張洪達(dá)

(1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401120；2.西華大學(xué)，四川 成都 610039)

國內(nèi)大型水封洞庫具有高直墻、大跨度、不襯砌等特點(diǎn)[1]，主洞室通常采用履帶式液壓鑿巖臺車或人工鉆爆法水平分層開挖[2]，運(yùn)用其他施工技術(shù)的研究相對缺乏。隨著鑿巖設(shè)備的不斷更新，深孔爆破技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用逐漸顯現(xiàn)。如水利壩體基礎(chǔ)[3-5]和高邊坡工程[6]等，多采用深孔梯段預(yù)裂爆破[7]的開挖方式，有效解決了輪廓凹凸、塊體過大、底板不平等問題。本文以湛江國家石油儲備地下水封洞庫主洞室二、三層開挖為例，借鑒深孔梯段預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行嘗試，總結(jié)分析其應(yīng)用效果。

1 工程概況

湛江國家石油儲備地下水封洞庫主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成。主洞室群分布10 條主洞室，相鄰洞室間凈距為40 m。主洞室為直墻圓拱洞，洞跨20 m、洞高30 m、長度均為923 m，頂拱高程-80.00 m，底板高程-110.00 m。

庫區(qū)主要為燕山一期花崗巖、花崗閃長巖以及燕山晚期煌斑巖脈、花崗偉晶巖脈、細(xì)晶狀長英質(zhì)巖脈。洞室區(qū)穿越多條斷層破碎帶，破碎帶以斷層角礫巖夾黏性土層為主，呈角礫狀及破碎狀，少量呈短柱狀。洞庫巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2 施工方案選擇

結(jié)合工況，主洞室分3 層開挖，每層開挖高度均為10 m，斷面分層形式如圖1 所示。頂層常采用常規(guī)鉆爆法，以中導(dǎo)洞先行、周邊擴(kuò)挖，或左右分幅交錯掘進(jìn)。二、三層開挖采用水平鉆孔爆破開挖。

圖1 主洞室分層開挖示意

在液壓鑿巖臺車頂層開挖過程中，因洞室內(nèi)溫度高、濕度大，不利于鑿巖臺車散熱，設(shè)備配件故障率高，且洞內(nèi)地下滲水存在腐蝕性，臺車銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致開挖進(jìn)度受限，施工成本居高不下。

鑒于二、三層作業(yè)空間大，且已有多個臨空面，綜合考慮潛孔鉆豎向梯段預(yù)裂爆破開挖較常規(guī)鉆爆法具有一次進(jìn)尺長、人工投入少、維保費(fèi)用低、配件供應(yīng)快等優(yōu)勢，可進(jìn)行嘗試。

豎向梯段預(yù)裂爆破法即二、三層沿邊墻輪廓利用潛孔鉆垂直密集成孔，預(yù)先起爆形成平整的預(yù)裂縫，各梯段主爆區(qū)循環(huán)依次掘進(jìn)，底板預(yù)留一定厚度保護(hù)層實(shí)施水平光面爆破。各主洞室間隔爆破、雙向開挖，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的作業(yè)循環(huán)。所有的預(yù)裂孔均先于主爆孔起爆，縱向一次起爆24 m。主爆區(qū)梅花型垂直布孔，孔內(nèi)、外分段設(shè)置非電毫秒雷管形成延時網(wǎng)絡(luò)，為控制單段最大起爆藥量，分批次進(jìn)行起爆。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 炮孔孔徑確定

結(jié)合主洞室斷面尺寸、地質(zhì)條件及鑿巖機(jī)性能，選定預(yù)裂孔及主爆孔直徑均為76 mm，底板水平孔直徑為45 mm。

3.2 鉆孔深度確定

為克服底板阻力，確保不留根底，且不破壞臺階底部巖體完整性，保證開挖高度達(dá)到預(yù)定值，每層超深h按分層高度H計(jì)算：

確定二層鉆孔較臺階底板超深1.5 m，三層需預(yù)留底板光爆層，故二、三層豎向鉆孔深度分別為11.5 m 和9 m。

3.3 孔距和排距確定

3.3.1 預(yù)裂孔

預(yù)裂孔沿洞身輪廓線兩側(cè)豎向布置，孔距a計(jì)算公式如下：

式中，D為鉆孔直徑，mm。依據(jù)孔徑大小及巖石完整性選擇，確定預(yù)裂孔間距為0.8 m。

3.3.2 主爆孔

在深孔爆破中，主爆孔密集系數(shù)m為重要的參數(shù)指標(biāo)。m指同排炮孔孔距a與排距b的比值，一般為0.8～1.2。經(jīng)爆破試驗(yàn)總結(jié)，為控制爆破巖體塊度，現(xiàn)場取m=1，a=2 m，b=2 m 梅花型布置時效果最佳。主爆區(qū)炮孔布置如圖2、圖3 所示。

圖2 主爆區(qū)炮眼布置（單位：cm）

圖3 梯段爆破炮孔剖面（單位：cm）

3.3.3 緩沖孔為確保預(yù)裂帶的減震效果，減少主爆孔爆破對預(yù)裂面的破壞作用，在主爆孔和預(yù)裂孔之間設(shè)置緩沖孔。緩沖孔間距為主爆孔最小抵抗線的50%～75%，緩沖孔距離預(yù)裂面1.2 m，孔距為1.6 m，孔深與主爆孔相同。

3.4 裝藥參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)

3.4.1 裝藥參數(shù)

以二層開挖為例，對各類型炮孔裝藥參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）預(yù)裂孔。沿邊墻豎向布置的預(yù)裂孔間距為0.8 m，孔深11.5 m，一次起爆長度24 m。采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ32 mm×200 g，不耦合系數(shù)2.4?？椎锥卧O(shè)置加強(qiáng)藥包，采用2 卷規(guī)格為Φ60 mm×1200 g（單節(jié)長300 mm）的大藥卷。預(yù)裂孔線裝藥密度Qx計(jì)算公式如下：

式中，Qx為預(yù)裂孔裝藥密度，g/m；a為預(yù)裂孔孔距，0.8 m；R壓取176.3 MPa。

經(jīng)計(jì)算Qx=500 g/m。

單孔裝藥量Q1=QxL=5.8 kg，經(jīng)試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際取6.4 kg。預(yù)裂孔爆破參數(shù)見表2。

表2 預(yù)裂孔爆破參數(shù)

（2）主爆孔。主爆孔采用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格Φ60 mm×1200 g，不耦合系數(shù)1.3。主爆孔裝藥量Q2計(jì)算公式如下：

式中，q為單位炸藥消耗量，kg/m3；a為孔距，m；b為排距，m；H為開挖深度，m；k0為考慮炸藥保留的校正系數(shù)，取1.64；S為洞室斷面面積，m2；F為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取17。

經(jīng)計(jì)算，炸藥單耗q=0.53 kg/m3；Q2=25.4 kg。經(jīng)試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際取25.2 kg。

（3）緩沖孔。緩沖間距取1.6 m，藥量為主爆孔的一半，單孔藥量為12.7 kg。

二層開挖主爆區(qū)各炮孔爆破參數(shù)見表3。

表3 各炮孔爆破參數(shù)

3.4.2 裝藥結(jié)構(gòu)及爆破網(wǎng)路

（1）預(yù)裂孔?？椎?0 cm 加強(qiáng)段為大直徑藥卷連續(xù)裝藥外，正常段采用Φ32 mm×200 g 藥卷等間距空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。其裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）

為了保證炸藥充分發(fā)揮作用，不出現(xiàn)沖孔、孔口掀抬等問題，堵塞長度不小于1.5 m。堵塞材料選用炮泥配合粒徑較小的砂礫石，并用炮棍搗實(shí)。

（2）主爆孔。主爆區(qū)炮孔采用連續(xù)分層裝藥。為有效降低巖石大塊率，主爆區(qū)炮孔裝藥分3 層進(jìn)行堵塞。各層裝藥量見表4。

表4 主爆孔各層裝藥量分配

主爆區(qū)堵塞分3 層進(jìn)行。堵塞長度與最小抵抗線、鉆孔直徑、爆區(qū)環(huán)境有關(guān)，孔口堵塞長度取30～35 cm。其余隔斷堵塞長度如圖5 所示。

圖5 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）

（3）緩沖孔。緩沖孔在主爆孔爆破后起爆，緩沖孔裝藥采用連續(xù)裝藥，堵塞長度不小于2.5 m。

（4）起爆網(wǎng)路。預(yù)裂孔超前主爆區(qū)起爆形成預(yù)裂面，預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索連通達(dá)到同時起爆。

主爆孔每循環(huán)起爆4 排炮孔，每循環(huán)長8 m。因主爆孔分3 層連續(xù)裝藥，在中間裝藥區(qū)和孔口裝藥區(qū)各布置1 個導(dǎo)爆雷管，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)延時效果，通過地表的導(dǎo)爆管網(wǎng)路引爆孔內(nèi)的分段藥卷?？淄獠捎瞄g隔分段連線，形成梯形排炮，減少圍巖的夾制作用，增加渣堆拋擲距離和松散程度。

起爆順序按主爆孔4～5 孔逐排起爆，最大單段藥量不超過126 kg，減少爆破振動危害。主爆區(qū)各排間采用MS-3 段非電毫秒雷管進(jìn)行接力延時。

4 爆破振動控制

爆破安全主要考慮爆破振動、飛石、空氣沖擊波對周圍建筑物、人員及車輛的影響和破壞。

4.1 爆破振動控制原則

爆破振動的影響由其爆藥量釋放的能量決定。單段允許裝爆藥量Q3采用薩道夫斯基公式推倒，其計(jì)算公式如下：

式中，Q3為單段允許裝藥量，kg；Vmax為最大允許振速，cm/s；R為測點(diǎn)距爆區(qū)幾何中心距離，m；K、α為與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件、爆破等因素有關(guān)的參數(shù)，其取值范圍見表5。

表5 不同巖性的K、a 值一般取值范圍

庫區(qū)以硬質(zhì)巖為主，單段最大允許起爆藥量Q3為128 kg。

4.2 爆破空氣沖擊波驗(yàn)算

爆破時的沖擊波超壓計(jì)算采用的波克洛夫斯基公式如下：

式中，P為空氣沖擊波陣面超壓，105Pa；S為裝藥巷道的斷面積，m2；Q4為裸露爆破TNT 炸藥當(dāng)量，本工程中乳化炸藥反向起爆方式經(jīng)轉(zhuǎn)換得41.7 kg；R為距爆區(qū)幾何中心距離，m；K為系數(shù)。

爆破沖擊波計(jì)算參數(shù)選擇及計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 爆破沖擊波計(jì)算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》所述，爆破空氣沖擊波達(dá)到0.3×105Pa 時會造成人員的聽覺損傷，地下洞庫爆破安全防護(hù)距離嚴(yán)禁小于200 m。現(xiàn)場按照350 m 控制。

4.3 實(shí)際爆破振動的驗(yàn)證

4.3.1 爆破振速

經(jīng)專業(yè)監(jiān)測小組多次進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動速度監(jiān)測[8]，爆破未對洞室邊墻造成危害，爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度為0.1～1.7 cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》中對于新澆大體積混凝土的最大振速為2.0 cm/s 的要求。爆源基本情況和測試結(jié)果見表7。

表7 各點(diǎn)位儀器振動記錄數(shù)據(jù)

4.3.2 爆破地震波

為回歸得出在本測試條件下該區(qū)域的爆破地震波傳播規(guī)律，采用《爆破安全規(guī)程》推薦的爆破振動經(jīng)驗(yàn)公式如下：

當(dāng)不考慮高程效應(yīng)時，兩邊取對數(shù)后為lgV= lgK+αlgρ（ρ=為比例藥量）。令y= lgV、e=lgk、f=a和x=lgρ，則y=e+fx，可通過解析法或一元線性回歸求得e和f，最終求得k、α。通過最小二乘法進(jìn)行回歸分析，得出爆破值見表8。

表8 回歸系數(shù)k、α 取值

隨機(jī)抽取實(shí)測爆破地震波如圖6、圖7 所示，由于波形較多，此處不逐一列舉。

圖6 2 號測點(diǎn)垂直向波形

圖7 4 號測點(diǎn)水平向波形

4.3.3 最大單段安全藥量

確保爆區(qū)周邊建筑物或臨近洞室的最大單段安全起爆藥量，其計(jì)算公式如下：

擬保護(hù)的對象不同，其允許的地面質(zhì)點(diǎn)安全振速[γ]及所對應(yīng)的最大一段起爆安全藥量也不同。依據(jù)《爆破安全規(guī)程》中對于新澆大體積混凝土的最大振速為2.0 cm/s 的要求，模擬以二襯作為保護(hù)對象，二襯距離掌子面為60 m 的標(biāo)準(zhǔn)反算得到的最大單段藥量為129.903 kg。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的《地下洞庫施工技術(shù)要求》，超前預(yù)注漿及后注漿的最大振速為5～7 cm/s，現(xiàn)場起爆連線方式實(shí)際最大單段藥量126 kg，小于反算得出的最大單段起爆藥量。

5 工效分析

深孔梯段預(yù)裂爆破的應(yīng)用改變了原有組織配置。在滿足主洞室多工作面循環(huán)穿插施工的前提下，不同開挖方法設(shè)備投入對比見表9。

表9 不同開挖方法設(shè)備投入對比

以主洞室二層單工作面開挖為例，采用傳統(tǒng)鉆爆法與潛孔鉆成孔的深孔梯段預(yù)裂爆破法在作業(yè)循環(huán)時間的對比見表10。

表10 不同開挖方法工效對比

采用深孔梯段預(yù)裂爆破后，主洞室月施工進(jìn)度由原來的240 m 提升至280 m。由于所用常規(guī)的鉆孔設(shè)備配件供應(yīng)及時，折舊及維保費(fèi)用大幅降低，開挖成本下降了4.2 元/m3，工效明顯。

6 結(jié)論

（1）深孔梯段預(yù)裂爆破法較臺車鉆爆具有組織靈活、施工持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，較“人海戰(zhàn)術(shù)”的傳統(tǒng)鉆爆法大幅提升了施工進(jìn)度，有效降低了管理難度和安全風(fēng)險。

（2）通過爆破過程中的振動監(jiān)測，梯段預(yù)裂爆破中質(zhì)點(diǎn)振動速度低于規(guī)程及設(shè)計(jì)要求控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，爆破振速大幅降低。

（3）適當(dāng)增加孔距及排距，在盡量少鉆孔的條件下可進(jìn)一步減少循環(huán)時間，降低炸藥單耗，提升施工進(jìn)度和效益。

（4）預(yù)裂孔鉆孔精度和裝藥量直接影響輪廓成型效果，是控制爆破成型質(zhì)量的關(guān)鍵。需嚴(yán)格控制鉆孔精度、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長度及改善輪廓成型效果，控制大塊率和底板根坎。

（5）本文以抗壓強(qiáng)度高、完整性好的花崗巖、花崗閃長巖及細(xì)晶狀長英質(zhì)巖脈地層為研究條件，深孔梯段預(yù)裂爆破技術(shù)對局部存在破碎帶地質(zhì)條件的適用性還需進(jìn)一步研究。