某输水隧洞中空孔爆破施工质量控制过程分析

李大峰

(南京市水务工程建设管理中心，江苏 南京 210000)

1 工程概况

某输水隧洞工程位于江苏省南京市江宁境内，北东距南京市约 45km，距陆郎镇约3.5km，按设计要求隧洞采用钻爆法施工。

该项目包括桩号主洞K0+000～K2+640与支洞XK0+000～XK0+158(K0+855)两段，隧洞总长2.798km，其中主洞长2.640km，通过三个斜井通道进入隧洞，隧洞为有压输水隧洞，断面形式为曲墙拱形断面，采用全断面钢筋混凝土衬砌。

由于疫情，项目工期滞后严重，决定从延长规定爆破时段内有效作业时间、加大资源投入和避车洞调整缩短爆破时段内工序时间、试验中空孔爆破新工艺加大提高每循环进尺、申请适当延长爆破时间等几个方面入手，消除爆破时段受限对工期的影响，将掘进工期控制在投标掘进工期的9个月内。文章针对该项目中空孔爆破施工质量控制过程进行了分析。

2 中空孔爆破原理

在关键线路采用新工艺中空孔爆破施工，既利用被限制爆破的夜间时段，在支洞下游主洞作业面、出口主洞作业面采用适合该隧洞断面尺寸的大口径履带式潜孔钻机及大型高风压空压机(共三套，两套使用，一套备用，考虑现场其他工序施工用电负荷和柴油空压机稳定性，采用柴油空压机)，在掌子面进行掏大孔作业，增加爆破临空面，提高单次爆破进尺[1-5]。

3 中空孔爆破施工方法分析

3.1 技术准备及实施阶段划分

3.1.1技术准备

(1)开工前组织技术管理人员学习爆破原理，编制施工技术交底，绘制开挖断面图，为全面开工做好充分的技术准备。

(2)开工前组织测量、技术等技术人员进入施工现场，制定钻孔位置确定施工方案。

(3)根据总体施工计划和分项的施工节点详细进行细部施工方案的优化。组织合同段工程的内部技术交底以及各类作业人员的岗前技术培训工作。

3.1.2实施阶段划分

按照工期要求及该项目的主要工程内容，结合该项目地理位置、周围环境及工程特点，组织对项目关键线路隧洞出口、斜井下游2个关键线路工作面进行施工，总体施工安排如下：

(1)施工准备阶段，设备到达现场后，进行试运行并改装，同时在隧洞内安装设备所需供水管线、新布设高压风管，降尘及排烟设施。组织好单个工序施工时间，合理安排好爆破时间。

(2)技术人员及测量人员做好技术培训工作，并对施工队伍进行技术交底。

(3)做洞内中空孔试验，逐步根据实验结果调整中空孔位置，直至洞身开挖施工达到预计进尺。

3.2 施工准备及安排

(1)供水。利用原开挖施工供水管道供水，在管道端点接入专用供水管道引至掌子面供水。

(2)施工供风。由于原隧洞开挖供风管道为低压风管，中空孔施工为高压风，原开挖供风管道不能满足中空孔施工的高压风管，在原管线位置下方新增Φ89×4.5高压供风钢管2000m，因洞内其他设备需正常供电，现有变压器无法满足现场所有设备满负荷工作，在支洞和出口洞外各安置1台295kW柴油高风压空压机向各作业面履带式钻机提供风压，共进场2台柴油高风压空压机和3台大型履带式钻机(1台备用)。

(3)排烟降尘。原隧洞排烟由洞外型号为SDDY-2×37kW对旋式通风机进行排烟降尘及供风，因中空孔施工过程中机械排烟及钻孔过程中粉尘较多，无法满足正常排烟及供养。该项目采用移动抽入式风机并安装钢丝风带将掌子面烟尘抽排至距离工作面100m以外，并合理利用雾炮机降尘。采用移动抽入式风机(由新购入两台柴油三轮车运输)可解决掌子面断面狭小及占用正常通道等问题。

(4)组织设备进场改装，试运行和试验。设备进场后进行调试，因隧洞断面小，底端宽度为2.4m，施工过程中可利用空间约1.8m，为满足施工条件，由租赁厂家专业技术人员对履带式潜孔钻机进行现场改装调试，满足施工现场需求。

(5)组织施工队伍、设备进场。考虑洞内施工设备磨损较大，按5个月考虑，每月每作业面消耗1套冲击器及钻头，共需消耗10套；每月每作业面消耗8m钻杆，共需消耗80m，进场时备好这些易损件。

3.3 中空孔施工

计划此次中空孔爆破施工范围为隧洞出口至支洞下游里程段(K2+640～K0+855，共1785m)隧洞洞身开挖支护，其中截至目前出口剩余694m(Ⅳ级围岩659m，Ⅲ级围岩35m)，支洞下游剩余899m(Ⅳ级围岩649m，Ⅲ级围岩250m)，该线路主要位于丘陵地带，埋深约30m。

3.3.1人员机械及辅助设施组织情况

(1)根据爆破设计情况，人员机械增加情况见表1。

表1 人员机械增加情况表

为保证洞内履带式潜孔钻机设备正常运转及维修保养，备用一台。

(2)排烟及辅助施工设施，见表2。

表2 排烟及辅助施工设施表

3.3.2中空孔施工方案

(1)工程结构

本次中空孔施工设计的内容为隧洞洞身范围1785m。其中隧洞洞身为曲墙拱形断面，内轮廓尺寸为3.2m×3.2m，有效面积为8.3 m2，有效周长为10.373m。隧洞涉及Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩及Ⅴ级围岩共三种。Ⅲ级围岩外轮廓尺寸为3.96m×3.98m，每延米挖方量为13.41m3。Ⅳ级围岩外轮廓尺寸为4.22m×4.16m，每延米挖方量为15.19m3。Ⅴ级围岩外轮廓尺寸为4.38m×4.38m，每延米挖方量为17.00m3。本方案施工包括2个斜井，2号斜井连接隧洞终点至3号斜井由K0+855.0处与隧洞衔接。具体结构如图1所示。

图1 隧洞施工结构图(单位：mm)

(2)总体方案

根据工程要求、围岩性质、设计断面尺寸，工期计划及爆破施工特点，该项目计划利用爆破时间段以外的夜间施工段，组织开展中空孔爆破施工方案，在掌子面竖向施工3个直径为200mm的圆形孔深度7m，保证每天施工开挖2循环，增加临空面，提高爆破效率，有效提高循环开挖进尺[6-7]。

在掌子面增加中空孔开挖施工的关键工艺是有效提高循环开挖进尺。爆破流程如图2所示，中空孔开挖位置关系如图3所示。

图2 隧洞爆破流程图

图3 中空孔开挖位置关系图

为降低掘进爆破的地震效应，设计采用毫秒延迟的起爆技术[8-14]。在增加开挖进尺的同时，控制爆破震动对围岩的扰动，确保在围岩稳定的情况下，提高单循环开挖进尺。根据隧洞暗洞设计图纸资料可知，岩石性质主要有Ⅲ、Ⅳ两种级别围岩，为确保施工安全，综合考虑现场地质条件、设计要求、施工进度等因素，确定单循环进尺为2.5～3.0m。

开挖边界的周边孔应采用光面爆破，以减弱爆破作用对隧洞围岩的扰动，同时使开挖轮廓线平整，减少超挖和欠挖。考虑到围岩软弱的实际情况，应设计选取较小的炮孔间距和较小的线装药密度，孔距在40～50cm选取，线装药密度在0.1～0.2kg/m选取。

在条件允许情况下，施工中应选用低爆速、小直径的爆破药卷，炸药爆速最好在2200m/s左右，药卷直径为20～24mm，并且采用径向不耦合和轴向不耦合的装药结构，以削弱爆轰气体对炮孔壁围岩的强冲击作用，避免爆破在炮孔周围产生粉碎压缩圈，进一步缩小爆破对围岩的扰动范围。

为了获得较好的光面爆破效果，光爆孔设计选用多段药卷间隔装药的方式。

采用毫秒延期起爆技术，控制一次起爆药量产生的振动小于保护目标的允许振动值。

(3)中空孔施工安排及工期优化效果

该项目引进钻孔设计，因项目施工的引水隧洞断面小，可操作空间有限，需对设备进行改装，同时支洞下游围岩与出口围岩断面及围岩等级参数不同，需要根据现场不断试验调整中空孔位置关系，具体安排时间见表3和表4。

表3 设备调试及改装时间安排表

表4 工期对比表

4 结论

文章通过对中空孔新工艺爆破技术在某输水隧洞工程的运用进行总结，从技术准备、实施阶段划分、施工准备及安排到中空孔施工全流程梳理，对中空孔爆破施工中的重点、难点进行技术创新，通过采用履带式潜孔钻机打孔，调整爆破钻孔位置及孔深、采用毫秒延迟起爆等技术手段，有效提高循环开挖进尺的同时，控制爆破震动对围岩的扰动，使开挖轮廓线平整，减少超挖和欠挖，最终将施工工期从原计划的2021年9月30日提前到2021年1月25日。文章尚未分析中空孔新工艺爆破技术在隧洞应力变形方面的优势，将在今后进一步开展相关的研究。