弱扰动光面爆破技术在小断面隧洞工程的应用

孙嘉彬

（山西省张峰水库建设管理局 山西太原 030024）

0 引言

引水隧洞特点：一般断面小，洞线长，从开挖、衬砌到灌浆工序多，干扰大，施工条件较差，工期一般较长，且具有过水、承压等作用，这就要求隧洞有较高成洞质量。开挖时，受断面小的限制，爆破夹制作用大，再加上处于埋深较浅、围岩岩性较差、节理较为发育等复杂地质条件，爆破过程中可能因炸药效能过大引起周围岩体的松动，导致周围出现塌落，甚至冒顶现象[1]，很难达到理想的开挖效果，施工进度、质量、安全也将难以保证。因此，在复杂地质条件下进行小断面隧洞开挖，如何既能充分发挥炸药的爆破能，以达到爆破破岩的目的，又能有效控制炸药的爆破能，减少对周围岩体的扰动是施工过程控制的关键。

小断面引水隧洞良好的成洞质量主要取决于根据围岩岩性确定的隧洞开挖钻爆参数。本文结合山西省中部引黄工程在吕梁地区复杂地质条件下其中的26条小断面施工支洞的爆破作业，通过不断优化钻爆参数和施工措施，得到了既能充分发挥炸药效能，又能控制对周围岩体的弱扰动的光面爆破技术，取得了良好的爆破效果，为沿线隧洞施工的质量和安全提供了技术保障。

1 工程概况

中部引黄工程是山西省大水网建设中一项重要的工程，本工程包括取水工程和输水工程，取水工程位于保德县境内，进水塔位于天桥水电站库区上游枣林沟入黄河沟口处左岸，输水线路主要是隧洞，总长为384.5km。施工支洞进口以黄土、泥灰岩、粉砂质泥灰岩为主，洞内多为薄层灰岩、砂岩及混合片麻岩，岩性较差，岩体构造裂隙较发育，较为破碎，稳定性较差。其中IV、V类围岩开挖尺寸为4.55m×4m（宽×高）的城门洞型。

该工程特点与施工难点主要体现在：

（1）由于开挖断面小，临空面相对较小，爆破夹制作用大，容易出现欠挖的现象；

（2）施工IV、V类围岩段时，又可能因爆破对周围岩体扰动过大出现较大的超挖现象；

（3）施工进度与成洞质量的相互制约十分突出，如果炮孔利用率低、进尺短，很大程度上牵制了隧洞施工进度。

2 弱扰动光面爆破方案设计

2.1 光面爆破参数

以施工16标50#支洞为例，该支洞长551m，坡度为41%，支洞底埋深为206m，需穿越多个地层，地质变化较大，IV、V类围岩占整个支洞50%以上，地质条件非常复杂。

在爆破参数设计过程中，为保证隧洞的成洞质量，应避免出现超欠挖现象；最大发挥炸药效能，减少夹制作用的影响和炸药的使用量；减少冲击波对周边围岩的结构性破坏。结合类似工程经验，提出了要减小周边孔孔距和减少炸药装入量，合理布置辅助孔和掏槽孔，经多次试验，形成了弱扰动光面爆破技术。

设计采用全断面光面控制爆破，应遵照“多布孔、少装药、弱爆破、短进尺”的原则。施工时，采用辅助孔按松动爆破、掏槽孔按抛掷爆破进行设计，周边孔采用光面弱扰动爆破，布置加密，放药量小，减少爆破对周围松散岩体的扰动。

钻爆参数设计如下：

（1）确定钻爆参数。现场选用YTP-28手持式风动凿岩机，配套φ42钻头，使用乳化炸药，富水地段采用乳胶防水炸药；药卷直径为φ32mm；爆破网络采用微差、非电毫秒雷管起爆，非电毫秒雷管插入药卷内，除周边孔正向装以外其余反向装入孔内，导爆管引线连接采用一把抓型式，连接线雷管采用低毫秒段，同组连接线采用同种毫秒段导爆管进行连接；周边孔炮孔内连接采用导爆索连接。考虑到开挖断面小及围岩具体情况，设计开挖循环进尺为2m。

（2）炮孔深度L：周边孔和辅助孔取L=2m，掏槽孔加深0.2～0.3m，取 L=2.2～2.3m。

（3）周边孔单孔装药量Q单采用公式：

式中：q线——周边孔线装药密度，kg/m，取0.15～0.25kg/m。

（4）辅助孔、掏槽孔单孔装药量Q单采用公式：

式中：a——孔距，m，辅助孔取a=0.55m，掏槽孔取a=0.5～0.7m；

W——最小抵抗线，m，辅助孔取W=0.55m，掏槽孔取W=0.5～1m；

q——炸药单耗，kg/m3，辅助孔取q＝1.2～1.4kg/m3，掏槽孔取 q＝1.8kg/m3。

通过计算，得到爆破参数如表1所示。

2.2 炮孔布置、装药与起爆方式

设计采用毫秒延时爆破，周边孔、掏槽孔、辅助孔布置是否合理直接影响小断面光面爆破的效果[2]。掏槽孔采用耦合连续装药，孔间距为50～70 cm，分2排3行小间距直孔布置，施工过程中，在掌子面遇软弱夹层或泥质岩层区域，可将掏槽孔调整至该位置，有利于提高掏槽效果；辅助孔布置间距为55cm，采用不耦合连续装药，分2层布置，内层13个炮孔，外层20个炮孔，分II、III段起爆；周边孔间距为50 cm，31个炮孔，采用间隔装药，分IV，V段起爆。在钻孔过程中要特别注意保证钻孔质量，避免影响炸药的装填。炮孔布置与掏槽方式如图1所示。

表1 IV、V类围岩光面爆破参数

图1 炮孔布置（单位m）

采用炮泥填塞，为使炸药充分爆炸，提高炸药利用率，炮孔的填塞长度要保证在30 cm以上，不得留有空隙。

3 成洞质量与爆破效果

爆破完毕排险后，对爆破效果和开挖质量进行检查：

（1）现场相邻两孔之间的岩面较为完整，无明显的爆破裂隙，基本无超欠挖现象，偶尔出现局部凸出或凹陷部位，成洞质量较好；

（2）隧洞爆破开挖循环进尺均在1.8～2m之间，炮孔利用率在88%以上，周边孔残孔率约50%～80%，光面爆破效果见图2；

（3）爆块大块率低，块度较为均匀，爆堆相对集中，提高了挖运工效；

（4）在掌子面出现软弱夹层或泥质岩层时，调整掏槽孔后提高了光爆效果和开挖进尺。

图2 光面爆破效果图

4 结论与建议

弱扰动光面爆破技术旨在充分发挥炸药的爆破效能，减小冲击波对岩石的损伤造成围岩的结构性破坏；保证隧洞的成洞质量和施工进度，同时降低施工成本。通过中部引黄工程吕梁地区26条施工支洞的应用达到了预期效果，说明该技术内的钻爆参数与技术措施可行，可为同类小断面引水隧洞施工提供参考与借鉴。但目前爆破技术参数多为经验数据，可进一步在爆破机理、数值模拟等方面进行深入研究，结合工程实践，提高弱扰动光面爆破技术使用的灵活性。

[1]傅红贤.长距离小间距隧道爆破开挖设计与施工[J].工程爆破,2006,3（12）:30-33.

[2]阳生权,罗异,彭进宝.较差岩性围岩小断面水工隧道光面爆破技术[J].工程爆破,2013,1-2（19）:60-64.