燕山水库输水洞爆破开挖设计与施工

□朱建军 □杜郧隆 □朱顺强

（河南省水利第二工程局）

一、工程概况

燕山水库位于河南省叶县南部，是淮河上游支流澧河上游的一座新建大型水库，库容9.25亿m3。它以防洪为主，兼顾发电、灌溉、养殖、城市供水、旅游等。发电站位于大坝右侧的小燕山处，由引水渠、进水塔、输水洞、调压室、发电厂房等设施组成。电站总装机容量3×630kW，输水洞全长343m，为圆型有压隧洞；开挖洞径D=4.30m，内衬C20钢筋混凝土，厚40cm；输水洞进口为方变圆结构类型，出口为圆型，与压力钢管相接，输水洞下游263m处与调压室竖井相交。输水洞地质为Ⅱ－Ⅲ类围岩；大多数的地段地质结构为弱风化安山岩，其抗压强度为83.9MPa，结构不太完整。其余地段间隔出现石英砂岩夹页岩互层，其结构较为松散，隧洞中还分布有3条断层带及2处地质弱面，这些将给施工带来不利影响。

二、方案设计

根据输水洞的圆型洞身及进口方变圆较为复杂的结构，内衬钢筋混凝土的有压洞对围岩严格的设计要求，隧洞断面尺寸较小，以及地质结构较复杂工期紧等特点，进行施工方案比较分析，最后确定采用以下方案设计：为加快施工进度，采用进出口两头同时施工掘进。利用手风钻钻孔，采用下部先爆法全断面开挖；开挖时采用大分段延期引爆，先爆下半部形成较好较大的第二自由面，然后压顶，后爆上半部，以减小对拱顶的爆破影响。

掏槽孔布置在工作面下半部，以利于先爆下半部的要求，采用楔形掏槽孔掏槽，周边孔采用光面爆破技术施工，减少对围岩的爆破破坏，提高岩壁的平整度。进出口均采用短进尺、小药量、多爆破、强支护的方法掘进，分三次爆破，防止对岩体的破坏，起爆前在洞口先打上锁口锚杆，加喷混凝土、锁口支护，或采用钢支撑加喷混凝土进行强支护，确保在洞口形成一个较好的轮廓。断层带及地质弱面地带均采用短进尺、小药量、多爆破、强支护的方法掘进，采用喷锚网联合支护，必要时还采用钢支撑配喷混凝土进行支护。主洞施工时，掘进距工作面30～50m时，进行喷混凝土支护，对个别危险点进行锚杆支护锚固。采用轮式30装载机直接进入工作面装碴，倒退行驶出洞进行出碴，充分利用机械提高出碴效率，采用非电毫秒延期起爆系统起爆。采用全站仪测量放线，每间隔1～2个循环放线一次，及时纠偏，达到一定的掘进深度后，采用直径50轴流式风机供风，排烟换气。贯通前30m两头施工要在爆破时通知对方，避免出现事故。

三、钻爆参数设计

（一）孔径与药径

由于隧洞断面较小，受机械设备的限制，选用YT28型气腿式风钻机钻孔，钻孔直径d＝40mm。炸药采用2＃岩石乳化炸药和2＃岩石抗水铵锑炸药，药卷直径Φ＝32mm，周边光爆孔炸药采用小直径2＃岩石乳化炸药，药卷直径Φ＝25mm。

（二）炮孔布置与炮孔数量

炮孔分为掏槽孔、辅助扩大孔、周边孔、底孔等。N＝qs/rη=40孔左右。

式中：q为炸药单耗值，取1.60kg/m3;s为开挖断面面积14.52m2；r为装药密度，取0.78；η为炮孔装药系数，取平均值0.75。

（三）炮孔间距与装药量

1.掏槽孔间距。由于输水洞只有一个自由面，爆破条件差，为创造第二个自由面，在工作面中下部布置倾斜楔形掏槽孔，爆破时首先起爆，抛出石碴，在工作面中形成一个槽口，即开创第二个自由面，为其余炮孔爆破创造有利条件。掏槽孔呈水平对称布置共3排，掏槽孔与工作面的夹角：θc=670左右，同排两掏槽孔孔底间距：acd=0.15m，上下相邻两排炮孔间距：bc=0.35m；每循环进尺钻孔深度：L=2.0m，掏槽孔加深孔深：Lcs=0.2m，掏槽孔孔深:Lc=L+Lcs=2+0.20=2.20m；掏槽孔孔长度 ：Lcc=Ls/sinθc=2.20/sin670=2.39m；同排两掏槽孔孔口间距：ack=2× cosθc+acd=2m。

2.辅助扩大孔间距。辅助扩大孔是为了进一步扩大掏槽孔的体积而布置的炮孔，即二圈孔，炮孔的角度垂直于工作面。辅助扩大孔的间距：af=14d=14×0.04=56cm。

3.崩落孔。当辅助扩大孔进一步扩大掏槽体积后，形成了较好的第二自由面，这时爆破即可按正常的崩落法爆破岩体，崩落孔间距ad=18d=18×0.04=70cm。

4.底孔间距为避免欠挖，清除底坎，增加底孔的装药量，按Φ32药管连续装药，底孔间距ad=14d=14×0.04=56cm。

5.周边孔是采用光面爆破技术施工，在两边及拱顶进行爆破，可以提高拱顶的平整度，保护围岩少受爆破破坏影响。周边孔光爆孔间距az=14d=14×0.04=56cm，光面爆破的最小抵抗线wz=20d=20×0.04=80cm。

6.炮孔深度，除掏槽孔孔深加深外，其余的辅助孔、周边不爆孔、底孔、崩落孔的孔深均为Lb=0.5D=0.×4.3=2.0m。

7.炸药单耗值q，参考岩石特性、断面尺寸、炮孔直径、孔深等因素和试爆后调整优化后确定炸药单耗值q=1.6kg/m3,光爆孔线装药密度rg=0.5kg/m。

8.装药系数。它是装药深度与炮孔之比。根据岩石性质坚硬程度选定：掏槽孔装药系数：ηc=0.8，辅助孔装药系数：ηf=0.7，崩落孔装药系数：ηb=0.7，周边底孔装药系数：ηd=0.75，光爆孔装药系数：ηg=0.75。

9.线装药密度与偶合系数。掏槽孔、辅助孔、崩落孔、底孔均采用抗水2＃岩石铵锑炸药，药卷直径Φ1＝32mm，光爆孔采用线装药密度γp=0.78kg/m，周边光爆孔采用药卷直径Φ2＝25mm，周边光爆孔线装药密度γg=0.5kg/m，周边光爆孔不偶合系数βg=D/Φ2=1.6。

10.单孔装药量。掏槽单孔装药量：Qc=ηcLccrp=0.8×2.39× 0.78=1.50kg/孔，辅助孔单孔装药量：Qf=ηfLrp=1.10kg/孔。崩落孔单孔装药量：Qb=ηbLrp=1.10kg/孔，底孔单孔装药量：Qd=ηdLrp=1.21kg/孔，周边底孔单孔装药量：Qg=ηgLrg=0.75kg/孔。

11.堵塞长度按L（炮孔长度）－ηL（装药长度）计算：掏槽单孔堵塞长度：Lcd=L-ηcLcc=0.40m，辅助孔单孔堵塞长度：Lfd=LηfL=0.60m，崩落孔单孔堵塞长度：Lbd=L-ηbL=0.6m，底孔单孔堵塞长度：Ldd=L-ηdL=0.5m。

12.总装药量。6个掏槽孔总装药量：Qcz=6Qc=9kg，7个辅助孔总装药量：Qfz=7Qf=7.7kg，7个崩落孔总装药量：Qbz=7Qb=7.7kg，9个底孔总装药量：Qdz=9Qd=10.8kg，15个光爆孔总装药量：Qgz=15Qg= 11.25kg，每一循环总装药量：Q总=Qcz+Qfz+Qbz+Qdz+Qgz=46.45kg。

四、施工技术

（一）施工程序

隧洞开挖时，各工种施工依次顺序相接完成工作任务，构成一个工作循环，隧洞开挖是由多个具有同样工作内容组成的工作循环而重复完成的，每个工作循环包括的施工程序归纳为：测量放线、钻孔装药、爆破、排烟、排险、出碴、支护。

（二）测量放样

因输水洞需外衬混凝土，边线的精度要求较高，且洞身为圆型曲线，钻孔时不好找到参照物，很难凭眼力确定边线的位置；因此进尺1～2个循环就需要测量（用全站仪或经纬仪）放线布孔，避免出现大的误差。测量放线时可以定出圆心点，放出水平、垂直两条中线，然后在圆洞周边上分段放出边线点位，确保边线几何尺寸的精度，最后布出全部炮孔的位置。

（三）钻孔

钻孔时应按布孔点正确钻孔，孔口误差应＜±5cm，钻孔倾角要小于钻孔长度的3%，掏槽孔钻孔角度误差应＜2%，钻进时应用角度尺随时检查角度误差，保证掏槽孔孔底距离，两孔不能打穿孔。周边光爆孔开口位置因钻机的体积原因可以向内收缩15cm左右，即向圆心收缩15cm钻孔开口。钻孔倾角的控制为坚硬岩石略向外倾斜，但孔底偏斜不能超过边线以外5cm，软岩可以直接钻垂直孔。所有钻孔均应保证孔深度，除掏槽孔外，其余的孔均应落在同一平面上，以保证爆破后下一个工作面的平整度。

（四）装药爆破

装药前要对炮孔进行检查、清理，发现漏钻或误差较大的炮孔应及时补钻，清理炮孔时应用风管插入炮孔内用高压气体吹净孔内残碴和水。装药时，要先上部后下部，先掏心后周边，按段别依次装药，安装雷管时应轻拿轻放，按设计孔位及段号正确安装，同时应注意雷管脚线平顺不能折叠缠绕。装药时要使用木棍、竹棍或塑料棍作为炮棍，不得使用金属棍捣炸药，以免发生意外事故，剩余的炸药雷管收集保管好。

堵塞：炮孔装药完毕后，可用粘土揉成条状塞入孔内并用炮棍捣实，堵塞时应堵满至孔口，保证堵塞长度和密度，以免爆破时能量外泄发生冲炮，影响爆破效果。

起爆：起爆前检查网络联结是否完好，同时应将划定的安全范围内的无关人员、机械设备撤离到安全警戒线外。隧洞的安全范围是按爆破飞石、爆破空气冲击波的影响范围计算确定的安全距离。当隧洞较深时还应当在洞内侧面开挖避炮洞，供爆破员避炮用，起爆时应由专人指挥，发布起爆命令，由专职爆破员负责起爆，不允许一个人进行起爆作业。

检查：爆破后经通风排烟，爆破员进入工作面检查爆破效果，若要发现未爆炮孔应及时补炮，对残爆炮孔的药卷及时清除收集，经确认无爆破遗留问题方可进行下一道工序施工。

（五）通风排烟

通风排烟的主要作用是排除爆破后的烟尘和炸药爆炸毒气，当隧洞较浅时，可以利用自然风散烟排气。当自然散烟较慢时，可以采用风机强制供风到工作面附近吹风排烟，也可以利用风机排烟辅助水管喷水雾降尘排烟，这样效果更好。

（六）排险

当炮烟离开工作面30～40m以上时，爆破人员可以进入工作面检查处理爆破有关问题，确认无爆破遗留问题后排险人员进入工作面检查处理险情、围岩的稳定情况和清除个别危石。排险人员应由经验丰富、责任心强的人员担任；首先对顶部和边墙依次进行险情检查和排险，清撬危石时，应用专用的尖头长撬杠，排险人员应站在危石坠落范围以外，斜坡地段应站在上坡位置，不能站在危石的下方，以免发生事故。

（七）出碴

排险结束后，经确认无险情后方可进入机械装碴，出碴时采用轮式30装载机出碴。由技术较高的驾驶员驾驶装载机，直接开进工作面装碴，然后倒退行驶出隧洞，运至碴场弃碴。因输水洞深度不大，不在洞内设置装载机调头洞，若洞的深度较大时可在洞内设置1～n个调头点，方便机械行驶。

（八）支护

一般在隧洞进出口段、顶部及两边安装3排略向上倾斜的水平锚杆进行支护锁口，以防洞口坍塌。洞内没有险情的地段采用喷素混凝土支护，对个别危石采用锚杆锚固，在工作面向前推进30～40m时进行喷混凝土加固。对地质情况较差的地段，采用喷混凝土，系统锚杆，必要时加钢筋网进行喷网锚网联合支护，这样的地段支护应随时跟进，工作面向前推进2～6m时就应立即进行支护。地质情况特别差的地段，可以采用钢支撑配合锚杆喷混凝土进行强支护，这种支护就应紧跟作业面进行。

喷混凝土施工时，喷枪头应距喷护面1～1.5m，不能太远，应保证喷射冲击力，满足喷混凝土这密实度要求。喷射角度不能＞300，防止增大喷混凝土的回弹量，喷混凝土时应依次循环喷射，分层喷射，由下向上分段喷射，一次不能喷的太厚，以防止混凝土未及时凝固下坠掉块。

顶部个别危石钻锚杆孔时，人员应站在危石可能坠落范围以外，不能站在危石的下方，以防出现事故。锚杆安装应牢固，砂浆应饱满，锚杆应有一定的长度，应超过危石进入外层的牢固围岩中并且长度应＞1m。

（九）测量放线：表明上一个工序循环全部结束，进入下一个工作循环。

五、结语

输水洞从爆破开挖开始到贯通结束，整个钻爆过程均取得较好的爆破效果。除断层带地质弱面外，正常钻爆平均每循环进尺1.8m，炮孔利用率达到90%，所爆破的岩碴块度适中，爆碴大块率低，炸堆较集中，且很少残留根底，适合机械出碴装运，加快了施工的进度。光面爆破在围岩壁上保留半个炮孔清晰可见，岩壁平整度较好，同时减少了爆破对围岩的破坏作用。进出口开挖爆破轮廓整齐，没有出现超挖和塌顶的现象，达到了设计轮廓线的标准。断层及地质弱面爆破开挖时，由于事先准备工作充分，措施得当，没有出现大的塌方和安全事故，并且能尽快通过这些不良地段，为施工进度赢得了时间和安全保证。实践证明，整个输水洞爆破开挖达到了预期的目的，所采用的下部先爆全断面爆破开挖方法是先进的，所采用的倒行法机械出碴是科学的，所采用的支护手段是正确的，所采用的整个钻爆设计参数是合理的，所取得的施工效果是成功的。