管起爆，非電毫秒雷管分段，起爆順序依次為上排孔、中排孔、周邊孔、底板孔。裝藥爆破設計參數(shù)見表3。

表3 Ⅴ類圍巖裝藥爆破設計參數(shù)

爆破工程師可根據(jù)地層情況及時調(diào)整炮孔數(shù)量和裝藥結構，嚴格控制最大單響裝藥量。

4.3 隧洞Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖炮孔布置及裝藥量計算

Ⅲ、Ⅳ類圍巖主要集中在隧洞中段，埋深較深，由強風化、弱風化花崗巖構成，屬硬巖，采用全斷面開挖。開挖時在中間偏上部位布置8個掏槽孔，其中中間2個為空孔，采用楔形掏槽，掏槽孔周邊布置輔助孔，設計輪廓線布置周邊孔，周邊孔導爆索+乳化炸藥裝藥，線裝藥密度控制在300g/m左右，底板設計輪廓線布置底板孔，用導爆管雷管進行起爆，循環(huán)進尺控制在1.0m～2.5m。炮孔布置如圖4所示。

圖4 Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖炮孔布置示意(單位：mm)

根據(jù)圖4炮孔布置情況，Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖裝藥量計算見表4。

表4 Ⅲ、Ⅳ類圍巖開挖裝藥量計算

4.4 隧洞Ⅱ類圍巖開挖炮孔布置及裝藥量計算

本項目在隧洞BY1+512.802～BY1+750T和BY1+997.412～BY2+100.000段分布有Ⅱ類圍巖，埋深較深，由微風化花崗巖構成，屬硬巖，采用全斷面開挖。開挖時在中間偏上部位布置8個掏槽孔，其中有2個空孔，采用楔形掏槽，掏槽孔周邊布置輔助孔，設計輪廓線布置周邊孔，周邊孔導爆索+乳化炸藥裝藥，線裝藥密度控制在320g/m左右，底板設計輪廓線布置底板孔，用導爆管雷管進行起爆，循環(huán)進尺控制在2.0m～3.0m。炮孔布置如圖5所示。

圖5 Ⅱ類圍巖開挖炮孔布置示意(單位：mm)

根據(jù)圖5炮孔布置情況，Ⅱ類圍巖開挖裝藥量計算見表5。

表5 Ⅱ類圍巖開挖裝藥量計算

5 布孔鉆孔、裝藥堵塞及起爆網(wǎng)路設計

5.1 炮孔布置及鉆孔設計

隧洞爆破掏槽眼、輔助眼、周邊眼的布置，詳見Ⅱ類、Ⅲ、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖炮孔布置示意圖，但要注意，鉆孔時一定要按測量的點位施工，保證爆破效果理想。周邊眼沿設計輪廓線均勻布置，為了控制超欠挖以及便于下一次鉆眼時落鉆孔眼，擬將炮眼方向以3%～5%的斜率外插，眼底落在設計輪廓線以外10cm～15cm；底板眼的眼底也須落在設計輪廓線以外5cm～10cm左右，并與輔助眼、周邊眼的眼底落在同一垂直面上，而且采取較大的炸藥單耗，有利于克服上覆石碴的壓制并起到翻碴作用。

5.2 裝藥堵塞設計

隧洞爆破掏槽孔、輔助孔及底板孔采用連續(xù)裝藥結構，周邊眼采用間隔裝藥，導爆索傳爆，卷狀乳膠炸藥作主爆藥，起爆雷管置于孔底，聚能穴指向孔口，孔口部分用砂粘土堵塞。各炮孔裝藥結構如圖6所示。

圖6 隧洞各類型炮孔裝藥結構示意

5.3 起爆網(wǎng)路設計

爆破采用孔內(nèi)分段微差起爆方法。從保證安全的角度出發(fā)，使用毫秒延期導爆管網(wǎng)路。每孔一發(fā)非電延期毫秒雷管，孔外簇聯(lián)后由雙發(fā)毫秒延期導爆管雷管連接后由激發(fā)針起爆。起爆網(wǎng)路詳見下圖7所示。

圖7 隧洞—毫秒延期導爆管雷管起爆網(wǎng)路

6 爆破安全驗算

6.1 爆破振動安全控制

根據(jù)本工程所處的地理位置及周邊環(huán)境，需要對不同距離內(nèi)的高壓線塔及高壓燃氣管線進行驗算以確定同段起爆最大裝藥量，以便指導施工。

裝藥量根據(jù)《爆破安全規(guī)程》計算：

式中：Q——最大一段的裝藥量，kg；

R——距爆源中心的距離，m；

K——與介質(zhì)特性、爆破方式及其它因素有關的系數(shù)，本項目Ⅴ類圍巖段與燃氣管道距離較近，K取250；

V——建(構)筑物允許振速，取2cm/s；

α——地震衰減指數(shù)，取1.8。

可得計算結果如表6所示。

表6 不同距離的最大一段的裝藥量值對照

根據(jù)設計圖紙得知，2#轉(zhuǎn)輸隧洞在BY1+050至BY1+270段均為Ⅴ類圍巖，距離高壓天然氣管道最小距離約30.6m，該段圍巖為爍質(zhì)粘土層、殘積土層和全風化花崗巖層。施工時采用無爆開挖或弱爆開挖，同時可以采用上下臺階法開挖，爆破方式為淺孔掘進爆破，每循環(huán)進尺0.5m～2.0m，通過控制循環(huán)進尺和毫秒微差導爆管雷管分段起爆的方法控制最大單響裝藥量，保證爆破振動值不超過相關法律法規(guī)和規(guī)范規(guī)定的范圍，從而保證高壓管道的安全。

按高壓天然氣管道的控制振動速度V=2.0cm/s計算最近距離為30.6m時的單響裝藥量為Q=R3(V/K)3/α=30.63×(2/250)3/1.8=9.17kg，隧洞爆破Ⅴ類圍巖一次爆破最大總裝藥量不大于13.2kg，通過毫秒微差導爆管雷管分段起爆的方法控制單響裝藥量不大于4kg，能滿足爆破振動要求。

爆破作業(yè)過程中可根據(jù)不同爆破部位控制單段起爆最大裝藥量，保證爆破震動不會對周邊建(構)筑物造成傷害。

6.2 安全警戒

每次爆破前30min進行安全警戒，警戒范圍按爆破飛石的安全距離確定，警戒范圍以內(nèi)的一切人員全部撤離，爆破指揮則依每次爆破地點設于安全位置。爆破指揮、起爆點和各警戒點之間用對講機保持順暢的通訊聯(lián)系。警戒信號分為三種，即警戒、準備起爆和警戒撤離。每次爆破后檢查無誤后由爆破指揮發(fā)出警戒撤消信號。

7 安全技術與防護措施

(1)所有鉆爆作業(yè)人員必須按照安全操作規(guī)范佩戴安全帽，腳穿防滑絕緣鞋，持證上崗。

(2)孔距必須嚴格控制，孔底落在同一條線，同一平面上，開口誤差及群孔平行度不得超過±10cm。

(3)所有堵塞必須選用磨擦系數(shù)大、密度大的材料作炮泥，要求堵塞必須密實、連續(xù)，嚴格避免堵塞物夾雜碎石。

(4)在裝藥堵塞和防護過程中，嚴禁強拉、踩壓傳爆線及導爆管。要求必須謹慎小心，防止損壞起爆線路。

(5)所有火工品的搬運存放必須遵守《民爆器材管理規(guī)定》，輕拿輕放，分放分拿。

(6)作業(yè)區(qū)不得攜帶煙火進入，禁止所有攜帶手機、手電等射頻器材人員在施工現(xiàn)場。

(7)在裝藥前，設立警戒區(qū)并插紅旗顯示，嚴格實行“三員一長”制度，做到萬無一失。

(8)爆破前30min必須設立安全警戒，并吹口哨鳴叫，通知所有的機械、人員撤離隧洞并在安全警戒范圍之外。

(9)在放炮前應書面通知附近作業(yè)的人員知曉。起爆時，用口哨三長聲鳴叫；起爆后，口哨一長聲解除信號。

(10)爆破后，經(jīng)通風，由爆破員入場查看有無盲炮，如有盲炮，必須由專業(yè)爆破員在工程師的指導下進行處理。

8 結語

生態(tài)庫轉(zhuǎn)輸隧洞工程施工在有限空間內(nèi)復雜的地質(zhì)條件下，應深入了解地質(zhì)相關內(nèi)容，根據(jù)不同的圍巖類別，科學合理地制訂爆破設計方案，有效地應對施工風險問題，在充分保證施工安全的基礎上提高工程的進度和質(zhì)量，滿足相關施工技術標準和規(guī)范，提高經(jīng)濟效益。