复杂环境下引水隧洞控制爆破与液压劈裂破岩技术研究

2022-10-14康兰方冀玉豪张文博

中原工学院学报 2022年4期

康兰方，冀玉豪，王琳，梁斌，张文博

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南洛阳 471000； 2.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471000)

城市面积与人口的增长造成水资源紧缺，为保障水资源合理调配，需要修筑水利工程。城市复杂环境下引水隧洞施工断面较小，周边建筑物及地铁管线较多，爆破施工不可避免地产生施工扰动[1～3]。为解决这些问题，常采取控制爆破或非爆破方式进行开挖。

控制爆破方式在我国工程建设上应用广泛，其施工方法及设计理论逐步趋于完善[4]。爆破法施工扰动的大小取决于爆破所产生的振动速度及频率。通常采用技术手段对爆破进行控制，会取得良好的工程效果。在控制爆破方面，国内专家进行了大量研究。刘招伟等[5]以某城市地铁区间双线隧道工程为例，从爆破器材、掏槽形式、爆破片参数等多个方面进行了微振爆破工程的方案设计，解决了复杂条件下城市地铁硬岩暗挖的开挖扰动问题。钱耀峰等[6]运用FLAC3D有限元软件模拟了新建崂山隧道爆破施工对既有仰口隧道的影响，提出了在断层破碎带采取超前支护、改变开挖方式等防止爆破振动产生危害的施工控制措施。姚忠文等[7]以贵阳环城快速铁路工程为实例，研究了下穿公路隧道爆破施工过程中路面沉降与爆破荷载的相关性问题，提出了临时交通管制、超前支护等避免路面沉降的控制措施。

在实际工程中，对于采取爆破控制措施后相关指标仍达不到国家规范要求的工程项目，需考虑采取非爆破开挖方式进行施工。液压劈裂法作为一种非爆破开挖方法，具有低扰动、安全环保的特点。在实际工程中，常常将控制爆破与液压劈裂两种方法相结合使用，以达到严格控制振动速度的目的。阮清林[8]以渝利铁路长洪岭隧道出口下穿江池镇段工程为实例，采用了控制爆破和劈裂法相结合的开挖方法，保障了隧道下穿浅埋密集民房区段的顺利实施。董辉等[9]以长沙市浏阳河隧道工程为依托，采用三台阶钻爆法与机械铣挖法相结合的控制爆破方法，保障了下穿河堤与河床不稳定地段的隧道掘进施工安全。程月红等[10]以索山公园地下空间开发工程项目为实例，针对工程施工中所遇到的岩石硬度大、工期短、施工噪音污染严重等问题，提出了静态剂破碎法，保障了工程顺利实施。

本文以中交二公局四公司所承建的深圳铁岗-石岩水质保障工程石岩北清水隧洞工程为依托，针对复杂环境下引水隧洞的破岩掘进施工技术进行研究，在常规段采用控制爆破法进行施工，以解决耗材量大、振动速度大的技术难题，同时将液压劈裂法应用于近接穿越段施工，以满足近接穿越段施工的振动要求。

1 工程概况

深圳市铁岗-石岩水库水质保障工程石岩北清水隧洞位于石岩外环路北侧，全长728.957 m，呈东西走向。隧洞暗洞起点位于石岩外环路与坑尾大道交叉口北侧，桩号K1+045.538；隧洞暗洞出口位于龙潭古隧洞西口北侧，桩号K1+774.495，隧洞与工作井通过顶管相连。清水隧洞施工分为常规控制爆破段与近接穿越液压劈裂段，分段施工路线图如图1所示。

图1 清水隧洞施工路线图Fig. 1 Construction roadmap of clean water tunnel

根据地质勘察报告，该工程地面高程介于30～110 m之间，隧洞埋深8.8～90.6 m，场地地层从上到下有第四系人工堆积层(Q4s)、第四系冲洪积层(Q4al+pl)、第四系风化残坡积层(Qel+dl)、白垩系燕山四期侵入岩(γβ3K1)。场地地层主要为淤泥、淤泥质土、粉质黏土，岩石岩性为粗中粒黑云母花岗岩，场地内地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。隧洞暗挖段穿越上软下硬岩层或全硬岩层，洞身岩性主要为微风化花岗岩。各施工段岩层情况与力学参数如表1所示。

表1 各施工段岩层情况与力学参数

该工程隧洞南侧与龙潭古隧道最小间距为26 m；隧洞在K1+635位置处上穿深圳市地铁6号线，两者结构净间距4.7 m，隧洞两侧出口处存在众多建筑物，隧洞出口处与建筑物的间距在10～22 m不等。该工程隧洞断面小，机械施工限制较多，又需在规定时间内完成项目，对施工周边环境有着特殊要求。鉴于上述情况，为满足该引水隧洞工程自然因素、周边特殊环境以及工期要求，采用控制爆破与液压劈裂相结合的施工方案。

2 常规段控制爆破法施工

2.1 炸药性能参数

乳化炸药不仅具有良好的爆炸性能和抗水能力，而且组成成分简单，原料来源广泛，加工简便，不含具有炸药性能的敏化剂，生产成本较其他炸药低，可广泛应用于各个领域。

石岩北清水隧洞主要穿越岩层以花岗岩为主，节理裂隙发育，洞壁不稳定，易坍塌变形。在隧洞开挖施工中，边开挖边支护。岩石硬度系数变化区间较大，通过岩石单轴抗压强度试验，测得硬度系数F=7～15，隧洞开挖断面B×H=2.5 m×3 m，钻爆孔孔径42 mm、孔深2～2.25 m。采用2#岩石乳化炸药和电子雷管爆破，炸药性能技术指标如表2所示。

表2 2#岩石乳化炸药性能指标参数值

2.2 爆破需解决的难点问题

石岩北清水隧洞爆破施工中发现，由于地质原因，受到岩石夹制力影响，掏槽孔未能完全发挥作用，其残孔长达50 cm，造成辅助孔及周边孔、临空面受限，爆破单循环进尺在1.3 m左右。为保证掏槽孔深度达到预期效果，需增加掏槽孔装药量，但周边建筑物震动检测超标。因此，需对爆破进行控制优化，减少爆破用药量和降低振动速度，以达到预期的爆破效果。

2.3 爆破施工方案

2.3.1 施工工艺流程

控制爆破施工流程图如图2所示。

图2 控制爆破施工流程图Fig. 2 Flow chart of controlled blasting construction

2.3.2 施工参数

为保证爆破效果并降低振动，对爆破数据进行采集分析，在实施过程中根据围岩变化、岩石硬度、岩石节理对掏槽形式、掏槽孔数量及分布模式、装药方式进行适当调整[11-12]。

2.3.2.1 孔距与抵抗线参数

(1) 最小抵抗线为最外圈辅助孔与周边孔的孔距，其值由炮孔孔径决定，按式(1)计算得出。

W=(10～20)×d

(1)

式中：W为最小抵抗线长度(mm)；d为炮孔孔径(mm)。

(2) 得出最小抵抗线后，根据式(2)即可计算出周边孔的间距。

E=K×W

(2)

式中：E为周边孔间距(mm)；K为炮孔密集度系数，K值过小会形生超挖现象，过大则会形成欠挖，其值一般在0.8～1.0之间，当岩石硬度较大时取大值，岩石硬度较小时取小值[13]。

结合引水隧洞工程地质条件及特点，通过前期试验性施工的效果和爆破数据分析，确定最小抵抗线长度W=50 cm，周边孔间距E=40～50 cm。

2.3.2.2 掏槽孔与装药参数

由于岩石巨大夹制力，掏槽孔爆破效果并不明显，需将掏槽方式由直掏槽改为水平楔形布置，并将炮孔布置进行优化。调整后的掏槽形式与炮眼布置如图3所示。增设楔形浅直炮孔作为第一级爆破掏槽，因其装药量小，不会引起较大的振动，爆破后能改善下一级斜掏槽的临空面条件。同时，结合电子数码雷管进行微差延时错峰爆破，可实现减振与高效双收益。

(a) 炮孔布置正视图

掏槽孔采用连续、耦合的装药结构，能够充分发挥炸药作用；周边辅助孔采用不连续、不耦合的装药结构，既减少了炸药量，又达到了剥离岩石的效果。各钻孔布置参数以及装药量如表3所示。

表3 爆破孔参数设计

2.3.3 爆破工程减振措施

通过收集现场信息、观察爆破效果，结合相关研究进行爆破减振[14-15]。

(1) 采用微差爆破。对于一个大的爆源，将其变成若干小爆源，在总装药量不变的情况下，爆破振动强度会大大降低，主振频率相应提高，从而减少了爆破振动的破坏作用。因此，可采用电子数码雷管进行分段微差爆破。

(2) 爆破前对台阶面和底部根坎进行清理。若岩石钻孔受爆前存在大量压渣，会使岩体约束加强，将有更多的振动能量传入保存在岩体中。这样虽然可以提高岩石破碎程度，但振动速度会增大，不利于保护物的安全，所以应避免压渣爆破。

(3) 控制主振频率。一般来说，保护物的自振频率比较低，爆破引起的主振频率与保护物主振频率相近，容易引起共振，从而产生破坏。为此，需采取缩减单响最大起爆药量和缩短延迟时间等方法，以增大主振频率，提高安全性。

(4) 挖减震沟或预裂爆破。制造空气间隔交界面，可以使得爆破振动的传播大幅减小。同时，制造沟槽或预裂面，能够有效削弱到达地表的瑞利波，这对减小保护物后侧的振动速度有着明显作用。

2.4 爆破振动检测

针对施工中的爆破参数进行优化，并在采取相应的爆破工程减振措施后，爆破振动速度有了明显减小。爆破现场监测数据显示：厂房基础振动速度为0.23～0.31 cm/s，门岗基础振动速度为0.22～0.33 cm/s，爆破整体振动速度控制在2 cm/s以下，达到了预期的控制爆破效果与振动速度要求。

2.5 技术要点与注意事项

(1) 爆破前首先对岩石力学参数进行测试，了解岩石力学特性，合理安排施工，这样能够避免对周边环境产生过大的影响，以及因管线爆裂、燃气泄漏等导致次生灾害的发生。

(2) 在隧洞顶部工作面划出轮廓线，标出每个炮孔位置，由专人指挥进行钻孔施工，以确保钻孔要求符合技术要求。

(3) 钻孔后不得立即进行装药，应等待孔壁温度冷却至安全温度后再进行装药作业。装药前，必须用高压风管输入高压风，将炮眼石屑刮出和吹净。

(4) 乳化炸药具有一定的危险性，接触炸药时，操作人员必须佩戴手套、眼罩等防护设备。钻孔内装药时，操作人员必须保证拉稳药包提绳，并配合送药杆进行作业。装药后，应避免挤压和冲击，以确保人员安全。

(5) 采用准确可靠的复式网路进行起爆。起爆网络联结时，应避免导爆管打结和拉细，以保证各个炮眼、雷管连接次数相同。在引爆雷管前，用黑胶布将一簇导爆管在离自由端10 cm以上处包扎起来。起爆网路联结完成后，安排专业人员进行检查。

(6) 爆破后15 min进行盲炮检查。若发现盲炮，应及时设立安全警戒线并报告技术人员，交由技术人员处理。

3 近接穿越段液压劈裂法施工

3.1 近接施工安全分析

当隧洞采取控制爆破法施工至与其他管线交叉段时，爆破振动仍然会对周边建筑物以及临近管线产生一定的安全隐患。

目前，国内主要用《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中质点振动速度的大小来表示爆破振动的强度[16]。可根据萨道夫斯基公式计算振动速度，再根据规范标准进行判断。

(3)

式中：V为测点振动速度(cm/s)；K为场地系数；Q为最大单段炸药量(kg)；R为测点与爆破位置的距离(m)；α为衰减系数。其中K、α的取值见表4。

表4 爆区不同岩性K、α值

由萨道夫斯基公式计算得到最不利情况下的振动速度峰值为36.83 cm/s，大于规范中关于水工隧洞振动速度的要求。可见，控制爆破法施工并不适用于近接穿越段，应采取液压劈裂法代替控制爆破法进行施工。

3.2 液压劈裂施工

在近接穿越段采用液压劈裂法施工中，液压岩石劈裂器劈裂力最大可达700 t，劈裂缝宽为25～30 mm，孔径为40～55 mm。为方便劈裂钻孔施工，可搭设台架，将钻取芯深度增大至2 m，岩心钻孔取芯使用YT-28钻机。钻孔取芯后，对钻孔中碎石灰尘进行清理，再将液压劈裂器枪头插入孔内，液压劈裂器调整好后，由油泵输出高压油驱动油缸，产生的巨大推力施加于岩石孔壁，使得孔壁两端产生拉应力，岩石发生劈裂破坏，劈裂裂纹扩展使得岩石被划分为大块岩石，从而达到劈裂破坏的目的。

3.3 钻孔及临空面布置

为省去台架搭设，方便施工进行，劈裂法施工中采用上下台阶法开挖。上台阶开挖采用150 mm水磨钻咬合钻孔，开挖轮廓面，以防止岩石内部微小裂纹扩展至非开挖区域，上台阶掌子面中部预设两个劈裂孔，增加临空面，用以劈裂岩石块。上台阶先行开挖一定距离后，下台阶未开挖部分可作为平台使用，之后下台阶与上台阶开挖进度保持同步。下台阶开挖采用水磨钻沿隧洞拱腰向下钻取至底面，并在中线位置平行钻开一条缝，为劈裂岩石提供临空面，之后沿中线左右两侧对称布置两个劈裂孔，将下台阶岩石劈裂成块后运送至指定位置。劈裂钻孔布置如图4所示。

图4 液压劈裂施工现场图Fig. 4 Hydraulic splitting site construction

3.4 施工注意事项

(1) 将水磨钻设备固定在台架上，确定前端位置及掌子面中心点，将两个水磨钻机安装就位，通过调整螺旋来保证两个水磨钻机长度一致。

(2) 当水磨钻钻取岩芯到达预定位置后，缓慢拉出水磨钻，轻轻敲击岩体，使其与母岩断开，避免母岩破碎后坍塌。

(3) 利用水磨钻在周边轮廓线上以咬合钻孔的形式钻取岩芯，形成开挖临空面。之后采用液压劈裂机自内而外劈裂岩体，劈裂完成后由人工进行撬落。

(4) 劈裂过程大约30～60 s，劈裂完成后应及时使用风镐、撬杠将碎石剥离，避免落石产生危险。劈裂后若产生较大岩石块，可进行二次破碎，以方便搬运、清理。

(5) 施工过程中会不可避免地产生超挖、欠挖现象，后续可对开挖断面进行修边，将坑面或突出面进行平整化处理，使引水隧洞符合正常设计标准。

4 施工效果

4.1 爆破段施工效果评价

该工程在K1+048-580、K1+690-710、K1+740-773施工段采用控制爆破法施工，共计588 m。在工程实践中，发现掏槽孔未发挥完全作用，残孔长度过长，并且存在部分孔炸药拒爆现象，炸药单耗量也高达到4.5 kg/m3。后续通过调整掏槽形式、掏槽孔数量及分布模式、装药方式，最终在实际爆破工程中达到了理想的岩石剥离效果，炸药单耗量降低至2.5～3.1 kg/m3，日掘进里程由原来的2.4 m提升至3.2 m。爆破后效果如图5所示。

图5 控制爆破法实施效果图 Fig. 5 Effect diagram of controlled blasting method

4.2 近接穿越段施工效果评价

K1+580-690、K1+710-740施工段存在建筑物以及既有管线，采用控制爆破法施工仍会引起较大的振动。为了保障施工安全，采用液压劈裂法代替控制爆破法进行施工。采用液压劈裂法在K1+580-690、K1+710-740施工段共施工140 m，日掘进2.4～3.6 m，取得了较好的实施效果(如图6所示)。