大型地下洞库深孔垂直预裂与水平光面相结合爆破掘进技术

温新亮，赵康林

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

深孔预裂爆破技术在水电［1］、矿山开采［2］、铁路和公路路堑［3］等工程中得到较为广泛的应用。该法不仅可以提高开挖工程成形质量，还最大限度地减少了爆破振动对周围岩体的损伤破坏，进而形成平整稳定的边界，在提高开挖效率和经济效益等方面有着较大的优越性。

唐海等［4］阐述了预裂爆破的装药结构和炮孔间距等重要爆破参数。王者超等［5］、李术才等［6］介绍了国内某地首座大型水封石油洞库工程，利用流固耦合理论对大型洞库施工过程中的力学响应进行了大量研究，总结了分层开挖的经验。李鹏等［7］介绍了某地大型地下水封石油洞库的2种爆破方案:深孔台阶爆破+预裂爆破和深孔台阶爆破+水平光面爆破，对比分析发现均符合开挖设计要求，但各自有各自的优缺点和应用条件。随着深孔凿岩设备的不断改进，深孔爆破技术在爆破工程中占有越来越重要的地位。地下洞库开挖工程由于受作业空间、施工机械等限制，制约了该技术的推广应用。

本文以某地大型洞库洞中下台阶爆破施工为工程背景，通过设计合理的预裂爆破参数并结合底板水平光面爆破技术，提出深孔垂直预裂爆破+底板水平光面爆破相结合的爆破方案。在实际施工过程中，有效解决了预裂爆破易产生大岩块、底板不平顺等问题，使得深孔预裂爆破技术在大断面地下洞室内得以顺利应用，有效提高了开挖成形质量，加快了施工进度，节约了工程成本。预裂爆破由于提前起爆预裂孔使得洞室边墙形成一定宽度的预裂缝，从而减小主爆区爆破时对洞室围岩的扰动，进而可放宽对开挖区爆破规模的限制，提高了效率。综上所述，该新方法不仅提高了单循环开挖方量和爆破成形质量，而且可实现垂直打眼与出渣平行作业，加快了施工进度，节约了工程成本。

1 工程概况

某国家地下大型石油储备库工程采用水封油库。该油库断面跨度和高度分别为19 m和24 m，洞型为三心拱直墙型、底部做适当切角、断面面积为436.1 m2(见图1)。

图1 主洞室开挖顺序(单位:mm)Fig.1 Excavation sequence of main cavern(mm)

储油洞库所在区域围岩为微风化花岗岩、中粗粒结构、杂色－浅肉红色;主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石等，矿物成分基本未变;节理组数一般1～2组、裂隙较发育－不发育;岩芯以长柱状为主，局部为短柱、碎块状，RQD值为75% ～90%;部分地段夹微风化辉绿岩、花岗细晶岩和闪长玢岩岩脉，岩脉厚度和展布无明显规律性。岩石的单轴抗压抗拉强度以及变形参数见表1。

2 洞库中台阶爆破设计方案

2.1 洞库开挖总体施工方法

本洞库断面为19 m×24 m，分3层开挖。上层设计施工高度为8 m，由于洞库底部有3 m高的倒角，故中层设计高度为13 m，下层高度为3 m，其施工顺序为Ⅰ1—Ⅰ2—Ⅱ—Ⅲ［8－11］(如图 1 所示)。上下层均采用水平光面爆破技术，本文主要介绍该洞库中层的爆破施工技术。

表1 岩石单轴抗压抗拉强度及变形参数Table 1 Mechnical parameters of rock

中层最初采用单一垂直深孔预裂爆破施工，但该法存在着在开挖断面中部产生大岩块以及底板不平顺等问题，进而给后续出渣作业带来极大不便，严重影响施工进度。结合现场施工存在的实际问题，经研究，采取了垂直深孔预裂爆破(先于主爆区1～2 d起爆)修边+底板水平光面爆破清底相结合的爆破方案。

2.2 钻孔孔径确定

综合本工程地质条件结合现场施工机械水平，垂直孔、倾斜孔采用潜孔钻机施工，钻头直径为89 mm，成孔直径为95～100 mm;水平孔采用Sandvik DT1130芬兰三臂凿岩台车，成孔直径D1为50 mm。

2.3 钻孔深度

沿底板水平向上布置2排光面孔(见图2和图3)，依据炮孔所在位置不同分为上部的二台眼和底板的底板眼，设计孔深均不小于8.0 m(循环进尺为7.5 m)，底板眼为下向倾斜孔，倾斜角度为3°～6°。

图2 爆孔布置俯视图(单位:mm)Fig.2 Planform of blasting hole layout(mm)

图3 炮孔布置正视图(单位:mm)Fig.3 Elevation of blasting hole layout(mm)

光面孔抵抗线为0.8 m，考虑底板夹制作用较大，二台眼布置在距底板0.7 m处为水平孔，因此主爆孔垂直深度为11.5 m。主爆区为倾斜孔，倾斜角度60°～75°、炮孔斜长为 11.9 ～13.2 m。预裂孔为垂直孔，其深度等于中台阶全断面高度，为13 m。

主爆孔和预裂孔间设置一排垂直缓冲孔，缓冲孔为倾斜孔，垂直深度为11.5 m。主爆孔、预裂孔和缓冲孔孔径D2均为95～100 mm。

2.4 孔距和排距的确定

孔距a是指同排相邻2个炮孔中心线间的距离;排距b是指相邻2排炮孔中心线间的距离。两者参数设置合理与否，对爆破效果均会产生重要的影响。

炮孔密集系数m是指炮孔间距a与排距b的比值，即m=a/b;根据中硬岩体的爆破经验:保证最优爆破效果的孔网面积(a·b)是孔径断面积(π·d2/4)的函数，两者之间比值是一个常数，其值为1 300～1 350。在台阶深孔预裂爆破中，炮孔密集系数m是一个很重要的参数，一般取 m 为 0.8 ～1.4［5］。主爆孔最小抵抗线为3 m，根据以上原则炮孔密集系数m取小值，可得到:

通过计算得:a=2.6 m，b=3.2 m。

为减少大块产生以便于出渣，现场取a=2 m、b=2.5 m时效果较好。

预裂孔与缓冲孔沿两帮各1排，经工程试验二者的孔间距分别为0.8 m和1.6 m时可以达到预期的效果。

3 各炮孔单孔药设计

3.1 主爆孔单孔药量设计

主爆孔采用2#岩石乳化炸药，药卷规格为φ70 mm ×2 000 g，长度为500 mm，不耦合系数为1.3。

1)第1排主爆孔装药量

式中单位耗药量q(单耗)在深孔爆破中一般根据岩石的坚固性、炸药种类、施工技术和自由面数量等因素综合确定，修正的普氏公式:

式中:f为岩石坚固性系数f=17.6;s为面积，m2;k0为考虑炸药保留的校正系数(其中:k0=525/p，p=320，p为爆力，mL);q为单位炸药消耗量。

计算得:q=0.48 kg/m3。

经计算得:Q1=27.6 kg。结合药卷规格和实际的爆破试验，药量取28～30 kg。

2)第2，3排炮孔装药量

式中:K为考虑受前面各排孔的岩碴阻力作用的装药量增加系数，取1.1。

经计算得:Q2=30.36 kg。现场取30～32 kg。

3.2 预裂单孔药量设计［12－15］

预裂孔沿洞库边墙布置，间距a预裂0.8 m、预裂孔深度等于该中层的高度，即13 m，一次起爆长度为3个循环，合计22.5 m。

预裂孔采用2#岩石乳化炸药，药卷规格为φ32 mm×200 g，该药卷长度为200 mm，不耦合系数为2.8。为克服底板夹制作用，在孔底采用1卷规格为φ70 mm×2 000 g的大药卷。

3.2.1 预裂孔线装药密度 Δ1

1)工程类比法(使用范围ρ压=20～200 MPa)

式中:Δ1为除去堵塞长度后的预裂孔装药密度，g/m;a为预裂孔孔距，m，这里a=0.8 m;ρ压为单轴抗压强度，ρ压=176.3 MPa。

带入数据计算得:

2)三峡经验公式(适用于不耦合系数2～4)

式中:D为预裂孔的孔径，cm;a为裂孔孔距，cm;ρ压为单轴抗压强度，ρ压=176.3 MPa。

带入数据计算得:

3.2.2 单孔装药量

综合以上2种线装药密度计算可知:线装药密度范围为0.45 ～0.5 kg/m。

根据现场围岩情况，当Q＜5时，线装药密度取0.45 kg/m，单孔装药量 Q1=0.45 ×11.5=5.17≈5.2 kg。

当 Q ＞5时，线装药密度取0.5 kg/m，Q2=0.5 ×11.5=5.75≈5.8 kg。

3.3 缓冲孔单孔药量设计

缓冲孔孔间距为主爆孔最小抵抗线的50%～75%，对于坚硬岩石可以取大值，本工程的缓冲孔孔间距取1.6 m。药量为主爆孔的一半，单孔药量为15 kg。

3.4 光爆层单孔药量设计

中台阶下部水平光爆孔最小抵抗线W=1.0 m、光面孔密集系数m=0.8，底板眼间距为0.8 m。二台眼孔间距为1 m。

光爆层单耗与主爆区相同，装药量根据公式Q=qaWL计算得单孔药量为3.2 kg。

4 各类炮孔装药结构和堵塞段设计

4.1 预裂孔装药结构和堵塞段设计

1)药卷长度。预裂孔单孔药量为5.2～5.8 kg，其中底部为 φ70 mm×2 000 g药卷，该药卷长度为0.5 m;其他采用φ32 mm×200 g小药卷，药卷长度为0.2 m，间隔装药。

2)堵塞段设计。炮眼堵塞的主要作用是为了保证炸药在密闭的空间中充分反应，从而提高炸药释放能量利用率，进而取得较好的破碎效果。

1.2.4 统计学方法 采用SPSS 19.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用LSD-t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。Pearson分析法分析各计量资料之间的相关性。

预裂孔堵塞质量的好坏直接影响着预裂孔的成缝效果。在以往工程实践中堵塞长度一般为炮孔直径的12～20倍，或者是按照经验长度0.6～2 m来取，考虑到本工程岩石的坚固性，堵塞长度不小于1.5 m。

对堵塞质量的要求:堵塞材料为炮泥(砂∶黏土∶水=3∶1∶1)，堵塞要求密实，不能有空隙和间断。

3)装药结构设计。预裂爆破主要目的是为了沿着预设预裂孔形成一条一定宽度的预裂缝来隔离主爆区的爆破振动，并形成较好的成形，故药量沿预裂孔轴线分布均匀从而实现各个区段的能量均匀分布。除了底板加强装药外，其他区段采用等间距空气间隔不耦合装药结构，靠近孔底处药卷间距适当减小，靠近堵塞段的药卷间距应酌情加大。

4.2 主爆孔装药结构和堵塞段设计

主爆区炮孔垂直深度为11.5 m、斜长为13 m。该区炮孔沿轴线分2段不耦合连续装药。

1)药卷长度。主爆区单孔总药量为28～32 kg，药卷规格为φ70 mm×2 000 g、长度为0.5 m，药卷总长为7～8 m。

2)堵塞段设计。由于沿轴线分2段不耦合装药，故主爆区堵塞也分为2部分，一段为2个装药段间堵塞，另一段为孔口堵塞。

孔口堵塞在完成装药工作后进行，堵塞长度与最小抵抗线、钻孔直径和爆区环境有关，堵塞长度取钻孔直径的30～35倍，为2.5～3.0 m。剩余部分为中间堵塞段，长度为2.0 ～3.0 m。

3)装药结构设计。为有效地降低岩石大块率，主爆区炮孔采用分2段连续不耦合装药结构。孔底装药量占总药量的60%，靠近孔口段占总药量的40%。

主爆区炮孔底部装药量为18～20 kg，药卷9～10卷，装药长度为4.5～5.0 m。第1排主爆孔上分层药量一般为10 kg，合计长度为2.5 m，第2，3排炮孔上层均为12～14 kg，合计6～7卷，装药长度为3.0～3.5 m。孔口堵塞段长度为2.5～3.0 m，剩余部分为中间堵塞长度。

4.3 光爆层装药结构和堵塞段设计

光爆层炮孔长度为8 m，单孔药量为3.2 kg，采用直径32 mm的小药卷。该区采用分段非连续不耦合装药结构。

1)药卷长度。合计小药卷共16卷，药卷长度合计为 3.2 m。

2)堵塞段设计。孔口堵塞段长度不小于0.6 m，采用炮泥堵塞。

3)装药结构设计。药卷沿炮孔全长分为3段:底部加强装药段、中间正常装药段以及孔口减弱装药段。各分段药量分配为1∶2∶1，装药结构如下:①底部加强装药区。采取连续不耦合装药结构，装药长度为0.8 m，该段药量为0.8 kg;②中间正常装药段。采取空气等间距非连续不耦合装药结构，该段视岩石性质不同区间长度略有不同，一般为4.0～4.5 m，该段所需药量为1.4 kg，合计8卷。其中空气间隔长度一般为0.30～0.35 m;③顶部减弱装药段。采用空气等间距非连续不耦合装药结构，该段药卷总长度为1.5～2.0 m，所需药量为0.8 kg，即4卷药卷，空气间隔长度为0.40 ～0.45 m。

4.4 缓冲孔单孔药量与装药结构

采用等间距空气间隔非连续不耦合装药结构，孔口堵塞段长度不小于2 m。缓冲孔在主爆孔起爆后起爆。

所有炮孔具体数目及药量，详见表2中台阶爆破参数。

5 起爆网路设计

5.1 预裂孔起爆网路设计

由于在爆破过程中预裂孔是先于主爆区1～2 d起爆，为保证预裂孔同时起爆，一般采用导爆索连通起爆。

5.2 主爆区起爆网路设计

1)主爆孔的起爆网路设计。主爆孔采用梅花形布孔，每循环起爆3排炮孔，合计7.5 m。由于主爆孔分2段连续装药，中间有1段为堵塞段，因此在底部装药区和靠近孔口装药区各布置1个导爆雷管，通过地表的导爆管网路引爆孔内的分段药卷。

地表爆破连线方面采用间隔分段连线，形成“V”型起爆，减小围岩的夹制作用，提高爆破效果。

2)光爆层起爆网路设计。光爆层与主爆区同时起爆，主爆区的炮孔布置图详见图2和图3，爆破参数见表2。

表2 爆破孔网参数表Table 2 Parameters of blasting holes

6 爆破效果

硬岩段及软硬岩交界处爆破效果见图4和图5。

图5 软硬岩交界处爆破效果照片Fig.5 Blasting effect at interface between hard rock and soft rock

7 施工中的注意事项

为提高爆破效果，施工中还应注意以下事项:堵塞时，不得将雷管的脚线、导爆索或导爆管拉得过紧，以防被堵塞材料损坏。装药结束后要有专人检查起爆网路，防止起爆网路断路造成的拒爆事故。

连接起爆网路时应注意以下安全问题:

1)孔内引出导爆管、导爆索等要留有一定的富余长度，防止因炸药下沉而拉断网路，在有水炮孔内装药尤其要注意;

2)网路连接工作应在堵塞结束、场地炸药包装袋等杂物清理干净后再进行，接线时应严格按照规程规定来进行;

3)网路连接后要有专人检查线路是否完整，起爆前必须要有专人负责爆破安全。

8 结论与建议

在本工程洞库中台阶开挖施工过程中通过采用深孔垂直预裂爆破+水平光面爆破相结合的爆破方案，并通过合理的爆破参数设计，有效解决了岩石大块率高的问题，并同时解决了单独采用垂直深孔爆破存在的底板不平顺等问题，施工过程中进行了爆破振动监测，振速小于5 cm/s，低于规程要求限值，故预裂爆破在本工程施工中得以顺利应用。在施工速度、经济效益和断面成形等方面取得了较好效果，对类似工程具有一定的借鉴意义。

本方案在施工过程中涉及的施工机械型号较多，对钻孔的精度要求较高，特别是周边眼和预裂孔钻孔质量的好坏几乎决定了断面成形质量，因此必须加强对相关作业人员技能培训。

该方案在本工程中硬岩段施工的成形质量较好，但是对于不良地质段由于一次开挖高度较大，无法做到及时支护，不利于围岩稳定，所以本方案在不良地质段的施工方法参数及适应性还需要进一步研究改进。

［1］ 赵泉.小湾水电站开挖中预裂爆破参数的优化研究［D］.武汉:武汉理工大学资源与环境工程学院，2006.(ZHAO Quan.Optimization study of pre-splitting parameter in Xiaowan Hydro-power statian［D］.Wuhan:College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，2006.(in Chinese))

［2］ 亢会明，李晓红，李通林，等.预裂爆破在软岩地段高边坡路堑开挖中的应用［J］.重庆大学学报:自然科学版，2001(1):47 － 50.(KANG Huiming，LI Xiaohong，LI Tonglin，et al.The application of pre-splitting blasting to excavation on high slope in soft rock section［J］.Journal of Chongqing University:Natural Science Edition，2001(1):47－50.(in Chinese))

［3］ 邱贤德，王心飞，章勇武，等.路堑边坡爆破设计与施工中的预裂爆破技术［J］.地下空间，2003(1):1－4，105.(QIU Xiande，WANG Xinfei，ZHANG Yongwu， et al.Application of pre-splitting blasting technology in the cutting slope［J］.Underground Space，2003(1):1 － 4，105.(in Chinese))

［4］ 唐海，梁开水，游钦峰.预裂爆破成缝机制及其影响因素的探讨［J］.爆破，2010，27(3):41 － 44.(TANG Hai，LIANG Kaishui，YOU Qinfeng.Discussion on mechanism and effect factors of cracks resulted from pre-splitting blasting［J］.Blasting，2010，27(3):41 －44.(in Chinese))

［5］ 王者超，李术才，薛翊国，等.大型地下水封石油洞库施工过程力学特性研究［J］.岩土力学，2013(1):275－282.(WANG Zhechao，LI Shucai，XUE Yiguo，et al.Mechanical properties of surrounding rocks of large watersealed underground oil storage caverns during construction process［J］.Rock and Soil Mechanics，2013(1):275 －282.(in Chinese))

［6］ 李术才，王渭明.大型洞室群不同开挖顺序围岩稳定效果分析［J］.山东矿业学院学报，1997(2):8－12.(LI Shucai，WANG Weiming.Analysis of effect on surrounding rockmass stability with different excavating sequences for cavern group［J］.Journal of Shandong Mining Institure，1997(2):8－12.(in Chinese))

［7］ 李鹏，赵晓，金潇男，等.大型地下水封洞库开挖爆破方式优选［J］.长江科学院院报，2014(4):104 －108，113.(LI Peng，ZHAO Xiao，JIN Xiaonan，et al.Optimization and selection of blasting method for the excavation of large cale underground water-sealed caverns［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2014(4):104 － 108，113.(in Chinese))

［8］ 王丽群.大跨度地下洞库扩挖开挖顺序及施工技术［J］.西部探矿工程，2010(1):103－105.(WANG Liqun.Excavation subsequence and construction technology of big fly-past underground chamber［J］.West China Exploration Engineering，2010(1):103－105.(in Chinese))

［9］ 刘保国，徐干成.大跨度高边墙地下洞室分层间隔施工方法［J］.岩土力学，2011，32(9):2759 －2764.(LIU Baoguo，XU Gancheng.Layered interval excavation method for large span and high sidewall underground cavern［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(9):2759 －2764.(in［10］Chinese))

［10］ 苏国韶，冯夏庭，江权，等.高地应力下大型地下洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法［J］.岩石力学与工程学报，2007(S1):2800－2808.(SU Guoshao，FENG Xiating，JIANG Quan，et al.Intelligent method of combinatorial optimization ofexcavation sequence and support parameters for large underground caverns under condition of high geostress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007(S1):2800－2808.(in Chinese))

［11］ 陈冉升.大型复杂地下洞室群开挖顺序及支护方法［D］.兰州:兰州大学土木工程与力学学院，2012.(CHEN Ransheng.Excavationsequenceandsupport methods for large and complicated underground caverns［D］.Lanzhou:School of Civil Engineering and Mechanices，Lanzhou University，2012.(in Chinese))

［12］ 阳天海，龙源，顾文彬，等.光面、预裂爆破参数选择与质量措施研究［J］.爆破，2000，17(1):10 － 13，17.(YANG Tianhai，LONG Yuan，GU Wenbin，et al.Study on parameters selection and quality measures in smooth and presplitting blasting［J］.Blasting，2000，17(1):10 － 13，17.(in Chinese))

［13］ 李彬峰，潘国斌.光面爆破和预裂爆破参数研究［J］.爆破，1998，15(2):14 － 18，48.(LI Binfeng，PAN Guobin.Studies on mechanism and parameters in the smmothand presplitting blasting［J］.Blasting，1998，15(2):14 － 18，48.(in Chinese))

［14］ 杨年华，齐景岳，高菊如.论隧道开挖爆破中堵塞炮泥的重要性［J］.爆破器材，1999，28(8):24－27.(YANG Nianhua，QI Jingyue，GAO Juru.A discussion on the importance of stemming in the tunnel blasting［J］.Explosive Materials，1999，28(8):24 － 27. (in Chinese))

［15］ 彭驭涛.预裂爆破技术在锦屏水电站工程中的应用［D］.北京:中国地质大学工程技术学院，2008.(PENG Yutao.Presplitting blasting technology apply in Jinping hydropower station project［D］. Beijing:Schoolof Engineering and Technology，China University of Geosciences，2008.(in Chinese))