薛金標(biāo)

(福建省水利水電建設(shè)有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

水系連通工程能夠?qū)⑿略稣{(diào)水能力，提升城市供水保障水平，確保居民生活用水安全，因此實(shí)施水系連通工程具有重要意義[1-2]。引水隧道的開(kāi)挖是大型水系連通工程的必要工程措施，而不同的隧道開(kāi)挖工藝會(huì)對(duì)工程質(zhì)量有明顯影響，較差的施工工藝會(huì)導(dǎo)致引水洞后期服役時(shí)間短，甚至出現(xiàn)垮塌等工程災(zāi)害，因此研究隧道開(kāi)挖施工工藝十分必要[4-5]。

陶立明[6]針對(duì)隧道工程中的淺埋暗挖施工技術(shù)展開(kāi)了深入分析；魏星[7]分析了淺埋黏土層大跨度隧道施工要點(diǎn)；王明明等[8]利用數(shù)值模擬對(duì)隧道施工對(duì)樁基托換之后的橋樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；魯美等[9]研究了公路下方隧道開(kāi)挖涉路工程及控制要點(diǎn)；欒純立等[10]對(duì)設(shè)計(jì)圖紙、周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件等方面進(jìn)行分析，歸納出了在地下鐵路保護(hù)區(qū)的明挖隧道施工防護(hù)對(duì)策，從而有效地克服了在保護(hù)區(qū)中開(kāi)挖的困難；李軍懷[11]對(duì)水利工程隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的論述，并提出科學(xué)有效的質(zhì)量控制措施。此外還有學(xué)者對(duì)不良地質(zhì)條件下隧道開(kāi)挖方法進(jìn)行了研究[12-13]。

爆破是當(dāng)前石質(zhì)圍巖隧道開(kāi)挖的主要方法。其中，光面爆破是常見(jiàn)技術(shù)之一，該技術(shù)在1952年由加拿大第一次采用。光面爆破技術(shù)分區(qū)分段進(jìn)行微差爆破，保證了爆炸后的輪廓線滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要，并可使臨空面規(guī)則、平整，因此得到廣泛運(yùn)用[14]。然而目前由于我國(guó)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，不同的光面爆破工藝在不同工程條件下有明顯差異性，因此需要因地制宜提出相應(yīng)的施工方法。本文以福鼎市東南沿海河庫(kù)水系連通工程為例，從隧洞開(kāi)挖施工方法、光面爆破施工工藝、爆破安全距離計(jì)算等多個(gè)方面進(jìn)行了研究分析并提出施工工藝，根據(jù)實(shí)際工程情況確定爆破開(kāi)挖模型，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

福鼎市東南沿海河庫(kù)水系連通工程主要建筑物共包含4段輸水隧洞、4段輸水管道以及1條施工支洞。4段輸水的隧洞總長(zhǎng)度為13.321km，其中柴山—牛頭坑輸水隧洞(1#隧洞)長(zhǎng)4214.5m、牛頭坑—四斗庵輸水隧洞(2#隧洞)長(zhǎng)5420.9m、四斗庵—鳳谷輸水隧洞(3#隧洞)長(zhǎng)2187m、鳳谷—逍遙谷隧洞(4#隧洞)長(zhǎng)1747.5m。隧道的開(kāi)挖截面采取“城門(mén)型”，其寬度為2.4m，高為2.4m。4段輸水管道全長(zhǎng)為508.8m，采用DN1600型號(hào)的單根鋼管，牛頭坑管道長(zhǎng)為103.8m、四斗庵管道長(zhǎng)82.9m、鳳谷管道長(zhǎng)72.6m、逍遙谷管道長(zhǎng)249.5m。施工便道包括新建道路(寬4m)7.5km，改擴(kuò)建施工道路(寬4m)0.28km，現(xiàn)狀水泥道路損壞修復(fù)5km。

3 隧洞開(kāi)挖施工方法

本工程適用于洞室開(kāi)挖光面爆破施工，采取全斷面和鉆爆法對(duì)隧洞進(jìn)行開(kāi)挖，爬渣機(jī)裝車(chē)，運(yùn)輸使用翻斗車(chē)。如果遇到軟弱地段(坍塌、裂隙、節(jié)理發(fā)育等)采取“錨網(wǎng)噴、鋼支撐”等臨時(shí)性支護(hù)技術(shù)，施工全過(guò)程遵循“爆破弱、支撐強(qiáng)、進(jìn)尺短、監(jiān)測(cè)勤”的施工方針，采取全斷面方式對(duì)隧洞進(jìn)行開(kāi)挖，在施工時(shí)要注意控制周邊眼的方位，減少超欠挖，并采取微差爆破技術(shù)，盡可能增加雷管的微差段，使每1段的炸藥用量減少，從而減小震動(dòng)效應(yīng)，能有效降低圍巖條件差地段穩(wěn)定性的影響。全斷面的施工工藝如圖1所示。

圖1 全斷面施工工藝

4 光面爆破施工工藝

4.1 鉆眼

鉆工需要對(duì)炮孔分布圖有一定的了解，并能對(duì)鉆具進(jìn)行熟練操作，特別是對(duì)鉆孔周?chē)袑?zhuān)門(mén)的人員在臺(tái)車(chē)上指揮，保證周邊眼外接的角度，外接角度通常不會(huì)大于2～3°，盡量保證2個(gè)炮口臺(tái)階不超過(guò)15cm。同時(shí)，要確保炮眼底部處于同一水平面上，必須根據(jù)工作面的巖層高低、孔眼的部位調(diào)整炮孔的厚度。掏槽眼比輔助眼眼底深10cm。

4.2 鉆爆設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)原則

針對(duì)工程的實(shí)際情況，從開(kāi)挖進(jìn)尺、爆破開(kāi)挖、爆破設(shè)備等方面進(jìn)行了爆破方案的編制。根據(jù)巖體的特點(diǎn)，合理選擇最小抗拒線和周邊眼的距離，使輔助眼與周邊眼的水平方向保持一致，并使挖槽深度達(dá)到20cm。

(2)鉆爆參數(shù)的選擇

用爆破試驗(yàn)測(cè)定爆破的參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)參數(shù)參考見(jiàn)表1。

表1 光面爆破參數(shù)

(3)掏槽方式

掏槽采用斜眼鍥型，可降低鉆眼數(shù)目，縮短鉆孔周期，加快施工進(jìn)度。

(4)裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

裝藥結(jié)構(gòu)：用小口徑的藥片對(duì)周邊眼進(jìn)行持續(xù)的裝填，在巖石非常柔軟的情況下使用引信。

堵法：將裝炸藥的炮孔用泥漿封起來(lái)，周?chē)椎淖枞L(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)40cm。

(5)爆破效果監(jiān)測(cè)及爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

檢驗(yàn)爆破坑的完好性，硬巖是否達(dá)到80%以上，中硬巖是否達(dá)到60%以上；二次爆炸的聯(lián)結(jié)階梯高度小于10cm。

爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化：對(duì)每1次爆破的爆破結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)影響因素的分析，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，以改進(jìn)爆破的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益；根據(jù)節(jié)理裂縫的發(fā)展、巖性軟硬度等因素，調(diào)整眼間距、用量，尤其是周邊眼；采用了對(duì)破碎后的碎屑粒徑進(jìn)行了修正。小粒徑表明副眼密度大，而塊度大表示為分布稀薄；根據(jù)基坑表面的不平狀況，對(duì)鉆孔深進(jìn)行微調(diào)，以保證爆眼在同一剖面上。

(6)清孔

在裝炸藥前，先用彎形的鋼制槍鉤和較大口徑的高壓力空氣管道把石塊排出。

(7)裝藥

按照計(jì)劃的要求，從上往下進(jìn)行裝藥，雷管要與標(biāo)號(hào)相符。用炮泥封住裝有炸藥的炮眼，堵塞長(zhǎng)度應(yīng)該大于20cm。4個(gè)空眼，每個(gè)眼的直徑是75mm，其它眼的直徑是45mm；采用微差爆破技術(shù)引爆。

(8)連接起爆網(wǎng)絡(luò)

采用復(fù)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在接頭時(shí)應(yīng)留意：不能拉伸并擰緊導(dǎo)爆管；每1個(gè)炮眼雷管的接頭次數(shù)必須是一樣的；起爆雷管用一條黑色膠帶包裹，并與1根導(dǎo)爆管的1根自由端保持10cm的距離。

5 隧洞開(kāi)挖采用光面爆破技術(shù)措施

為了有效地防止超欠挖，減小隧道內(nèi)的粗糙度，在施工難度大的地區(qū)采用了弱爆破法。根據(jù)開(kāi)挖斷面、開(kāi)挖方法、地質(zhì)條件、掘進(jìn)周期進(jìn)尺等確定光爆炸方案，經(jīng)審批通過(guò)后，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行施工，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。從斷面輪廓上挖出的外圍孔洞呈放射狀分布，外張量不超過(guò)20cm。提高鉆眼、畫(huà)線的精度，特別是周邊眼的精確度是超低開(kāi)挖最重要的原因，必須對(duì)標(biāo)中線高程進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量，并精確地繪制出基坑的輪廓線。采取早期合理的施工措施，及早閉合，以有效地減少?lài)鷰r體的變形，減少暴露時(shí)間，強(qiáng)化對(duì)圍巖的監(jiān)測(cè)。

6 爆破設(shè)計(jì)

6.1 裝藥量計(jì)算

本工程隧洞寬度B為2.4m，隧洞高度H為2.4m，斷面積S約為5.142m2。每1掘進(jìn)循環(huán)總藥量按下式計(jì)算：

Q=qSLη

(1)

式中，q—單位的炸藥消耗量，一般取1.50kg/m3；S—隧洞掘進(jìn)斷面，取6.4m2；L—炮孔深度，取2.2m；η—炮眼利用率，取0.8。

6.2 單孔裝藥量計(jì)算

挖槽的單孔裝藥量：由于掏槽眼與工作平面呈豎向關(guān)系；掏槽眼長(zhǎng)是2.2m。炮孔的使用率為0.8，其裝藥長(zhǎng)度是1.8m，單孔的藥量就是1.4kg。

不同眼的單孔裝藥量也不同：周邊眼的裝藥量是按爆炸需要計(jì)算，w是最小的周邊眼抵抗線，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取600mm，單孔的藥量是0.95～1.1kg；底眼的炮孔裝藥系數(shù)是0.7，炮孔的裝藥長(zhǎng)度是1.8m，單孔藥量是1.3kg。

7 鉆孔設(shè)計(jì)

掏槽形式：因該項(xiàng)目斷面積是4.95m2，截面積小，橫截面巖體強(qiáng)度為6～12，故掏槽方式建議采用水平桶形，其掏槽眼隔為0.4～0.6m；排距為0.4m。與工作面垂直；掏槽眼長(zhǎng)2.5m。炮眼利用率是0.8，炮孔裝藥長(zhǎng)2m，單孔藥量是1.5kg。

周邊眼的參數(shù)為：炮眼孔距為0.5～0.6m，深度是2.2m，按爆破條件，最小的周邊眼抵抗線w，一般取10～20d，即w=20×40=800，孔距a取0.6m。根據(jù)周?chē)谋埔螅诳籽b藥的長(zhǎng)度為0.6m，單孔的藥量是0.45kg。

輔助眼參數(shù)：工作面與輔助眼垂直，炮眼的深度是2.2m，根據(jù)實(shí)際剖面尺寸，采用均勻的開(kāi)孔方式，孔徑為0.6～0.8m，排距是0.8m。

底眼參數(shù)：依據(jù)底眼拋擲作用的需要，將底部鉆孔的位置朝下，底面要比底眼眼底高200mm，因此底眼炮眼的長(zhǎng)度是2.45m，孔距是0.6～0.7m。布孔的具體方式，可以依據(jù)斷面大小及巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 鉆孔布置圖

8 爆破安全距離計(jì)算

本工程采用隧道施工，隧道內(nèi)的沖擊波、飛石均受限于隧道入口的方位影響，隧洞口的安全間距為300m(即新挖出的工作面)，其后可根據(jù)施工的安全范圍適當(dāng)?shù)叵蚝笸七M(jìn)。按照GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》，隧道開(kāi)挖和開(kāi)挖時(shí)，隧道的振動(dòng)速度為4cm/s，此次設(shè)計(jì)的隧道開(kāi)挖最大劑量為21kg，并采用了分段起爆。由爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)速度可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，Qmax—最大單次爆炸，kg；R—爆心距，即爆破中心的測(cè)距，m；K—介電性的因子，通常取150；V—一個(gè)媒質(zhì)的振蕩速率，一般取4cm/s；a—地震波衰減系數(shù)，通常取1.5。不同質(zhì)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，得出了40m的最大炸藥用量為45.51kg，本項(xiàng)目的防震安全距離應(yīng)該大于40m，而剖面最大爆炸量為21kg，且采取了分段起爆，故本項(xiàng)目的爆炸劑量設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了地震安全距離的規(guī)定。

表2 爆破安全距離計(jì)算結(jié)果

9 隧洞施工監(jiān)控測(cè)量

地質(zhì)超前預(yù)測(cè)工作應(yīng)當(dāng)能夠正確判斷水文地質(zhì)、工程地質(zhì)情況，圍巖等級(jí)，并給出了施工中應(yīng)注意的問(wèn)題和建議、方法等。隧洞易出現(xiàn)特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)重視隧洞掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，隨時(shí)觀測(cè)監(jiān)控。同時(shí)，在工程中，施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員要專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)觀察圍巖情況，發(fā)現(xiàn)有任何不正常的現(xiàn)象時(shí)，人、機(jī)立即撤至安全地區(qū)，確保安全。具體觀測(cè)要求如下。

9.1 圍巖觀測(cè)

觀測(cè)斷面應(yīng)垂直隧洞軸線，布置在基巖最差、結(jié)構(gòu)型式有代表性的部位，同時(shí)應(yīng)考慮這些部位布線的簡(jiǎn)易及后期隧洞內(nèi)水位變化的影響，圖2中布點(diǎn)位置可根據(jù)實(shí)際圍巖地質(zhì)構(gòu)造及支護(hù)情況適當(dāng)調(diào)整。同樣的圍巖觀測(cè)斷面應(yīng)平等布置2個(gè)以上，距離靠近，同時(shí)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果取2個(gè)斷面的平均值。對(duì)于穩(wěn)定性較差的Ⅴ類(lèi)圍巖及斷層帶，需在隧洞斷面1/4頂拱處布點(diǎn)觀測(cè)。圍巖覆蓋層較薄的隧洞段，除在隧洞內(nèi)布設(shè)觀測(cè)儀器外，還應(yīng)在相應(yīng)地表布置測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)巖體穩(wěn)定性。測(cè)量項(xiàng)目B、C項(xiàng)的初次讀數(shù)，應(yīng)在施工后12h內(nèi)完成，并在下一掘進(jìn)前完成。測(cè)量項(xiàng)目B、C項(xiàng)的觀測(cè)頻率要求見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量項(xiàng)目B、C項(xiàng)的觀測(cè)頻率要求

9.2 襯砌體觀測(cè)

在襯砌體的主受力鋼筋上，在相同的測(cè)點(diǎn)處設(shè)置2～3個(gè)鋼筋，并在靠近鋼筋的混凝土埋設(shè)無(wú)應(yīng)力計(jì)和應(yīng)變計(jì)，觀測(cè)結(jié)果應(yīng)相互印證、協(xié)同分析。2次襯砌在圍巖及前期變形基本趨于平穩(wěn)且滿(mǎn)足以下3個(gè)條件的情況下進(jìn)行：①在平孔附近的水平收斂速度低于0.2mm/d或拱頂塌陷速度低于0.1/d，此時(shí)隧道周邊變形收斂速度、拱頂或基底豎向移動(dòng)速度均顯著降低；②水平孔的相對(duì)位移達(dá)到預(yù)測(cè)的總變形相關(guān)量的90%；③當(dāng)噴射砼出現(xiàn)大量裂縫，或者位移量已達(dá)預(yù)計(jì)總位移量的70%而收斂速率仍無(wú)明顯下降時(shí)，應(yīng)立即采取補(bǔ)強(qiáng)初期支護(hù)措施。

10 結(jié)論

本文以福鼎市東南沿海河庫(kù)水系連通工程為例，從隧洞開(kāi)挖施工方法、光面爆破施工工藝、爆破安全距離計(jì)算等多個(gè)方面進(jìn)行了研究分析并提出了施工工藝，根據(jù)實(shí)際工程情況確定爆破開(kāi)挖模型。研究認(rèn)為，施工全過(guò)程遵循“爆破弱、支撐強(qiáng)、進(jìn)尺短、監(jiān)測(cè)勤”的施工方針，隧洞開(kāi)挖采取“全斷面”開(kāi)挖方式，在施工時(shí)要注意控制周邊眼的方位，減少超欠挖，并采取微差爆破技術(shù)，盡可能增加雷管的微差段，使每1段的炸藥用量減少，從而減小震動(dòng)效應(yīng)，能有效降低對(duì)圍巖條件差地段穩(wěn)定性的影響。