下穿高速公路输水隧洞爆破设计

黄智刚

(福州水务平潭引水开发有限公司，福建 福州 350001)

随着我国城市化的不断推进，城市用水困难日益加剧。修建输水隧洞将大型湖泊水源供给城市使用，是缓解城市用水困难的重要手段[1- 3]。输水隧洞施工过程中下穿既有高速公路，对高速公路路基、路面产生较大危害。隧洞下穿高速公路施工风险主要包括两方面：一是隧洞施工的爆破振动、地表沉降、围岩失稳等对高速公路路基、路面的影响[4- 5]；二是既有高速公路车辆运行对隧洞施工的不利影响[6]。

本文针对平潭及闽江口水资源配置工程输水隧洞施工下穿G15高速的施工问题，分析隧洞施工风险；考虑主要风险源，对下穿高速公路输水隧洞爆破进行优化设计。

1 工程概况

福建省平潭及闽江口水资源配置工程是一项跨区域的重大水利工程，属于国务院推进建设的172项节水供水工程之一。工程第4标段(大樟溪—石溪输水线路)由主洞和多条支洞组成，隧洞累计长度高达42078m。

输水隧洞施工下穿G15高速公路，交叉位置路面高程约为49m，隧洞顶高程24.79m，隧洞顶板与路面高差为24.21m，高速与隧洞轴线夹角为83.4°。下穿段沿线地表为5～9.7m砂质黏土层，下伏全风化和强风化凝灰岩，下限为22.6m。隧洞处于中-微风化岩层，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级，稳定性较差。

2 施工风险分析

下穿高速公路输水隧洞施工中，主要施工风险包括隧洞施工引起路面沉降、车辆运行诱发隧洞塌方和隧洞爆破振动有害效应等三个方面[7- 8]。

(1)隧洞施工引起路面沉降

隧洞开挖将导致地表下沉，对地面建(构)筑物产生不利影响。对于隧洞深埋小于3倍洞径的浅埋隧洞，引起地表沉降较大。本工程中，下穿地段隧洞埋深为24.21m，根据计算下穿段隧洞属于深埋段。深埋隧洞可以形成自然坍落拱，隧洞开挖地表影响极小，基本不会引起高速公路路面下沉。

(2)车辆运行诱发隧洞塌方

高速公路运行车辆会产生动载，动载经路面、岩体传递到隧洞顶板，造成隧洞顶板受力、震动，进而引起隧洞塌方[9]。隧洞塌方将直接影响施工人员安全，同时隧洞塌方有可能波及到地表，有可能造成道路路面塌陷，影响道路交通安全。因此在下穿过程中，需控制车辆运行中的动载，控制车速，将动载控制到最低程度。

(3)隧洞爆破振动有害效应

爆破产生的有害效应主要包括爆破振动、飞石和空气冲击波[10- 11]。爆破地震波通过岩体传导到高速公路，引起路基和路面振动，其峰值振动速度可能超过限值，将对高速公路结构稳定性造成威胁。

根据上述分析可知，下穿高速公路输水隧洞施工风险中爆破振动有害效应的影响最大，需要对爆破设计进行优化，减小爆破振动强度，确保下穿高速公路输水隧洞施工安全。

3 下穿高速隧洞爆破设计

3.1 开挖方式

隧洞下穿高速公路位置围岩为Ⅲ～Ⅳ级，围岩稳定性较差。为有效降低爆破振动，避免隧洞塌方，下穿位置前后50m范围内均采取台阶法爆破施工，上下台阶进尺均取1m。

3.2 炮眼设计

炮眼数量根据经验公式确定[12- 13]，如下：

(1)

式中，N—炮眼数量；q—炸药单耗，根据隧洞工程经验及有关资料，岩石坚固性系数f=5～8时，隧洞掘进炸药单耗为1.7kg/m3；s—隧洞掘进断面积，19.35m2；r—每米炸药质量，2#岩石炸药为0.78kg；η—炮孔装药系数，取0.7。

计算得到的炮孔数量为59。考虑到台阶法开挖、光面爆破及中心空眼，隧洞炮孔数量确定为60个。掏槽眼采用平行空眼直线掏槽，各掏槽眼互相平行且呈对称形式排列，炮孔间距0.2m，中间一个为空眼。辅助眼和光爆眼均匀布孔，辅助眼间距0.53～0.7m，光爆眼距轮廓线0.1～0.15m。炮眼布置如图1—2所示。

图1 上台阶炮眼布置图

图2 下台阶炮眼布置图

3.3 钻爆参数

(1)炮眼参数

爆破采用YT- 28型凿岩机进行钻眼，炮眼直径d=38～42mm。由于上下台阶进尺控制在1m，掏槽眼增加超深0.3m，其他眼增加0.1m，因此掏槽眼深度为1.3m，其他炮眼深度为1.1m。

(2)爆破药量

掏槽眼、辅助眼和底眼药量计算[14]：

Q=(L×α)÷m×P

(2)

式中，Q—炮孔装药量，kg；L—炮孔深度，m；α—装药长度比例；m—药卷长度，m；P—每卷炸药重量，kg。计算得到掏槽眼、辅助眼和底眼的单孔装药量分别为1.04、0.77、0.825kg。

周边眼药量计算[15]：

Q=q线×L

(3)

式中，Q—装药量，kg；q—线装药密度，kg/m，本工程取0.12；L—炮眼深度，m。计算得到周边眼的单孔装药量为0.132kg。

(3)微差起爆

采用毫秒微差非电雷管一次起爆方法，起爆顺序为：掏槽眼-辅助眼-底眼-周边眼，应选用1—11段毫秒雷管，相邻炮孔的起爆时差应不大于100ms。各类炮眼的钻爆参数见表1—2。

表1 上台阶钻爆参数表

表2 下台阶钻爆参数表

3.4 装药结构

掏槽眼、辅助眼、底眼采用耦合连续反向起爆装药结构。为了最大限度地降低爆破对围岩损伤，周边眼采取间隔不耦合装药。装药结构如图3—4所示。

图3 耦合连续反向起爆装药结构

图4 间隔不耦合装药

4 爆破效果分析

隧洞爆破后对开挖质量进行了检测，爆破岩面较为平整，残留炮眼痕迹清晰，如图5所示；平均超挖在15cm以内，残孔率在85%以上。检测结果表明本方案爆破设计参数合理，取得了较好的爆破效果。

图5 拱部爆破效果

根据爆破安全规程[16]和施工方案，高速公路的安全振速为10m/s。在路面设置2个监测点，进行了6次爆破振动监测，结果如图6所示。实测爆破峰值振速在3.04～5.41cm/s之间，远小于安全振速值，说明隧洞爆破振动效应得到有效控制，对高速公路影响较小。

图6 监测点峰值振速

5 结语

下穿高速公路输水隧洞施工风险较大，易引起路基、路面沉降，威胁高速公路结构稳定。针对本项目实际工程特点，详细分析了施工风险，提出了下穿高速公路输水隧洞爆破优化设计方案。平均超挖控制在15cm以内，残孔率在85%以上，路面爆破峰值振速远小于安全值，隧洞安全完成下穿高速公路施工。可为输水隧洞下穿高速公路施工提供参考。而对下穿高速公路隧洞支护设计和施工管控仍有待进一步研究。