全断面爆破开挖支护在水库交通洞施工中的应用

陈华剑

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概况

本项目由3条临时道路和1条交通洞组成。水库坝址下游临时道路路线起点位于坝址下游左岸1.0 km处S212省道，终点位于交通洞进口，路线长0.66 km；临时过坝交通洞起点位于上游临时路桩号K0+654.939 m，终点位于下游临时路桩号K0+000 m，全长480.640 m；坝址上游临时道路起点位于交通洞出口，终点位于大坝上游1.7 km处S212省道，路线长1.49 km；临时改线道路起点位于大坝上游1.0 km处S212省道，终点位于大坝上游1.6 km处S212省道，路线长0.85 km。

2 洞室围岩条件

交通洞D0+000 m～0+D173.000 m段为Ⅳ类围岩，自然边坡在70°左右，基岩裸露，前段岩性为泥盆系中统(D2gv)灰岩，以块状、厚层状为主，强风化层厚2～4 m，弱风化层厚15～20 m。地下水为基岩裂隙水，该裂隙水对普通水泥具有弱腐蚀性[1]。

D0+173.000～D0+260.270 m段为Ⅲ类围岩，新鲜基岩，洞身埋深100～106 m，岩性为泥盆系中统(D2e-gv)粉砂岩夹灰岩，岩体较完整，强风化层在3～5 m，弱风化层15～20 m，地下水为基岩裂隙水，裂隙水对普通水泥具有弱腐蚀性。

D0+260.270 m～D0+420.270 m段为Ⅳ类围岩，该段为弱风化～微风化段，洞身埋深15～100 m，岩性为泥盆系中统(D2e-gv)粉砂岩夹灰岩，强风化层在3～5 m，弱风化层15～20 m，地下水为基岩裂隙水，裂隙水对普通水泥具有弱腐蚀性。

D0+420.270 m～D0+460.270 m段为Ⅴ类围岩，该段为恰克玛克河左岸岸坡，自然坡度11°～20°，岸坡岩体裸露，岩性为泥盆系粉砂岩，呈薄层状～中厚层状，岩体破碎，结构面多陈旧，该段上覆岩体较薄，厚度5～15 m，围岩稳定性差。

对于分布较多的典型Ⅳ级围岩。本工程隧洞开挖断面形式及尺寸，城门洞型，7.4 m×8.9 m×40.0 m。

3 洞室开挖爆破方案

隧道为独立单洞隧道，其围岩级别为Ⅲ级和Ⅳ级，因此采取全断面爆破开挖法施工，依据围岩情况尽快选择合适的支护形式，在施工过程中，应尽量减少爆破，多次循环，并适时进行喷锚支护、架设钢架和二次衬砌，以防止塌方[2]。在开凿ⅳ级围岩段时，一般使用风镐进行操作，而Ⅲ级围岩则需要使用简易的钻机平台和凿岩机进行爆破。具体的开挖方法可以依据围岩的情况进行确定。初期保护使用喷锚挂网保护，Ⅳ级围岩段还需要使用工字钢钢架，并使用中提到的超前小导管进行预保护[3]。

3.1 开挖方案

采取全断面爆破开挖法进行施工，如图1所示，施工步骤包括： 第一步，施工中先全断面开挖①；第二步，初期支护②；第三步，在初期支护达到稳定状态后，图1进行二次衬砌③的整体模筑工程。

图1 全断面开挖施工横断图

3.2 爆破开挖方案

按照“新奥法”原理，本隧洞采取光面爆破施工，在施工阶段，依据地质，精心设计施工截面、开挖进尺以及爆破器材等，并结合实际施工情况，调整爆破参数[4]，以达到规定的要求。

依据围岩的特性，正确确定附近的炮眼距离和最小抵抗线，帮助炮眼交错均衡地配置在一起，附近的炮眼与配合炮眼的眼底在同一个垂直度面上，通过掏槽眼深入钻进。控制附近炮眼的装药量，并间断装药，使药量沿着炮眼的长度均衡分配。使用高效率、低爆炸速度的爆破炸药。在水域中使用乳化炸药，使用非电毫秒雷管实施爆破。采用微差爆破技术减小爆发时间差，使用乳化炸药和导爆索实施爆破。

3.3 隧道施工爆破设计参数

药卷直径，预裂(光面)爆破周边孔采用φ32 mm直径普通药卷。掏槽孔及辅助孔均采用φ32 mm直径药卷。当炮孔直径为32～45 mm，取B=1.5～2.0；当炮孔直径为62～200 mm时，取B=2.0～4.0。

在节理裂隙形成的岩体中，取炮孔间隙a的10～25倍，以获得更好的整体性。如果最小抵抗线处于节理发育破碎岩体内，则在上下两层各增加一个炮孔；如果周边孔处于节理发育破碎岩体内，则在此处改变周边孔布置，破碎岩体两侧各增加一个炮孔，使炮孔处于单独的围岩中，以增加光爆效果。此外，最小抵抗线W也是一个重要参数，它的值通常超过光面孔间隙，即光面层厚度或周边孔到其他附属孔的间隙。

对于邻近系数m或相对距E，如果m值过大，爆炸后可能会在光滑的岩壁表面留下岩梗，导致挖掘不足；而m值过小，则会在新的岩壁表面形成凹坑。m值的取值范围在0.75～1.00之间，在硬岩中取较大值，软岩中取较小值。掏槽方式采用左右单级楔形掏槽或左右二级复式楔形掏槽。周边孔与辅助孔的孔底在同一垂直面上，掏槽孔加深10～30 cm。线装药密度ρ，又叫装药集中度，指单位长度炮孔中装药量的多少。一般情况下，软岩中用70～120 g/m，中硬岩中为100～150 g/m，硬岩中为150～250 g/m。

排间炮孔起爆间隔时间t。采用多段非电毫秒导爆管顺序起爆。起爆间隔时间具体见爆破设计。临近周边孔的两排孔的药量要比其他炮孔的药量少，以控制围岩爆振裂隙的发展。钻孔深度H及外插角a。炮孔深为每循环开挖进尺长度，并考虑10%～15%的超深[5]。外插角a取2°～5°。装药结构及堵塞方式，当围岩完整性较好时，采用连续装药；当围岩节理裂隙发育，完整性较差时，采取纵向间隙绑扎的竹片+导爆索构造，形成空气间隙不耦合装药构造，而其余炮孔则采取连续装药构造。为了确保炮孔堵塞的有效性，炮泥堵塞的长度应≥20～25 cm，并且要求松紧度符合规定[5]。石质隧道爆破设计参数选择见表1。

表1 光面爆破设计参数

3.4 Ⅳ级围岩全断面法施工光面爆破设计

3.4.1 Ⅳ级围岩全断面法炮孔布置参数和装药参数

Ⅳ级围岩隧道开挖断面面积47.84 m2，由于隧道工作面断面较小，根据现有隧道施工条件和岩体情况，为便于钻孔和临时支护采用全断面法施工，由于围岩等级Ⅳ级，为便于岩石抛出，增加爆破开挖量，开挖采用斜孔楔形掏槽，每一循环进尺主要控制在3 m[5]。

3.4.2 安全验算

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)的有关规定，对隧道结构物爆破时产生的质点振动速度。爆破振动的最大速度Vmax计算如式(1)：

(1)

式中：R为距爆区中心的距离，m；α为衰减系数；K为与介质性质、爆破方法、爆破条件有关的系数；Qmax为单段一次最大起爆药量取24.75 kg。

根据规范GB 6722—2014交通隧道安全允许振动速度相关规定并结合以往施工经验和现场实际施工条件，当R=20 m，α=2，K=350时，计算一次最大振动速度Vmax=7.43 cm/s<20 cm/s，因此在这个药量内，隧道施工区内的受保护对象是安全的，满足规范GB 6722—2014的要求。对于其他的特殊工程条件，应根据实际情况随时调整最大起爆药量Qmax[6]。

3.4.3 装药结构及起爆网络

周边孔装药结构。周边孔采用不偶合间隔装药结构，φ42 mm孔径，φ32 mm小直径药卷间隔装药，用导爆索串装，具体如图2所示。

图2 周边孔装药结构示意图

辅助孔和掏槽孔装药结构。辅助孔和掏槽孔采用不偶合连续装药结构，φ42 mm孔径，φ32 mm小直径药卷连续装药，用两发非电导爆管雷管起爆[6]，具体如图3所示。

图3 辅助孔和掏槽孔装药结构示意图

采用人力封堵的方式，将黏性土卷压紧，封堵距离一般≥20 cm，严禁未经封堵就爆破。

起爆网络采用簇并联非电起爆网络。在孔内，使用非电秒延时雷管和导爆索(周边孔)进行引爆，而在孔外，则使用瞬发非电秒延时雷管传爆，最后，使用非电导爆管雷管进行引爆。在警戒范围内，工作人员应当立即撤出，一旦警戒结束，爆破工作人员应立即跑到200 m外面的安保线外，启动引爆器。在爆破完毕并经过20 min的通风后，当班爆破工作人员应深入爆区进行检测，确定没有盲炮后，才可以解除警戒。

爆裂进程中，这些炸药能量会转化为地动波，并且形成大量的飞石、撞击波、爆破毒气和噪音，这些都会对设备设施及生命财物造成严重的危害，因此需要对其安全系数进行严格的检查，并采取有效的预防手段，以确保爆裂的安全系数。在隧道爆破过程中，为了确保工作人员和机械设备的生命安全，飞石的安全距离被设置为200 m，而非机动设施的安全距离则被设置为100 m[6]，并且规定了必要的防护措施。

4 洞室支护方案

4.1 支护设计措施

交通洞结构一型断面(桩号0+177.939～0+265.209 m段)：喷护C25早强混凝土厚10 cm，挂钢筋网片Φ8@200 mm×200 mm；布设Φ25随机锚杆，间排距1.5 m，锚杆长度3 m。

交通洞结构二型断面(桩号0+007.939～0+177.939 m段；0+265.209～0+425.209 m段)：喷护C25早强混凝土厚18 cm，边顶拱挂钢筋网片Φ8@200 mm×200 mm；布设Φ25系统锚杆，间排距1 m，锚杆长度3 m；布设φ25 mm砂浆锁脚锚杆，锚杆长度3 m；架设16个工字钢拱架，榀距1 m。

交通洞结构三型断面(桩号0+425.209～0+465.209 m段)：喷护C25混凝土厚20 cm，边顶拱挂钢筋网片Φ8@200 mm×200 mm；布设Φ25系统锚杆，间排距1 m，锚杆长度3 m；布设φ25 mm砂浆锁脚锚杆，锚杆长度3 m；架设16工字钢拱架，榀距1 m；C25混凝土衬砌40 cm。

4.2 支护施工工艺流程

(1)明挖边坡支护施工程序。在开挖边坡之前，应先完成周边截排水沟的施工，以确保边坡的安全性。完成后，应根据设计要求，对相应部位实施边坡开挖，并在边坡开挖成形后，根据侧向互相错开的原理，完成锚杆孔及喷锚的实施，以确保路基的安全性。一般来说，支护施工与开挖面的高度差应不超过10 m。在发现地质缺陷时，应立即采取随机锚杆锚固措施，以确保岩体的安全性[7]。在地质恶劣的条件下，应严格禁止进行规定的上一层浅层支护施工。

(2)隧洞支护施工程序。对于发现的不稳定岩体，应采取“一掘一支护”的方式进行永久(或临时)支护，以确保隧道施工的安全性。在特别疏松、软弱破裂的岩体地段，应先开始喷水泥，而后锚杆钻进制安、挂网，最后再喷水泥至工程设计厚度范围，以实现循环掘进，以确保隧道施工的安全性。

4.3 超前注浆小导管施工方法

(1)制作超前小导管前端加工成20 cm长的圆锥形，在尾端焊接φ12 mm的钢筋箍，距后端30 cm不开孔，作为止浆段，其余部分管壁每隔15 cm交错开孔，呈梅花形布置，眼孔直径为φ6～8 mm。

(2)钻孔采用YT28凿岩机人工钻孔，钻孔直径60 mm，外插角为5°～10°；围岩软弱地段直接用凿岩机顶入。

(3)验孔、清孔、安设超前小导管，钻孔结束后，对钻孔外插角、孔深、环向间距检查合格后，用高压风清孔，将孔内杂物清理干净，然后人工将制作好的小导管插入孔内，插入困难时可用凿岩机顶入或用锤击入孔。小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口周围空隙和裂缝，必要时用喷射混凝土封闭掌子面[7]。小导管外露长度为30 cm，以便连接孔口阀门和管路，并与钢架焊接牢固。

(4)注浆，注浆设备采用UB3C型注浆泵，JW180型浆液搅拌桶。注浆浆液为普通425#水泥单液浆，掺3%～5%速凝剂，注浆压力为0.5～1.5 MPa。第一次注浆前，或围岩情况变化时，应经过压水测试，以确保灌浆技术参数的准确性。在浇筑前，应对各种水灰比、掺加的掺和料和外加药的浆液经过测试，以确保最佳的比例，并严密依照比例计量，按次序加料，拌和后的浆液必须经过筛网滤波，方可流入注浆机[8]。为了提高效率，在小导管前端装有分浆器，每次只能灌注3～5根小导管。注浆次序应该是从上到下，先稀后浓，注浆量应该从大到小，注浆压力应该从小到大。如果发现有窜浆或跑浆的情况，应该采取间隔注浆的方法，并且加大浆液的浓度。

4.4 砂浆锚杆施工

在安装“先注浆后插杆”程序时，应先将灌浆管伸入孔底，然后慢慢拔出，使其与水泥一起灌注，并且保持匀速。在安装完成后，应将孔内填满水泥，并确保锚杆的总长度不低于设计长度的95%[8]，以便按照规定露出施工岩面或喷混凝土面。

在下行的锚杆上，应将注浆管伸入孔底，然后边注入边向外拔出，直到注满即可；而上行的锚杆则应采取排水灌注法，将内径4～5 mm、壁厚1.0～1.5 mm的软材料排水管沿锚杆长度安放于杆体上，并在孔外留出1 m左右的余量；接着，将锚杆慢慢地伸入孔中，直至达到设计高度；最后，将长250～300 mm、外径25 mm以下的薄壁管材用早强或超早强混凝土安放在孔口部位，并将孔口堵密；在灌浆前，应检修排水管，以确保其质量符合规定。当检测排气管已经畅通时，就可以开始注浆了。

5 结 论

本文以托帕水库工程交通洞为研究背景，根据洞室围岩地质条件，采用了全断面开挖的方法，新奥法原理进行光面爆破支护，挂网喷混凝土锚杆支护的方案，取得了良好的施工效果。