新疆输水工程喀双引水隧洞爆破技术与施工方案研究

张福林

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

1 引言

水不仅是人赖以生存的必备物质，同时也是经济社会发展的重要基础[1-2]，但是我国地域辽阔，地形复杂，水资源分配存在明显的不均匀性，从而导致水资源缺乏地区的发展受到很大的限制[3]。因此，根据我国地区全面发展的相关政策，从水资源这一重要基础物质出发，使得越来越多的跨流域远距离调水工程得到人们的重视和发展[4-5]，远距离调水工程难免需要穿越不同的地质地形，穿越山岭地区等就需要建造引水隧洞，因此对于引水工程中的施工技术要求也越来越高[6-7]。

盾构法或者TBM等施工方式近年来在地下工程中得到较为广泛的应用，但是对于一些较为特殊的围岩或者施工环境较为复杂的条件下，传统的爆破施工还是十分重要的[8-9]。爆破施工控制较难，施工不当不仅容易引发地质灾害，也会给后续施工带去挑战，从而增加施工难度和成本[10-11]。

本文以新疆YEGS二期输水工程喀双段某一引水隧洞为研究背景，通过对地质条件充分了解的基础之上，调整爆破参数和施工工艺，保证爆破的施工质量，满足施工规范要求。

2 工程概况

2.1 工程概况

喀双隧洞沿线途径G216国道及S424、S228和S432省道，工程区线路总长约为283.4 km。本项目爆破隧洞研究位于奇台县境内，标段长度为9.1 km，其中Ⅳ级围岩8.016 km，Ⅴ级围岩1.091 km。开挖断面为城门洞型，Ⅳ级围岩断面尺寸6.74 m×6.69 m(宽×高)，Ⅴ级围岩断面尺寸6.9 m×6.82 m(宽×高)。衬砌断面为马蹄形，Ⅳ级围岩一次支护厚度15 cm，Ⅴ级围岩一次支护厚度18 cm。洞身支护采用湿喷机喷射C30混凝土。

2.2 水文地质条件

根据地形地貌、地层岩性及施工方法，该段隧洞长8.016 km，该段位于卡拉麦里山南坡，地形由北向南缓慢倾斜，沿线地形起伏小，地形平坦、开阔。地层岩性为二叠系砂砾岩和砂岩夹泥岩，厚层状，岩体完整，岩石饱水后抗压强度极低，开挖失水后易崩塌，围岩稳定性较差。二叠系泥岩、砂质泥岩自由膨胀率为49.5%，为弱膨胀岩，该段为Ⅳ类围岩。隧洞沿线地表水贫乏，工程区范围内气候干燥和降水少。区内岩石完整性良好，裂隙贯通性差，裂隙水量较小，地下水与降水相关。

3 隧洞施工爆破设计

本标段围岩为Ⅳ和Ⅴ类围岩，采用全断面爆破法进行开挖，根据爆破设计严格控制每一循环的超欠挖，对局部欠挖部位采用小型挖掘机与人工操作风镐处理，如有大面积欠挖应重新进行爆破施作。实际进尺根据现场围岩情况进行确定，在围岩破碎地段采取短进尺强支护，必要时进行超前支护或免爆开挖，杜绝侥幸心理冒险作业。

钻爆设计思路是周边采用光面爆破，核心掏槽采用楔型掏槽，减轻对围岩扰动，控制围岩的超欠挖，达到良好的轮廓成形。当岩性发生变化时，遇到岩层破碎段时，需根据具体爆破情况进行调整循环进尺及布孔方式，或重新进行爆破试验确定爆破参数。

3.1 循环进尺确定

根据相关规范，Ⅳ类和Ⅴ类围岩循环进尺不同。本工程Ⅳ类和Ⅴ类围岩循环进尺分别按2 m和1.0 m计算，具体循环进尺根据实际地质情况而定，当遇到岩层情况较差时，根据具体爆破施工情况实时进行调整。

3.2 爆破参数选择

(1)孔径φ及炮眼深度

根据以往经验施工钻孔设备为YT28手风钻，因此本次试验初拟掏槽孔、崩落孔、底孔及周边孔孔径均为φ45 mm；Ⅳ级围岩除挖槽孔及底板洞深度l=2.2 m，周围眼、辅助眼炮口深度l=2.1 m；围岩挖孔、板洞深度l=1.2 m以外，其余的周围眼、辅助眼和现场的l=1.1 m以外的炮孔。

(2)药卷直径d

在实际应用中，我们采用直径为φ32 mm的岩石乳化炸药，周围用2号岩石乳化炸药，沿长度方向进行半切(相当于φ20小药卷)，即周围不耦合系数d=45/20=2.25，符合d=2.0～2.5的要求。

(3)爆破器材及装药结构

采用条形乳化炸药，药卷直径φ32，雷管以非电毫秒的雷管为主，保证爆破质量，光面炸破可用导爆索引爆。除周围眼外，其余均采用耦合装药，起爆时采用反向爆炸。

(4)周边眼间距(E)、最小抵抗线(V)和相对距系数(K)

断面跨度大与最小抵抗线可成正相关，岩石硬度与最小抵抗线成反相关。考虑隧洞主要含极软岩，故最小抵抗线(V)为0.40 m～0.60 m。相对距系数与爆破效果密切相关。考虑到岩石节理发育情况，间距取值在40 cm左右，最小抵抗线值取60 cm。

3.3 装药量计算

爆破装药量和炮眼数量计算公式分别见式(1)和式(2)。

q=QEV

(1)

N=qS/ηγ

(2)

式中：q为装药集中度，kg/m；Q为单位体积耗药量，g/m3；E为周边眼间距，m；V为最小抵抗线，m；N为炮眼数量，不包括未装药的空眼；S为开挖段面积，m2；η为装药系数，即装药长度与炮眼长度的比值；γ为每米药卷的炸药质量，kg/m。

经过计算得到主洞Ⅳ类围岩q=0.178 kg/m；主洞Ⅴ类围岩q=0.158 kg/m。主洞Ⅴ类围岩炮孔数量为120个，主洞Ⅳ类围岩炮孔数量为123个。主洞爆破设计炮眼布置示意见图1。主洞单每个循环不同围岩所使用是炸药量见表1和表2。

表1 主洞单循环Ⅳ类围岩炸药消耗表

表2 主洞单循环V类围岩炸药消耗表

(a)Ⅳ类围岩

(b)Ⅴ类围岩

3.4 起爆方式及爆破网络

本工程通过簇联法将电雷管起爆非电毫秒雷管，将发电雷管与非电毫秒雷管连接，起爆先后通过非电毫秒雷管的延迟来实现。从掏槽孔逐圈向外爆破，为保证周边孔准爆，通过毫秒雷管和导爆索对周边孔达到共同起爆的效果。

4 爆破技术要求及爆破物品使用安全措施

4.1 爆破技术要求

①测量放线：设备主要是徕卡TS09全站仪和徕卡350M电子水准仪，由专业人员负责测量工作，通过测量检查和复查，确保测量控制工序质量，确保隧洞贯通误差符合规范要求。②钻孔作业：由技工进行钻孔施工；炮由工程师进行检查。③采用不耦合装药，按设计线装药量每隔150 mm把药卷捆在导爆索上。为防止弯曲，可利用竹片固定。④通风和洒水除尘：爆破后利用通风机通风，打开工作面设置的喷水雾装置，洒水除尘，并及时排除石渣内的炮烟。

4.2 爆破物品使用安全措施

①爆破相关装备的输送：爆破相关装备的输送必须提前向相关的公安部门申请，使用合格的运输工具。②工程现场的重要位置及易出现安全事故等地区应放置明显的告警标志，并采取围栏等相关的防护措施。③爆破相关设备的装车和卸车等过程，必须有专人负责，并做好警示工作；转运过程中应注意避免引发设备损坏或者爆破；对搬运工人必须进行事先培训工作，掌握搬运过程中的注意事项，如轻拿轻放、避免严重踩踏、严禁携带明火以及保持足够间距等。④爆破时必须设置安全线，安全线一般距离爆破中心不应小于300 m，爆破作业开始时需要清理安全线以内的所有人员、动物及重要物品，并且提前进行预警，整个过程必须有专业的人员负责监督。爆破作业结束后，不能着急进入安全线以内，需要经过专业人员确保安全后方可进入安全线以内。⑤隧洞爆破安全注意事项。装药时必须用木棍进行压实工作；爆破工作进行过程时，人员、动物和相关设备物品等均要撤离至安全线以外；爆破过后保持现场通风，通风时间至少15 min以上；如果遇到盲炮，必须根据相关规范进行处理，处理好之后方可进行下一步施工工作。

5 结论

(1)本文以新疆YEGS二期输水工程喀双段引水隧洞为研究背景，针对含软弱围岩隧洞钻爆法施工过程中出现超挖现象严重及围岩稳定性较差等问题，调整爆破设计方案，严格控制每一循环的超欠挖处理。

(2)针对Ⅳ和Ⅴ类软弱围岩自稳性较弱的特点，在围岩破碎地段采取短进尺强支护，必要时进行超前支护或免爆开挖。

(3)通过实际施工情况，调整循环进尺、布孔方式及装药量等施工参数，保证爆破施工安全及工程进度。