地下洞室爆破开挖的优化设计

孙 露

(辽宁省水利厅， 辽宁 沈阳 110003)



地下洞室爆破开挖的优化设计

孙 露

(辽宁省水利厅， 辽宁 沈阳 110003)

本文对目前地下洞室钻爆法施工的优缺点进行了分析，从工程实践中总结提出了因钻爆法施工特殊性造成的超挖问题，由于超挖带来初支混凝土厚度增加，从而导致回弹率增大、原材料浪费、施工成本增加、施工工效降低，二衬混凝土厚度增加导致的浇筑时不易振捣与质量不易控制、水泥水化热增大、温控难度增加、混凝土容易出现裂缝、回填灌浆不易密实、后期运行易出现水力劈裂等诸多问题。通过凝灰质砂岩520m洞段爆破参数的优化设计，径向平均超挖20.5cm降低至15.4cm，为同类地质条件施工提供参考。

地下洞室； 爆破开挖； 平均超挖； 参数调整； 工程质量

近年来，随着社会经济的不断进步，铁路、水利、公路等基础行业设施的建设蓬勃发展，地下洞室施工越来越引起工程界学者的重视，一些隧洞在开挖阶段由于TBM施工机械的购置、运输、组装、零部件更换以及拆除等发生的费用较高，TBM机械的设计制造时间长，初期投资较高，不适用于短距离隧洞施工，在施工过程中不易改变开挖直径和形状，并且地质条件的适应性也会受到一定限制，目前虽然正在开发全地质型TBM机种，但仍满足不了特殊地质要求，软弱围岩地带仍存在不少问题；对于硬岩，强度超过200MPa以上，刀具成本急剧增大，掘进效率也明显降低。因此，对于一些不适合TBM施工的压力隧洞，常规做法通常是采用钻爆法施工，其施工比较灵活，不仅可以很快地开始开挖施工，而且可以开挖各种断面形状、尺寸、大小的地下洞室；既可以采用比较简单、造价低的施工设备，也可以采用先进、高效、费用较高的施工设备，如：多臂凿岩台车，可以适应坚硬完整的围岩，也可以适应较为软弱破碎的围岩，但其存在超挖问题，一直困扰着广大建设者。如何控制超挖，是本文在地下隧洞开挖中重点研究的问题，同时结合大伙房水库输水工程部分洞段爆破开挖实例，提出适宜凝灰质砂岩地区的爆破开挖参数，为同类地质条件的地下工程提供参考。

1 钻爆法施工的特点

目前，不适用TBM开挖的施工洞段大都采用钻爆法施工，但钻爆法施工超挖不易控制、超挖量大，平均超挖大于DL/T 5135—2001《水电水利工程爆破施工技术规范》要求的“径向超挖不得大于20cm”的隧洞工程比比皆是。由于过度超挖，给工程后期施工带来一系列较难控制的问题。不同地质条件需要采用不同的爆破方式，尤其对于一些穿越地质条件复杂的地区，超挖控制尤其困难，需要根据每茬炮的爆破情况，调整不同的爆破方式，如：掏槽深度、周边孔间距、楔形掏槽角度、布孔数量、段位数量以及装药量等。如何控制超挖，将是隧洞工程施工的重中之重，只有通过不断调整爆破参数、优化爆破方案，才能在施工中最大限度地控制超挖。

2 爆破施工现行方式

目前隧洞钻爆法施工一般视围岩工程地质条件、水文地质条件以及施工设备的能力，由承包人确定。在施工和环境安全的情况下，当成洞条件好、钻孔设备能力满足、开挖洞径小于10m、断面面积不大于100m2时[1-4]，可以采用全断面掘进法；当开挖洞径大于10m时，宜采用导洞法施工。爆破开挖前，依据设计图纸、隧洞施工技术要求，结合工程地质、水文地质以及钻孔机具、爆破器材等进行爆破设计。开挖理念遵循“新奥法施工准则”，即“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的原则进行。当开挖洞径小于10m时，Ⅲ类围岩循环进尺一般按照2～3m控制，Ⅳ类、Ⅴ类围岩循环进尺一般按照0.5～1.5m控制。爆破周边孔采用光爆或预裂爆破方式，主爆破孔采用微差毫秒雷管爆破技术，以尽量减少对围岩的扰动，减小松动圈影响范围，同时采用初期锚喷支护技术，将初期支护及二衬与周围岩体联合起来作为永久结构，共同抵抗内水压力、外水压力，防止水力劈裂发生等。

如何获得好的爆破效果，是重点研究的问题。地下隧洞爆破控制的关键在于合理的炮孔布置、装药量和起爆程序等，其中掏槽孔的作用至关重要，它对爆破的循环进尺起到决定性作用。施工中应根据掌子面揭露围岩的岩性、节理裂隙及地下水等实际情况来布置掏槽孔，常见的掏槽方式有直孔掏槽、斜孔掏槽两种。一般情况下掏槽孔设置在断面中部，当采用空孔掏槽时，其孔径应比主爆破孔大，孔深应比主爆破孔深15～20cm左右[3]，同时装药量应增加15%～20%左右。斜孔掏槽即是“V”形掏槽，一般适用于隧洞具有一定的开挖宽度，爆破循环进尺约为隧洞宽度的50%，一般采用双级掏槽或多级掏槽[4]，单级掏槽装药量大，爆破效果不好，掏槽角度一般不应小于60%。上层孔一般使用同段雷管，在孔径和所用炸药条件下，最小抵抗线W1、W2与掏槽高度h及底部装药集中度之间的关系如下图所示。

多级楔形掏槽方式图

不同工程的光面爆破参数一般通过试验确定，初次选用的参数可参考表1微调执行。

表1 光面爆破参数参考

根据国内大量地下隧洞工程的统计资料表明，采用钻爆法施工洞室径向平均超挖值均超过20cm[5]左右，其原因除地质条件以外，主要是由于钻孔插入角控制不严格，为了减少超挖量，开钻时应严格控制好入岩角度，并保持周边孔孔向一致，严禁脱离钻机，总结超挖量与孔深、插入角的关系式如下：

ΔL=R+0.5Ktanα

式中 ΔL——平均超挖值，cm；

R——钻机离设计线最小操作空间距离，cm，一般R为10cm；

K——循环进尺，cm；

α——插入角(钻杆与洞轴线夹角)。

3 工程应用实例

3.1 工程概况及地质条件

大伙房输水隧洞工程抚顺段一支洞段长2.37km，为无压隧洞，断面型式为圆拱直墙型，成洞洞径为6.3m。隧洞大部分为构造剥蚀地形-缓隆起剥蚀低山-浑圆状低山区。地面高程在158.0～305.6m左右。该隧洞洞室桩号01+380—01+900洞段围岩岩性主要为凝灰质砂岩，局部夹有页岩。岩屑砂岩多呈薄层状—中层状，页岩呈微薄层状。洞室岩体以弱风化—微风化为主。岩屑砂岩单轴饱和抗压强度23～37MPa，属较软岩—中硬岩。页岩单轴饱和抗压强度11～15MPa，属软岩。局部夹有泥质岩石，具有遇水易软化崩解，失水快速风化的特性。岩体多较完整—完整。围岩类别多为Ⅲ类，洞室开挖过程中以渗、滴水为主，局部可能出现线流。岩层走向与洞线夹角40°左右，岩层倾角20°左右。

3.2 爆破方案优选

在进行开挖前，选择4～6个循环作为爆破试验段，用于验证爆破参数与开挖效果的关系，以求得最佳爆破效果的爆破参数，指导爆破作业。每次试验爆破后，监测光爆效果、开挖平整度、洞壁爆破裂缝、超欠挖情况、石渣粒径，及时调整爆破参数，以获得最佳爆破参数。

a.光面爆破参数选择。隧洞开挖采用“新奥法”施工，全断面开挖光面爆破技术。根据有关资料和施工经验确定该工程爆破参数，开挖时根据实际情况调整。

b.爆破施工的炸药和雷管类型。该工程火工材料主要选用2号岩石硝铵炸药，有水施工段采用2号抗水岩石硝铵炸药，掏槽孔、辅助孔及底板孔的药卷直径均为32mm，周边孔采用直径25mm的光爆药卷。导爆索和非电毫秒导爆雷管引爆。

c.装药方式、炮孔堵塞及起爆网络。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。人工装药，高部位借助钻孔台车装药，药卷用炮杆送入炮孔，装好药后用炮泥堵塞炮孔，堵塞深度不低于1/3炮孔深。所有炮孔都装好药后，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好，非明火起爆。

d.爆破钻孔的布置和爆破参数。在钻爆施工前，首先进行爆破设计。根据地质条件及施工方法，对钻孔深度、掏槽方式、炮孔布置、光爆参数、装药量、起爆网络等进行初步设计，并进行爆破试验，根据试验效果对爆破参数进行适当调整。

对该工程520m长凝灰质砂岩洞段跟踪爆破，并在爆破开挖过程中根据超挖情况，分析总结，不断优化调整开挖爆破参数，随机抽取12个典型断面进行复测，平均超挖由原来的20.5cm降低至15.4cm，满足DL/T 5135—2001《水电水利工程爆破施工技术规范》要求的“径向超挖不得大于20cm”要求，节省工程投资的同时，为后续衬砌混凝土施工提供了质量保证。

爆破参数优化前后对比如表2所列。

表2 爆破参数优化前后对比

4 结 语

不同工程穿越的地质条件不同，同一工程不同洞段穿越地质条件也不尽相同，针对地质条件随开挖推进而不断变化的实际情况，不仅需要及时开展超前地质预报，更需针对每茬炮的爆破效果，结合围岩节理裂隙走向、抗压强度、渗漏水等情况对爆破参数进行调整，才能最大限度地控制爆破开挖的超挖量。该工程针对爆破初期超挖量大的实际情况，进行分析总结，对爆破参数及时调整，收获了不错的爆破效果。

a.改变原有的单级楔形掏槽数量、角度，调整为多级楔形掏槽，适当增大直眼掏槽深度15～20cm，减少粒径较大石块的发生数量。

b.调整爆破周边孔间距，由原来的55cm降低至45cm，周边孔由原来的28个增加到36个，总爆破孔由原来的69孔，增加至85孔。

c.增大周边孔不耦合系数，原周边孔药卷直径32mm，不耦合系数1.3，调整后，周边孔药卷直径缩小为25mm，不耦合系数增大至1.68。

d.调整装药结构，增大爆破周边孔装药段位，减小单个药卷药量。

通过对凝灰质砂岩520m试验洞段的爆破参数进行调整，实现了预期效果，径向平均超挖由20.5cm降低至15.4cm，在降低施工成本的同时，为后序隧洞施工提供了质量保证。

[1] DL/T 5195—2004水工隧洞设计规范[S].北京:中国电力出版社，2004.

[2] DL/T 5135—2001水电水利工程爆破施工技术规范[S].北京:中国电力出版社，2002.

[3] 阮爱国，谭辉，孟德志.三峡地下电站洞室开挖质量管理与控制[J].水利建设与管理，2007(1):35-38.

[4] 张亚丰.大伙房输水工程9号洞不良地质地段施工简介[J].水利建设与管理，2009(4):23-25.

[5] 张明高.盖下坝水电站砂岩中隧洞开挖的围岩稳定性分析及应用[J].水利建设与管理，2011(1):45-48.

Optimal design of the blasting excavation of underground cavern

SUN Lu

(Liaoning Provincial Water Resources Department, Shenyang 110003, China)

In the paper, advantages and disadvantages of current drilling and blasting method construction of underground cavern are analyzed. Overbreak problem due to the specialty of drilling and blasting method construction are summarized and proposed in engineering practice. Initially-supported concrete thickness is increased due to overbreak, thereby leading to resilient rate increase, waste of raw materials, construction cost increase, construction efficiency reduction, difficult concrete vibration during pouring due to second lining concrete thickness increase and difficult quality control, cement hydration heat increase, increased temperature control difficulty, easy crack production of concrete, difficult compaction of backfilling grouting, easy hydraulic fracture in subsequent operation, etc. Radial average over-break is reduced from 20.5 cm to 15.4cm through the optimal design of tuffaceous sandstone 520m hole section blasting parameters, thereby providing reference for construction under similar geological conditions.

underground cavern; blasting excavation; average overbreak; parameter adjustment; project quality

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.009

TV542

B

1005-4774(2016)12- 0031- 04