输水隧洞爆破设计优化分析

朱兴广，李保华

(辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003)

某重点工程中一条无压引水隧洞的施工，主洞全长13219m，断面为马蹄形，成洞洞径为6.9m。围岩类别以Ⅲ类为主，洞室岩性主要为混合花岗岩，多为微风化～新鲜岩，其单轴饱和抗压强度在45～60MPa，为中硬岩～坚硬岩，岩体较完整～完整性差。节理面微张～闭合，无充填或石英岩脉充填，节理面平直粗糙，多陡倾角。

1 爆破方案设计

1.1 爆破参数的选择

隧洞开挖采用光面爆破施工，能够最大限度的减少爆破对围岩的扰动，减小围岩松动圈范围，增强围岩的自承能力，由于光面爆破使开挖面平整，围岩无破碎，减少裂隙，减少洞室的超欠挖量，减少后期混凝土支护工程量，从而降低工程成本，加快工程施工进度。

该工程主要以Ⅲ类围岩为主，全断面开挖方法，采用2号岩石硝铵炸药和2号岩石乳化炸药，周边孔采用空气间隔装药，导爆管和毫秒雷管复式起爆，其他炮孔采用连续柱状装药，采用孔内延时微差非电毫秒雷管起爆。严格控制周边孔的装药量，采用合理的装药结构，尽可能使炸药沿炮孔长均匀的分布。

开挖用YT28型气腿式凿岩钻造孔，人工配合1.0 m3挖掘机清渣、排险，3.0m3侧卸装载机装渣，15t自卸汽车进行运输至指定渣场。

在光面爆破中，主要爆破参数包括:最小抵抗线W，炮孔密集系数K，不耦合系数，周边孔间距a，线装药密度qL。

(1)周边孔间距。

a=(10～15)D

式中:a—周边孔间距，完整岩石宜取大值;

D—钻孔直径。

(2)最小抵抗线与炮孔密集系数。

K=a/W

式中:K—密集系数，实践中多取0.5～0.8;

a—周边孔间距，单位m;

W—最小抵抗线，单位m。

最小抵抗线与开挖的隧洞断面大小有关。在断面跨度较大，光爆孔所受到的夹制作用较小，岩石比较容易崩落，最小抵抗线可以大些;断面较小，光爆孔所受到的夹制作用较大，最小抵抗线可以小些。

最小抵抗线也与岩石的性质和地质构造有关，坚硬岩石最小抵抗线可小些，松软破碎的岩石最小抵抗线可大些。

(3)线装药密度。

qL=QaW

式中:qL—线装药密度，从同类工程中选取，一般将线装药密度取0.08～0.35，单位kg/m，软岩取小值，硬岩取大值;

Q—单位体积耗药量，单位kg/m3。

(4)光爆参数。光面爆破参数选择见表1。

表1 光面爆破参数表

(5)光面爆破炮眼数目计算。

炮孔数目与掘进断面、岩石性质、炮孔直径、药卷直径、炮孔深度和炸药性能有关。确定炮孔数目的基本原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能减少炮孔数目。按下列公式估算。

N=3.3(fs2)(1/3)

式中:N——炮孔数量;

f——岩石坚固系数，本工程中取值16;

s——隧洞断面面积，本工程取值48m2，则炮孔数量估算值为111个。

该工程Ⅲ类围岩采用下部单层楔形掏槽方式，爆破参数见表2，炮孔布置见图1。

表2 Ⅲ类围岩爆破参数表

图1 炮孔布置及起爆顺序图

1.2 装药结构和起爆方式

光面爆破采用不耦合装药，钻孔孔径42mm，采用药卷规格为φ32mm×200mm×150g(直径×长度×重)，不耦合系数为1.3，炮眼装药按装药集中度计算出的药量装入炮眼内，为克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部多放半个标准药卷，使光爆层易于脱离岩体，装药结构见图3。

图2 掏槽形式图

图3

1.3 起爆顺序

起爆顺序为:掏槽孔→辅助孔→底板孔→周边孔，采用多段微差由内向外起爆，其中主爆区使用非电毫秒雷管，光爆孔用导爆索起爆。

2 爆破方案优化

完成爆破设计后，经现场第一次爆破试验表明未达到理想爆破效果，故进行爆破方案优化，采取了调整爆破参数、规范施工和工艺等方法，最终达到了很好的效果。

2.1 调整爆破参数

(1)由单级楔形掏槽调整为二级楔形掏槽，加大掏槽孔与掌子面的角度，由原爆破设计的63°加大至65°，以提高炮孔利用率，减小被爆渣体块度大、爆渣分散不易装运等状况。

(2)减小造孔深度。掏槽型式优化后，孔深3.5m与孔深3.3m爆破进尺都是3.2m，钻孔深度由原来的3.5m，减少至3.3m，可以起到提高钻孔利用率，减少炸药单耗，并减少爆破循环时间的作用。

(3)优化炮孔密集系数，分散装药，使炮孔布置更加均匀合理。由爆破设计的111个孔，增加至114个孔，能够均匀分布爆炸冲击波的影响范围，最大限度减小对周围围岩影响和对松动圈的影响范围，充分发挥围岩自稳能力，并能够使爆破岩体块度均匀。

(4)加大周边孔不耦合系数。由直径32mm药卷优化为直径25mm药卷，不耦合系数1.3增加至1.7，能够降低作用在孔壁岩石上的初始径向应力峰值，延长爆生气体在岩石内部的作用时间，加强周边孔爆破效果，提高光爆质量。

(5)优化装药结构。光爆孔由相对集中装药，改为孔底加强装药，其它部位分散装药。调整后的装药结构见图4。

表3 优化后Ⅲ类围岩爆破参数表

图4

炮孔布置及起爆顺序、掏槽形式见图5。

2.2 规范光面爆破施工工艺和方法

(1)放样布眼。钻孔前，测量人员用全站仪和水准仪，准确定出隧洞中心线和拱顶面高程，用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不超过5cm，每次测量放样的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳爆破效果。

图5 炮孔布置及起爆顺序图

图6 掏槽形式图

(2)钻孔要求。

掏槽孔:深度、角度按设计施工，孔口间距误差和孔底间距误差不得大于5cm。

辅助孔:深度、角度按设计施工，孔口排距、行距误差均不大于5cm。

周边孔:开孔位置在设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，周边孔外斜率不得大于5cm/m，孔底不得超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。

底板孔:采取先用短钎，后用长钎的方法控制底孔外插角过大。

(3)布置要求。

先布置掏槽孔，其方向在岩层层理明显时应垂直于层理，掏槽孔应比其他孔加深20cm以上。严禁掏槽孔相交或交叉。

周边孔严格按设计开挖轮廓线布置，周边孔的孔口在断面设计轮廓线上，孔底超出轮廓线小于10 cm。

(4)孔口堵塞长度。已装药的炮孔应及时用炮泥堵塞、密封，堵塞长度大于30cm，且堵塞严实、严禁用纸箱等易燃物进行塞堵。

(5)清孔装药。装药前用小直径高压风管将炮孔内石屑吹净，装药需分片、分组按炮孔设计图确定的装药量自上而下进行，非电毫秒雷管要“对号入座”不得混装，周边孔宜采用小直径药卷配导爆索，以增加不耦合系数和爆破时的缓冲作用，炮孔装药均采用反向装药结构。底孔采用乳化炸药，以防止拒爆。

(6)连接起爆网络。起爆网络采用复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性，由dv管和塑料导爆管孔内微差非电毫秒雷管起爆，网络连接好后设专人负责检查后起爆。

3 爆破效果实测

3.1 线性超欠挖情况

通过对工程实际爆破后隧洞进行测量，统计平均超欠挖情况为:对27个断面进行实测，最大平均线性超挖6.29cm，最小2.64cm，小于规范20cm规定值。

表4 实际爆破超挖统计表

图7 测量点布置图

图8 测定松动圈钻孔布置及实测松动圈

由实际测量数据可看出，优化爆破参数后，光爆达到了很好的效果，无欠挖现象，并且超挖均控制在SL 378-2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》规定的200mm范围内。

3.2 爆破参数实测情况

炮孔利用率由优化前的91%提升至96%，炸药单耗量由优化前的1.19kg/m3减少至1.06kg/m3，提高炮孔及炸药的利用率，并减少爆破循环时间，提高施工效率。

3.3 松动圈范围实测情况

根据对松动圈厚度范围进行实际测试。统计检测孔的平均范围为2410～2650m/s，松动圈平均波速范围2030～2290m/s，平均Kv值范围为0.22～0.27松动圈厚度范围为0.60～0.75m，测试数据见表5。

表5 松动圈测试数据成果表

4 结语

(1)对比该工程中爆破参数调整前后，由单向掏槽优化为二级复合式掏槽孔，加强掏槽爆破，并更加均匀布置辅助孔及周边孔，提高炮孔利用率和光爆效果。

(2)优化爆破参数后，通过优化炮孔深度、布置，使总装药量减少，单耗降低。在这种情况下，提高整体光爆质量，并且被爆渣体块度小、爆渣集中，便于装运出渣，有利于施工。

(3)决定爆破效果的好坏主要与岩石性质、爆破工艺、炸药性能有关，工程的地质情况是变化的，所以爆破设计参数也是动态的，在施工过程中，它随着岩石性质的变化而变化，根据现场实际情况不断优化爆破参数，以达到爆破提高质量、施工方便快捷、降低施工成本的目的。

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