深孔梯段预裂爆破技术在大型地下水封洞库施工中的应用探索

徐鸿刚 陈雨春 丛宇 王肖珊

1中铁隧道集团一处有限公司 重庆 401123 2青岛理工大学 山东 青岛 266520

随着我国国民经济的快速发展，以石油及天然气为主的能源需求量逐年攀升，能源安全有效存储成为目前国家能源安全战略的核心问题[1-3]。水封洞库因其安全性高、经济效益好等优点，已成为能源储备首选手段[4-6]。袁青等[7]以某特大断面地下液化石油气储库为研究对象，对爆破钻孔孔深、孔距、单位炸药消耗量、炮孔数目等参数进行综合选取，获得了良好的分层开挖光面爆破效果。陈祥等[8]以某水封石油洞库为研究对象，采用现场检测与数值模拟相结合的方法，分析了爆破载荷作用下洞室围岩动态响应及其衰减。本文以湛江某地下水封洞库主洞室二、三层开挖施工为例，对深孔梯段预裂爆破施工技术在地下水封洞库工程中的运用进行详细介绍，以期待为类似工程项目提供借鉴。

1 工程概况

湛江某石油储备地下水封石洞油库工程由10条主洞室组成，洞壁与相邻施工巷道洞壁之间净距为40 m，相邻主洞室之间净距80 m。每条主洞室设计长度均为923 m，直墙圆拱截面，设计洞跨20 m，洞高30 m，底板高程-110.000 m，顶拱高程-80.000 m，属于大跨径洞库。

主洞室范围主要为微风化~未风化麻状花岗岩，裂隙较发育~不发育，岩体完整，围岩稳定性好，主要以Ⅱ~Ⅲ围岩为主。

2 方案选择

主洞室二、三层空间大，有两个临空面，采用潜孔钻梯段爆破开挖具有人员投入少、设备投入费用低、施工进度快、可以大大的缩短工期，降低成本，对施工成本及安全有利。顶层采用通常采用台车开挖与人工开挖两种方式，使用台车开挖一般采用中导洞先行，周边扩挖的方式，主要考虑台车作业半径及开挖轮廓平整度。二层采用深孔梯段预裂爆破，三层采用深孔梯段预裂爆破+底板预留1.5m保护层水平光面爆破相结合的开挖方案。

一次起爆长度为3个循环，合计起爆长度24 m，每循环进尺8 m。每条主洞室开挖分大小里程端两个面开挖，实现钻孔、爆破、出渣连续作业。主爆区爆破网络采用孔内、孔外延时，严格控制最大单响起爆药量。主爆孔钻孔采用垂直钻孔，孔位布置采用梅花型布控，预裂孔外插角度3°。

图1 主洞室梯段分层开挖示意图

3 爆破参数设计

3.1 钻孔孔径确定

结合本工程地质条件结合现场施工机械水平，主爆孔采用D7、CM351潜孔钻机施工，预裂孔采用ZGYX410-B钻机施工，水平孔采用人工风钻钻孔，成孔直径为45 mm。

3.2 钻孔深度

主洞室二层开挖高度10m，三层开挖高度8.5m，预留1.5 m保护层。采用液压钻机钻孔时钻孔底部粉尘难以吹出，孔底往往有0.5 m深的岩粉，为保证造孔深度达到设计孔深，二层在造孔时超钻1.5 m，二层垂直孔孔深为11.5 m。三层因为预留有保护层，超钻0.5 m，垂直孔深为9 m。为保证边墙不存在欠挖，预裂孔外插角度取3°。

3.3 孔距和排距的确定

3.3.1 预裂孔

炮孔间距按经验公式a=(7～12)D 来确定。式中：a为炮孔间距；D为钻孔直径。当孔径小时取大值，孔径大时取小值，根据本项目设备配置，深孔预裂孔径取D=76 mm，a当岩石均匀完整时取大值，岩石破碎时取小值，本方案取a=0.8 m。

3.3.2 主爆孔

孔距a是指同排相邻两个炮孔中心线之间的距离，排距b是指相邻两排炮孔中心线间的距离。两者参数设置合理与否，对爆破效果均会产生影响。

炮孔密集系数m是指炮孔间距a与排距b的比值，即m=a/b；根据中硬岩体的爆破经验：保证最优效果的孔网面积（a*b）是孔径断面积（π*d2/4）的函数，两者比值之间是一个常数，其值为1300～1350。在台阶深孔预裂爆破中，炮孔密集系数m一般取m为0.8～1.4。最小抵抗线根据中深孔爆破经验公式，W=（25～30）d，取2 m，根据以上原则炮孔密集系数m取小值，可得到：

a*b=1300*(π*d2/4)

a=0.8b（m取0.8）

通过计算得：a=2.2 m，b=2.7 m。

3.3.3 缓冲孔

为了确保预裂带的减震效果，减少主爆孔爆破对预裂面的破坏作用，在主爆孔和预裂孔之间设置缓冲孔，缓冲孔距离预裂孔1.2 m，间距1.6 m，孔深和主爆孔相同，取11.5 m。

图2 主爆孔炮眼布置图（单位：cm）

3.4 装药参数

⑴预裂孔装药参数

预裂孔沿洞库边墙布置，间距a=0.8 m，预裂孔深度11.5 m，一次起爆长度为3个循环，合计24 m。

预裂孔采用2#岩石乳化炸药，药卷规格为Φ32 mm*0.2 kg，长度为0.2 m，不耦合系数2.4。为克服底板夹制作用，在孔底设置加强药包，采用2卷规格为Φ60 mm*1.2 kg的大药卷。

①预裂孔线装药密度Qx

工程类比法（使用范围压R=20～200 MPa）

Qx=0.042[R压]0.5a0.6

式中：Qx为除去堵塞长度后的预裂孔装药密度，g/m；

a为预裂孔孔距0.8 m，R压为176.3 MPa。

带入数据计算得：Qx=500 g/m

②单孔装药量

Q=0.5*12=6 kg，现场实际取6.4 kg。

⑵主爆孔装药参数

主爆孔采用2#岩石乳化炸药，药卷规格Φ60 mm*1.2 kg，长度30 cm，不耦合系数Dd=r孔/r药=1.3。

主爆孔装药量：Q=qabH

式中单位炸药消耗量q（单耗）在深孔爆破中一般根据岩石的坚硬性、炸药种类、施工技术和自由面数量等因素综合确定，普适公式：

q=1.1k0（f/S）0.5

式中：q为单位炸药消耗量

k0为考虑炸药保留的校正系数（其中：k0=525/p，p=320，p为爆炸力，mL）

S——洞室断面面积，m2

f——岩石坚固性系数，取17

故q=1.1×1.64×（17/200）0.5=0.53kg/m3

经计算得：Q=25.4kg现场实际取25.2kg。

(3)缓冲孔装药参数

缓冲孔间距为主爆孔最小抵抗线的50%～75%，本工程的缓冲间距取1.6m，单孔药量为12.7kg

4 爆破振动控制

4.1 控制原则

主洞室爆破振动的影响由单段起爆药量释放的能量决定，一次爆破的允许装药量采用萨道夫斯基公式计算控制。

萨氏公式：V=K（Q1/3/R）α

由上式推导出：Q=R3(Vmax/K)3/α

式中：Vmax—最大允许振速（cm/s）。K、α—与爆区地形、地质条件、爆破等因素有关的参数；R—测点距爆区几何中心距离（m）；Q—最大单段允许装药量（kg）。

由于库区主要以花岗岩为主，所以选取硬质岩，取K=50，a=1.3，R=60 m，V=2 cm/s，将计算值带入公式中为：

Q=603(2/50)3/1.3

由此得出单段最大允许起爆药量为128 kg。

4.2 爆破空气冲击波验算

地下洞库爆破时的冲击波超压可以采用波克洛夫斯基公式进行计算。

波式公式为：

式中：

P—空气冲击波阵面超压，105Pa；

S—装药巷道的断面积，m2；

Q—裸露爆破TNT炸药当量；乳化炸药与TNT当量的换算系数为0.708，洞库潜孔爆破反向起爆堵孔时的炸药转化为冲击波的转换系数为0.05～0.07；即Q=0.708×0.06×一次爆破乳化炸药总药量；

R—距爆区几何中心距离，m；

K—系数，K=0.67。

根据中国科技大学出版社2009年出版的《工程爆破安全》所述，爆破空气冲击波达到0.3×105 Pa时会造成人员的听觉损伤。根据以上计算可知，地下洞库爆破安全防护距离严禁小于200m，宜按照300 m控制。

4.3 实际爆破振动的验证

①经武汉理工大学土木工程与建筑学院组成监测小组多次进行质点振动速度等的监测，爆破未造成洞室边墙的危害，爆破质点振动速度为0.1~1.7 cm/s，爆破振动速度满足《爆破安全规程》（GB6722—2014）中对于新浇大体积混凝土的最大振速为2.0 cm/s的要求，说明爆破各项参数选取较为合理。

共测试了7组。

5 工效分析

⑴台车开挖：

爆破参数：孔数200；进尺：4 m；出渣方量：10 m×20 m×4 m=800 m3；

出渣车数：80车

①扒渣测量：1.2小时

②双机并打：按5个臂同时作业，摆臂及钻孔时间按每孔6分钟，每臂240分钟，需5小时；

③装药放炮:两个平台车+直梯，6人一组，每人34孔，每孔4分钟，同时联线、警戒，需3小时；

④通风排烟：40分钟

⑤循环时间：16小时；

⑵潜孔钻开挖：

①爆破参数：进尺：8 m；出渣方量：10 m×20 m×8 m=1600 m3；

②出渣车数：150车；

③拉槽打眼：36孔，每米10分钟，每孔90分钟，54小时1循环，安排3台钻机，18小时内完成；2台钻机27小时内完成；

④装药放炮:装药5小时；

⑤通风排烟：40分钟

⑥循环时间：28小时；

由以上可以看出，台车开挖8m所需时间32小时，潜孔钻开挖8m所需时间28小时，若按照台车4m/循环折算，每循环可节约2小时，工期相比而言，更为有保证。

6 经济分析

⑴台车：台车折旧使用费按10万元/月/台计算，5台50万元/月，二、三层共计开挖时间按10个月计算，共需要500万元。

⑵潜孔钻：ZGYX410-B型潜孔钻机每台新机费用26万元，CM351型潜孔钻机每台新机费用20万元，一个作业面按2台ZGYX410-B，1台CM351进行配置，四个共需要8台ZGYX410-B型潜孔钻，4台CM351型潜孔钻机。ZGYX410-B折旧使用费（3年）按0.72万元/月/台，CM351折旧使用费（3年）0.55万元/月/台，空压机折旧费（8年）0.15万元/月/台计算，按开挖时间按10个月计算，所需费用为80.35万元。

⑶从施工机械设备上节约200万元左右。

7 结论与体会

⑴深孔梯段预裂爆破半孔率、平整度，爆破成型效果满足设计及规范要求。

⑵深孔梯段预裂爆破方案可用于大型地下水封洞库开挖，但需要严格控制钻孔精度、最大单段起爆药量、堵塞长度及装药结构。

⑶在开挖循环时间上，优于台车开挖，每循环节约2小时。台车与潜孔钻2种爆破方案从施工成本上而言，潜孔钻比台车开挖节约3.5元/m3，总体成本大概节约200万元左右。

⑷通过分层装药，很好的解决了大块率高的问题。底板采用水平光面爆破弥补了梯段爆破底板平整度差的问题。

⑸爆破过程中进行了振动监测，从实测值来看，质点振动速度低于规程2.0 cm/s及设计要求控制标准5~7 cm/s，符合设计及规范要求。

⑹在能够满足装渣运输的条件下，可适当增加孔距及排距，少钻孔可减少循环钻孔时间，同时也降低火工品单耗。应继续进行观察和试验，以达到效益最大化。