引汉济渭秦岭隧洞4号支洞开挖爆破技术浅析

白少博

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100）

0 引言

随着我国隧道及地下工程施工技术的迅速发展，越来越多隧道工程投入建设，钻爆法开挖是岩土开挖的重要手段，以其地质条件适应性强、适于硬岩掘进、成本经济等优势得到了广泛的应用。

山岭隧道工程在钻爆法开挖过程中，如遇围岩单轴抗压强度超过100MPa时，由于硬岩钻孔困难、缺少爆破临空面、岩体夹制作用大等因素影响，往往需要加密掏槽炮孔、加深掏槽深度、增加掏槽药量，这样不仅施工进度缓慢，而且加大了围岩的扰动，加之在大埋深、高地应力地段应力集中，岩爆发生的概率增加，影响施工安全，增加了施工难度。本文结合引汉济渭秦岭隧道4号支洞在硬岩、岩爆地段的钻爆开挖施工经验，对爆破方案、爆破参数、爆破施工、支护方案等技术进行探讨。

1 工程概况

引汉济渭秦岭隧洞4号支洞是为解决引汉济渭秦岭输水隧洞TBM长距离出渣和通风问题而在标段中间设置的一座施工支洞。4号支洞位于秦岭岭南高中山区，山高坡陡，工点范围内地形起伏不平，最大高差约760m，支洞洞身埋深250~1430m，轴线与主洞上游方向水平夹角为45°0′0″，支洞平距5784m，斜距5820.21m，综合纵坡-11.96%，施工断面为圆拱直墙型，断面净空尺寸6.7m×6.5m（高×宽）。纵断面设计图见图1。

引汉济渭秦岭隧洞4号支洞通过区涉及地层主要为印支期花岗岩（γ5），围岩以Ⅱ类围岩为主，Ⅱ类围岩总长5186 m，Ⅲ类围岩总长500m，Ⅳ类围岩总长98m。4号支洞开挖段主要以硬岩为主，岩体单轴干燥抗压强度133.0 MPa～184.9 MPa，σmax=30.0 MPa。标段地质剖面见图2。

图1 引汉济渭4号支洞纵断面设计图

图2 引汉济渭工程秦岭隧洞4号洞地质剖面图

岩爆是在隧道开挖后，在较短的时间内岩体产生脆性破坏后岩体内残留的弹性应变能突然释放，发生高速崩溃、弹射、甚至抛掷的一种局部失稳现象。引汉济渭秦岭隧洞4号支洞开挖过程中累计发生岩爆58次（轻微岩爆30次，中等岩爆15次，强烈岩爆13次），岩爆段共计1760 m，对施工安全造成较大影响。

2 爆破设计方案的选择

2.1 总体方案设计

光面爆破是一种合理利用炸药能量的控制爆破技术，用于隧洞爆破时，既能够爆下设计轮廓线以内的岩石，又不使轮廓线以外的岩石受到明显的破坏，而且在围岩面留下半个清晰可见的孔痕，从而使断面成形规整、稳定，为喷锚支护创造有利条件。4号洞洞口露天采用人工辅助机械开挖，保证边坡光滑稳定；洞身开挖爆破根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm；严格控制周边眼的装药量，采用间隔装药，使药量沿炮眼全长均匀分布，导爆管诱爆。根据地质条件，4号支洞Ⅱ、Ⅲ类围岩采用全断面光面爆破，Ⅳ类围岩台阶法或全断面开挖，采用凿岩台车钻孔，装载机装渣，自卸式汽车运输。人工配合挖掘机修整开挖轮廓。

2.2 光面爆破参数的选择

确定合理的隧洞开挖爆破参数，是取得良好爆破效果与加快开挖速度的前提。隧洞开挖爆破参数主要包括炸药消耗量、炮孔直径、炮孔深度（角度、位置、孔口距和孔底距）。高地应力稳定性差地段的隧洞爆破参数设计上主要采取“短进尺、密集孔、弱爆破”的开挖方式，以减少爆破对围岩稳定性的影响，对坚硬完整岩体的爆破设计采数可适当放宽。

表1 爆破参数表

参照类似工程经验数据，结合经验公式计算，得出本工程爆破参数：

（1）孔深确定：Ⅱ、Ⅲ类围岩取3m、Ⅳ、Ⅴ类围岩取0.5～1.0m；

（2）周边光爆孔孔网确定：根据a/w=0.07～1.0原则确定，一般孔距a不大于Ⅱ、Ⅲ类围岩≤50 cm，Ⅳ类围岩≤35 cm；最小抵抗线w=60～80 cm，Ⅱ、Ⅲ类围岩取65 cm，Ⅳ类围岩取75 cm；

（3）周边眼线装药密度确定：q线在硬岩段一般取100～150g/m；

（4）掘进孔孔网参数确定：

掘进孔孔网根据单孔装药量负担面积确定：

式中，Q单为单孔装药量；q为单耗；l为孔深；a为孔距；w为抵抗线；S为炮孔负担面积。

（5）掏槽方式

采用楔形掏槽。楔形掏槽适用于中等硬度以上的围岩，且隧洞断面大于4m2的工作面。

（6）单耗确定：单耗根据前期现场实际情况确定，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩周边眼取0.2 kg/m。

2.3 炮孔布置及药量分配

2.3.1 炮孔布置

按掘进断面的炮孔位置和作用，炮孔分为周边眼、掏槽眼和掘进眼，引汉济渭秦岭隧洞4号支洞开挖断面在开挖轮廓线设置一圈周边眼，中线两侧1.3 m位置设置两排掏槽眼，掏槽眼与工作面的交角为68°、72°，沿拱顶周边眼内侧设置三排掘进眼，为了获得更好的掘进效果，在掏槽眼和周边眼之间分别设置了三排辅助眼，与工作面交角分别为 76°、81°、88°。4# 支洞Ⅱ、Ⅲ类围岩断面爆破炮孔布置图见图3。4#支洞Ⅳ类围岩断面爆破炮孔布置图见图4。

图3 Ⅱ、Ⅲ类围岩断面爆破炮孔布置图

图4 Ⅳ类围岩断面爆破炮孔布置图

2.3.2 装药参数

（1）药卷规格、装药密度：药卷直径为φ32和φ40两种规格，装药密度为ρ=0.95~1.25 g/cm3，爆速不低于4500 m/s，周边孔采用低威力、低爆速炸药，药卷直径为φ32。

（2）炸药单耗：Ⅱ、Ⅲ类围岩为1.89 kg/m3；Ⅳ类围岩上台阶装药量为0.33 kg/m3，下台阶为0.45 kg/m3。

Ⅱ、Ⅲ类围岩爆破参数表见表2。

2.3.3 装药方法、装药结构、炮孔堵塞及起爆网络

（1）装药方法

人工使用炮棍装药，起爆体均在火工品加工房进行加工，起爆体必须专人加工，分段存放。

表2 Ⅱ、Ⅲ类围岩爆破参数表

（2）装药结构

周边眼采用光面或预裂爆破，装药结构为间隔装药；掏槽孔和掘进孔、底板孔采用连续装药结构。

（3）炮孔堵塞

炮孔采用人工堵塞，堵塞材料为粘性土卷(需提前加工)，用木制炮棍压紧。堵塞长度一般不小于30 cm；严禁不堵孔爆破。

（4）起爆网络设计

起爆网路采用先并联、后串联组成起爆。

每段雷管段数采用并联方式进行连接后，接头位置采用2根导爆管反向传爆，等每段段数并联完成后，最后将所有的段数进行串联，串联采用2根瞬发电雷管进行起爆，采用起爆器起爆。

2.3.4 爆破效果监测

超欠挖检查:开挖轮廓圆顺，开挖面平整检查;爆破进尺是否达到爆破设计要求;爆出石渣块是否适合装渣要求；炮眼痕迹保存率，硬岩≥80%，软岩≥60%并在开挖轮廓面上均匀分布。

2.3.5 爆破安全度计算

（1）由于爆破过程中部分炸药能量转化为地震波，同时产生一定飞石、冲击波、爆破毒气和噪声，影响机械设备、环境及生命财产的安全，务必对其安全情况进行校验，采取严格的防范措施加以保护确定爆破安全。

爆破振动计算：

控制最大段装药量为，Q max=1.5 kg，V=k（Q1/3/R）a，取 k=50，a=1.3，R=65 M 时，V=50×（1.5/3/65）1.5=0.58 cm/s＜1cm/s（山体稳定度）。

（2）根据《中华人民共和国爆破安全规程》（GB6722-2011）中有关爆破安全振动速度的要求，房屋类建筑物地面质点的安全振动速度规定如下：

土窑洞、土坯房、毛石房屋：1.0 cm/s；一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物：2～3 cm/s；钢筋混凝土框架房屋：5 cm/s。

由于爆破设计参数和楼房现有质量与实际情况存在一些差异，因此实际建筑物对施工爆破振动的要求可能更高，在实际设计计算时还需要考虑一定的安全系数。本工程设计文件给出下穿房屋段时爆破振动波速应控制在1.5～2.0 cm/s，本次施工设计在实际选用上，一般砖混结构房屋选其下限1.5 cm/s，框架结构房屋选其上限2.0 cm/s。

区段为Ⅱ、Ⅲ级围岩，Ⅱ级为主，按中硬岩石取K=250，a=1.8，爆心距R=21m，振动安全速度框架结构选V=2.0 cm/s则：

最大分段药量Q=（V/K）3/a.R3=2.9 kg

区段为Ⅱ、Ⅲ级围岩，Ⅲ级为主，按硬岩石取K=150，a=1.5，爆心距R=23m，振动安全速度框架结构选V=2.0 cm/s则：

最大分段药量Q=（V/K）3/a.R3=2.16 kg

区段为Ⅳ级围岩，按软岩石取K=300，a=1.9，爆心距R=44m，振动安全速度砖混结构选V=1.5 cm/s则：

最大分段药量Q=（V/K）3/a.R3=19.9 kg

躲炮距离均按照300～500m范围加强警戒。

3 岩爆洞段辅助开挖措施

开挖：岩爆地段采用“短进尺、密集孔、弱爆破”的开挖方式，有针对性的调整爆破参数和装药结构。

支护：（1）利用凿岩台车施作超前应力释放孔，每循环10个，孔深5m；

（2）利用喷砼台车初喷纳米仿钢纤维砼3～5 cm，而后复喷至15 cm；

（3）利用人工配合凿岩台车施作Ф22砂浆锚杆，L=3.5 m，间距1.2m×1.2m，锚杆垫板20 cm×20 cm（厚度8mm）。施作范围根据预测结果确定，必要时，可采取涨壳式预应力中空注浆锚杆；

（4）由人工配合机械采用I16型钢拱架支护，纵向间距0.8～1.2m。

4 结语

引汉济渭秦岭隧洞4号支洞作为引汉济渭秦岭输水隧洞中段通风、出渣的临时施工支洞，在钻爆开挖施工过程中分别遭遇硬岩、岩爆、围岩坍塌等不良地质，施工难度大，同时施工工期相对紧张，现场通过合理设计开挖方法、组织开挖工序和优化爆破参数，获得了合理应对硬岩、岩爆条件下的钻爆开挖技术，保证了支洞工程的安全、快速开挖施工。