软弱围岩特大断面洞室爆破开挖优化设计

陈永建　唐存建　朱建成

摘要：对于特大断面软岩洞室，通常采用分部分层的开挖方法，这会对施工安全、质量以及进度等方面存在一定影响。以巴基斯坦莫赫曼德（Mohmand）水电站项目导流隧洞工程为例，在原洞室Ⅳ类围岩上层分部开挖方案的基础上，优化了爆破设计，结合爆破振动监测数据，进行最大单响药量控制，将洞室上层分部开挖方案调整为上层全断面开挖。现场爆破试验结果表明：优化后的爆破施工方案残孔率达90%以上，洞室平均线超挖仅为12.10 cm，减少了喷射混凝土用量。优化后的爆破设计保证了施工过程的质量和安全，降低了施工成本，加快了施工进度。

关键词：软弱围岩; 特大断面; 洞室开挖; 光面爆破; 振动监测; 莫赫曼德水电站; 巴基斯坦

中图法分类号：U455 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.011

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0066 - 06

0 引 言

在洞室开挖过程中，开挖方式对洞室的施工难度、质量、安全等起着决定性作用，尤其是软弱围岩条件下的大断面、特大断面洞室，开挖工法尤为重要。大断面、特大断面洞室宜采用分层、分区开挖。但该方法存在施工进度较慢、分部开挖对围岩整体稳定性不利等缺点，进而直接或间接造成施工成本增加、效益较低。在长大洞室施工中则常采用钻爆法。近年来，针对隧道光面爆破设计优化开展了许多研究，主要通过工程类比、经验分析及模拟计算的方法，结合工程实践进行设计优化与完善。

高朋飞等[1]以琅琊山隧道为例，分析了隧道爆破对软弱围岩稳定性的影响，并介绍了爆破施工参数的选取方法。陈瑞[2]对琅琊山软弱围岩大断面隧道光面爆破设计进行优化，并结合现场实施情况，论证了优化后的设计爆破效果良好且隧道临近构筑物基本未受影响。罗敏[3]基于新建张家口至唐山重载铁路隧道光面爆破施工的工程实例，开展了边墙爆破效果提升、超欠挖控制和循环进尺增加等多项综合施工关键技术设计，详细阐述了台架、雷管延时、风钻定位等设计要点，并最终分析了各项关键技术应用后的施工效果。陈正林等[4]通过数值模拟手段对Ⅳ级泥岩段隧道爆破开展爆破设计参数优化研究，并进行现场测试，最终确定了最优的爆破方案。刘赶平[5]对大断面隧道光面爆破设计展开研究，根据隧道地质条件确定了一组适用于变质岩、花岗岩、砂岩等围岩条件下的光面爆破参数，并经测试发现爆破效果显著提升。郭建等[6]以月直山隧道施工工程为背景，从爆破技术、控制措施和施工管理等方面入手，通过优化爆破设计、完善施工工艺和落实管控措施，改善了爆破效果，有效控制了隧道掘进超欠挖现象。

为保障软弱围岩条件下特大型断面洞室开挖安全和质量、加快工程施工进度、提高工程效益，本文结合工程实际，对巴基斯坦莫赫曼德（Mohmand）水电站项目导流洞Ⅳ类围岩上层开挖工程进行研究，优化了光面爆破设计方案，结合实际爆破效果进行了分析，可为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

莫赫曼德水电站项目位于巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省（KPK）莫赫曼德特区白沙瓦市以北48 km的斯瓦特河上。莫赫曼德水电站是斯瓦特河梯级水电开发中的一级，水库总库容为18亿m，电站装机容量800 MW，属Ⅰ等大（1）型工程。

两条导流隧洞布置在右岸，开挖断面形式均为马蹄形，断面尺寸为16.750 m×16.775 m～17.300 m×17.300 m，为特大型断面，其特性参数见表1。

两条导流隧洞洞身段Ⅳ和Ⅴ类围岩占比60%以上，以Ⅳ类围巖为主，其岩性为绿泥石云母片岩夹碳质石墨片岩，片理较为发育，片理产状为N40°W∠NE70°，裂隙较为发育，主要节理产状为N85°E∠SE65°，N20°E∠NW50°;岩体完整性较差，岩石强度较低;片理面较为平直光滑，局部地带夹软弱夹层，为泥质填充，工程性质上属于软岩。

2 原爆破设计

1号与2号导流隧洞Ⅳ类围岩上层开挖采用左右半幅依次成形的开挖方法，主要通过自制钻爆台车配合手风钻造爆破孔。Ⅳ类围岩掘进进尺按2.4 m进行控制。

2.1 设计方案

采用2号岩石乳化炸药，各孔位（周边孔、掏槽孔、崩落孔及底孔）的药卷直径均为32 mm。采用导爆索和非电毫秒导爆雷管引爆。主爆孔装药采用反向连续装药方式，周边孔采用反向不耦合装药方式，具体炮孔布置情况见图1。在较高部位使用自制钻爆台车装药，将药卷用炮杆送入炮孔，装药后使用炮泥进行封堵，待所有炮孔装药完毕后，根据起爆顺序联网，最后汇总到一起，与引爆的导爆雷管连接，采用非明火起爆。

经现场多次爆破试验后，确定的钻孔及装药参数见表2～3。其中，周边孔的不耦合系数为1.31，孔距控制在0.45～0.50 m之间，线装药密度为150 g/m。最小抵抗线为0.7 m。

2.2 现场爆破效果

分别在1号导流洞出口（1+681.14～1+572.00）长109.14 m及2号导流洞出口（1+783.66～1+702.20）长81.46 m范围内进行上层左右半幅开挖。利用该方式进行上层光面爆破施工后，周边孔残孔痕迹分布不均匀，其附近局部破碎现象较为明显，残孔率均低于30%。岩面平整度均明显大于15 cm，局部凹凸不平。存在较大超挖，如图2所示，因此整体爆破施工效果并不理想。

3 爆破设计优化

3.1 理论论证

经过现场持续进行地质素描，根据NGI-Q系统，从岩石类别、节理发育程度、地下水等方面对岩石进行Q值打分，从而进行围岩分类。导流洞洞径为17 m，开挖支护比ESR=1，相对跨度为17 m。从图3中可以看出，红色虚线在隧洞跨度17 m处与上限曲线在Q值约为6.9处相交，该处对应的岩石自稳时间已超过100 h。因此，在开挖结束后及时进行支护的前提下，可以采取全断面开挖。

3.2 全斷面开挖爆破设计

导流洞上层Ⅳ类围岩采用全断面开挖。该方案采用的药卷规格及钻孔直径均与优化前相同。根据炮孔直径、岩石的普氏系数及断面面积等，拟定炸药单耗为0.78 kg/m。炮孔布置及剖面示意分别见图4～5。

通过查阅相关资料及根据施工经验，初拟周边孔孔距为0.5 m，线装药密度为120 g/m，最小抵抗线为0.6 m，各孔位钻孔及装药参数见表4。

3.3 最大单段药量控制

1号与2号导流洞之间最小净距为45 m，平均净距为52.5 m，由于进行全断面开挖，随着爆破孔数及单响最大药量的增加，会对相邻洞室产生影响，洞室安全允许质点振动速度峰值不得超过11 cm/s。

在距爆源（待爆破掌子面）适当距离的位置布置测点，监测仪器平稳地置于洞室边墙附近，使测点处于爆破振动波的传播路线之上，可测量其X， Y， Z这3个方向振动[7]。现场测得的典型爆破振动波形如图6所示。表5为导流洞的部分爆破振动监测数据。

结合爆破振动监测数据，采用最小二乘法线性回归分析理论[8-9]，可以求得爆破振动3个方向的衰减相关系数K，α值，在此仅就对洞室边墙影响最大的垂直方向传播规律进行分析。导流洞垂直方向传播速度回归分析得到K=285，α=1.33，由此可得质点爆破振动速度V传播规律的经验公式∶

3.4 爆破设计现场实施效果

与分幅爆破开挖相比，全断面爆破开挖能够更有效控制周边孔炸药的爆破作用，且炮孔利用率较高，同时对围岩的扰动范围小，可有效减少应力集中所引起的塌方现象，有利于围岩稳定。

此爆破设计所取爆破循环进尺较大，又处在软弱围岩区，爆破的效果对隧道施工的安全、进度等方面影响重大。经爆破试验发现：该爆破设计效果良好且爆破振速控制较好，爆破后隧道轮廓较为光滑、平整，隧道围岩表面上有明显的周边孔炮孔痕迹，残孔率达到了90%以上，孔壁无明显的爆破裂隙，超欠挖控制情况较好，为上层全断面开挖提供了充分保障。爆破后的效果如图7所示。

4 优化前后爆破效果对比

4.1 超欠挖

每次爆破结束，待排险、出渣完毕后，测量人员进入现场，对开挖段进行测量，记录超欠挖情况，最终形成断面验收报告。选取爆破设计优化前的30次洞室超欠挖记录及爆破设计优化后的30次洞室超欠挖记录进行对比，如图8所示，优化前平均线超挖为24.68 cm，优化后为12.10 cm。

4.2 施工耗时

由于爆破设计优化前采用半幅开挖的方式进行施工且爆破效果不理想，导致施工工程中花费大量时间处理超欠挖以及重复相同工序（钻孔、装药、联网、起爆、通风排险、处理超欠挖、出渣及测量验收）进行另外半幅施工，经现场统计：优化前，开挖的所耗时长达5.44 h/m，而优化后开挖仅耗时2.31 h/m。

5 结 论

（1） 通过计算控制最大单响药量，将爆破对相邻洞室围岩的扰动控制在规范允许范围内，保持了隧道围岩的稳定，达到安全施工的目的。

（2） 通过调整炸药单耗、周边孔线装药密度、各孔位间排距等爆破设计参数，爆破设计得到优化，较优化前减少了49%的洞室平均线超挖。

（3） 导流洞上层Ⅳ类围岩由半幅开挖改为全断面开挖，提升了整体施工进度，降低了各施工工序的重复次数，较优化前减少了42.5%的每米循环掘进耗时，施工成本得到大幅度降低。

参考文献：

[1] 高朋飞，刘阳春，傅菊根.琅琊山隧道软弱围岩爆破施工技术[J]. 现代矿业，2016，32（11）：42-43.

[2] 陈瑞. 琅琊山隧道大断面软弱围岩爆破施工技术[J]. 煤矿爆破，2017（3）：25-29.

[3] 罗敏. 山岭隧道光面爆破施工关键技术分析[J]. 施工技术，2018，47（增1）：783-786.

[4] 陈正林，蒲文明，陈钒，等.张家岩隧道水平层状泥岩段爆破优化研究[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2019，51（6）：865-872.

[5] 刘赶平. 大断面隧道光面爆破设计[J]. 爆破，2019，36（2）：65-71，77.

[6] 郭建，李兵，刘桂勇，等.钻爆法施工隧道超欠挖控制研究[J].工程爆破，2021，27（1）：80-84.

[7] 孟海利. 隧道分区爆破振动传播规律试验研究[J]. 铁道建筑，2015（4）：50-54.

[8] 傅洪贤，赵勇，谢晋水，等.隧道爆破近区爆破振动测试研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30（2）：335-340.

[9] 杨年华，张志毅. 隧道爆破振动控制技术研究[J]. 铁道工程学报，2010，27（1）：82-86.

（编辑：高小雲）

Optimization design of cavern blasting excavation with large cross-section in soft surrounding rock：an example of Mohmand Hydropower Station

in Pakistan

CHEN Yongjian TANG Cunjian ZHU Jiancheng

（1. China Gezhouba Group International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100025， China; 2. China Gezhouba Group No.3 Engineering Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China）

Abstract： Under the condition of soft surrounding rock， the cavern with large cross-section is usually excavated by sections and layers， which constraints on construction safety， quality and progress. In this paper， the diversion tunnel project of Mohmand Hydropower Station in Pakistan is taken as an example. On the basis of the excavation scheme of upper section of class Ⅳ surrounding rocks of the original cavern， the blasting design is optimized， and combined the monitoring data of blasting vibration， the maximum single blast charge is controlled and the section excavation scheme of the upper cavern is adjusted to full cross-section excavation for the upper cavern. The field blasting test results showed that： the residual rate of the optimized blasting construction scheme is more than 90%， and the average over-excavation of the tunnel is only 12.10 cm， thus reducing the amount of shotcrete. The optimized blasting design can not only ensure the quality and safety of the construction process， but also reduce the construction cost and speed up the construction progress.

Key words： weak surrounding rock; large cross-section; cavern excavation; smooth blasting; vibration monitoring; Mohmand Hydropower Station; Pakistan