分幅减振爆破开挖技术实践

王忠康，顾晓薇，施传斌，胥孝川，王 青

(1.东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819；2.鸿基建设工程有限公司，浙江 温州 325800)

随着现代化进程的加快，交通隧道、能源洞库等大断面岩石地下工程建设日益增多。目前，钻爆法仍是硬岩掘进开挖的主要手段。然而，爆炸破岩的同时难免产生爆破振动等有害效应，所以控制爆破振动等有害效应历来是工程爆破中的重点与难点。根据以往的工程经验，掏槽孔振动强度大于其他炮孔，控制爆破振动的关键在于控制掏槽孔[1-3]，石洪超等[4]采用孔内分段毫秒延时起爆的掏槽孔间隔装药技术，能够有效控制爆破振动，相比于常规爆破技术振动强度可降低30%以上。杜小刚等[5]针对泄水洞0.5 m超小净距下穿高铁隧道工程，研究采用砂质缓冲和钢筋混凝土板加固组成的减振保护结构，减振效果良好，给出了基于预设缓冲层等技术措施的超小净距下穿隧道减振体系。管晓明等[6]采用多级楔形掏槽+分部爆破+孔外延时的综合爆破减振技术，有效控制爆破振速在安全限值以下，实现了复杂条件下安全、经济、快速的穿越城市建筑群和地下管线等高风险源区的隧洞开挖爆破。此外，采用高精度延时起爆的电子雷管等延时爆破技术对控制爆破振动也较为有利，工程实践表明[7-9]，与普通导爆管雷管相比，可有效降振30%～60%。由于待爆岩体差异很大，加之掘进爆破作用机理还不够完善，实际工程中往往是以理论分析为基础，经工程类比后设计爆破方案，再经反复试验与调整确定最佳施工方案。基于地下水封石油洞库对爆破开挖的特殊要求，针对特大断面硬岩隧洞爆破开挖存在的诸多问题，提出“大洞小打，分部开挖”原则，研究制定分幅减振爆破开挖技术，以期能够为特大断面硬岩掘进开挖提供弱振动、高效率的钻爆开挖技术。

1 工程概况

华南某储存500万m3水封石油储库工程是目前世界上规划库容最大的超大型地下水封洞库，由5组洞罐共10个长约900 m的主洞室组成。洞室设计断面为直墙圆拱形，本次爆破对象为洞室顶部特大断面拱形巷道，其跨度20 m，高10 m。库区属低山至丘陵区，岩体主要为黑云母二长花岗岩，属于坚硬，普氏系数约为11～13，岩体完整性好，节理裂隙不发育。隧洞掘进采用全断面一次爆破开挖，施工过程中存在爆破振动过强、掏槽效果不佳、炮孔利用率不高、壁面成型不良及围岩损伤过大等问题，出现导致施工进度缓慢、质量难以达到设计要求，爆破方案亟待改进，爆破效果亟待提高的情况。

2 存在问题

超大断面硬岩隧洞前期开挖采用全断面一次爆破，然而，由于一次起爆药量过多且爆破参数设计不甚合理，施工过程遇到诸多问题，严重影响到隧洞掘进速度与质量。

1)掏槽孔设置不合理，孔底距高达130 cm，距离过大，爆后岩石破坏区不能相互贯通，在掏槽底部留有较大体积的根底。

2)中深孔爆破，设计孔深为3.7 m，实际进尺仅为2.6～2.8 m，炮孔利用率低于75%，影响掘进速度。

3)断面超大，约为170 m2，炮孔数量多，单次起爆药量高达645 kg，最大单段药量达80 kg，围岩质点峰值振速高达18.5 cm/s，产生的振动过于强烈，造成周边岩体产生较多微小裂纹，开挖质量难以达到地下水封石油洞库的设计要求。

4)周边孔装药不够均匀，光面爆破效果不理想，超、欠挖现象普遍存在，爆后半孔率不足70%，壁面成型不佳。

3 改进方案

在理论分析的基础上，结合工程现场施工情况及前期的施工经验，针对隧洞爆破开挖存在的诸多问题，提出“大洞小打，分部开挖”原则，研究制定分幅减振爆破开挖技术，即左侧开挖先行，右侧扩挖跟进；左侧开挖宽12 m，右侧开挖宽 8 m。优化爆破参数，改进炮孔布置及装药结构，采用三臂凿岩台车配合人工作业，精细化施工。钻孔直径45 mm，采用2号岩石乳化炸药，用导爆管雷管引爆，周边孔光面爆破时辅以导爆索。

3.1 爆破设计

1)掏槽形式。隧洞掘进爆破自由面单一，受到周围岩体的夹制作用大，掏槽效果对开挖进程往往起着决定性作用。楔形掏槽具有炮孔数目少、岩石容易抛掷、钻孔精度要求低等诸多优势，在中、大断面硬岩掘进开挖中应用最为普遍[10-11]。隧洞左侧开挖时，选用三级复式楔形掏槽。由于开挖断面大，掏槽孔间距取值相比中、小断面明显增大，掏槽孔布置如图1所示。

图1 掏槽孔布置Fig.1 Layout of cut holes

2)辅助孔。辅助孔是单次循环崩落岩石的主体，在掏槽孔和周边孔布设完毕之后，均匀布置在开挖工作面上。由于掏槽孔已为辅助孔爆破提供了更好的自由面条件和岩石膨胀空间，辅助孔最小抵抗线偏大，常在70～90 cm之间取值，装药量比掏槽孔小。

3)周边孔光面爆破。周边孔的光面爆破是决定隧洞开挖成型质量的关键所在，光面爆破效果主要受炮孔间距、光爆层厚度、装药集中度及炮孔密集系数等因素影响。根据硐室围岩情况及施工经验，周边孔间距E=56 cm，光爆层厚度W=70 cm，则密集系数K=E/W=0.8。周边孔采用不耦合装药或装填低威力炸药，常按松动爆破来计算装药量。本工程光爆孔装填特制的φ25 mm药卷并辅以导爆索爆破，以便获得良好的光面爆破效果，装药结构如图2所示。

图2 周边孔装药结构Fig.2 Charging structure of contour holes

3.2 左侧开挖

左侧开挖断面面积S=105 m2，结合花岗岩岩性，依据理论计算及施工经验确定炮孔数目N=186，炮孔布置如图3所示。

图3 左侧炮孔布置Fig.3 Layout of boreholes on the left

开挖循环进尺定为3.4 m，炮孔深3.7 m，掏槽孔超深20 cm。掏槽孔和辅助孔装填φ32 mm药卷，导爆管雷管孔底起爆，延时爆破，装药参数如表1所示。

表1 左侧开挖装药参数Table 1 Charging parameters of left excavation

3.3 右侧扩挖

右侧扩挖断面面积S=65 m2，结合花岗岩岩性，依据理论计算及施工经验确定炮孔数目N=100，炮孔布置如图4所示。

图4 右侧炮孔布置Fig.4 Layout of boreholes on the right

扩挖循环进尺定为3.6 m，炮孔深3.8 m。辅助孔装填φ32 mm药卷，导爆管雷管孔底起爆，延时爆破，装药参数如表2所示。

表2 右侧扩挖装药参数Table 2 Charging parameters of right excavation

4 效果与分析

测振仪器选用成都中科测控生产的TC-4850爆破测振仪，测点布置于已开挖隧洞的拱顶、左侧壁(高约2.0 m)、左侧拱肩(高约4.5 m)、右侧拱肩(高约4.5 m)和右侧壁(高约2.0 m)，距掌子面距离约为35 m。记录每一循环爆破围岩质点振动速度峰值，爆破振动监测数据如表3所示。

表3 爆破振动监测数据Table 3 Monitoring data of blasting vibration

掏槽孔单段最大药量约为49 kg，辅助孔单段最大药量约为54 kg。监测结果表明，即使辅助孔和周边孔爆破的单段药量稍微大于掏槽孔爆破的单段药量，掏槽孔爆破产生的振动仍然最为强烈。这是由于掏槽孔爆破自由面单一，周围岩体夹制作用大，导致更多的爆炸能量传入岩体，引起围岩振动较为强烈。隧洞壁振速峰值出现在左侧壁和左侧拱肩附近区域，拱顶区域振速相对偏小，因为拱顶测点爆心距更大。右侧壁和右侧拱肩附近区域振速明显小于左侧相应区域的振速，这是由于采用左右分幅爆破，左侧先行开挖产生的爆破地震波经右侧预留岩体的阻隔已经衰减，作用于右侧围岩的应力峰值相对较小，引发的振动较弱，右侧预留岩体对围岩起到保护作用。

数十次现场试验均获得了良好的爆破效果(见图5)。改进前，围岩质点峰值振速达18.5 cm/s，明显超出限值，不可避免地对隧洞周边岩体造成较大损伤，开挖质量难以达到水封石油洞库的密封要求，需要对微小裂隙进一步密封处理，增加了施工成本，降低了施工效率。改进后，围岩质点峰值振速约为13.1 cm/s，降低29.2%，峰值振速控制在限值以内，围岩损伤减轻，微小裂隙减少，洞库密封性能有了较大提升。通过优化掏槽形式及布置，相比之前减小了掏槽孔底距，将其控制在100 cm左右，提高了掏槽孔利用率，爆后未再出现大体积根底，开挖断面更为平整，为下一循环钻孔作业提供了较大便利。硬岩隧洞爆破开挖循环进尺大为改善，改进前平均炮孔利用率不到75%，改进后平均炮孔利用率高达90%以上，利用率约提高15%，单次循环进尺达3.2～3.4 m，提高了掘进开挖效率。周边孔装药结构优化后，光面爆破的半孔率提高到85% 以上，开挖成型良好，超、欠挖值均控制在限值以内，壁面光滑、平整。改进前，全断面爆破的单次起爆药量高达645 kg，炸药单耗约为1.4 kg/m3；改进后，左侧开挖的单次起爆药量为395.13 kg，炸药单耗约为1.1 kg/m3；右侧扩挖的单次起爆药量为195.90 kg，炸药单耗约为0.9 kg/m3；每循环进尺总药量为591.03 kg，节省炸药约54 kg，成本更低，效率更高。

图5 光爆效果Fig.5 Effects of smooth blasting

独头掘进时，自由面单一，周围岩体夹制作用大，爆破更为困难，爆破振动往往也更为剧烈。分幅减振爆破开挖技术可将大断面划分为两个及两个以上的较小断面，单次起爆药量和最大单段药量均有所减少，通过控制爆源的能量释放达到减振的目的。同时，前次爆破也为后续断面爆破创造了新的自由面，并提供岩石膨胀空间，炸药爆炸能量可以更多地用来破岩，在减振方面也起到一定的积极作用。此外，分幅减振爆破所创造良好的自由面条件及适宜的开挖次序，在提升炮孔利用率，提高壁面成型质量及节能减耗等方面也具有较为明显的优势。

5 结语

针对水封石油洞库顶部170 m2三心拱形岩巷全断面爆破开挖掏槽效果不佳、炮孔利用率不高、爆破振动过强及围岩损伤过大等问题，通过理论分析与经验总结，提出“大洞小打，分部开挖”原则，研究制定分幅减振爆破开挖技术。工程实践表明，分幅减振爆破开挖技术在爆破减振、提升炮孔利用率、提高壁面成型质量等方面优势明显，能够满足水封石油洞库爆破开挖的设计要求，可为硬岩大断面钻爆开挖提供借鉴与参考。