小断面钻爆法在水库连通工程中应用分析

石玮薇

（新疆建源工程有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新建水库输水管线工程位于新疆吉木萨尔县,主要内容为新建一条连接小龙口、东大龙口、泉沟、东二畦、南坝、贡拜沟等六座水库的输水管线46.98 km 及附属建筑物,本工程年引水量982.14 万m3。工程等别为Ⅴ等,工程规模为小（2）型,管线及建筑物级别为5 级。其中共计超过17.8 km 需开挖隧洞,由于供水规模较小,因此设计采用小断面（2.5 m×2.8 m）钻爆法进行施工。工程隧洞开挖断面在6.5 m2左右,采用全断面一次开挖爆破形式掘进,受制于隧洞断面,只能采用单车道梭矿车厢运输石渣,在一旁设置人行道。其中梭矿车载重量20 t,由电车牵引；人行道宽度设计79 cm,下方设排水沟,隧洞上方的照明、通风、动力线管必须简洁明了,不得交叉搭接[1]。

2 小断面钻爆法应用设计和施工

2.1 爆破参数设计

2.1.1 炮孔深度设计

炮眼深度主要根据工程地质条件、钻孔机具类型来设计,由于本项目隧洞断面面积小,打孔机具为气腿式手风钻。设计在Ⅰ～Ⅲ围岩中,钻孔深度为最大2.5 m（实际施工为2.5 m）；Ⅳ～Ⅴ围岩中,钻孔深度最大不超过2.0 m（实际施工为2.0 m）[2]。

2.1.2 各类炮眼参数设计

（1）掏槽眼设计

掏槽眼分布合理与否对于开挖进尺有着重要意义。由于手持设备功率小,因此本项目设计掏槽眼规格为φ45 mm,分布形式为平行直眼。针对Ⅲ～Ⅳ类围岩,本项目设计采用“四小空孔掏槽”,布置示意图见图1。经过实践得到炮眼利用率超过了90%,效果很好[3]。

图1 “四小空孔掏槽”布置示意图（单位：cm）

针对于Ⅰ～Ⅱ类完整坚硬围岩,若依然采用“四小空孔掏槽”则会增加残眼率,所以本项目将其改进为“两大空孔掏槽”,大孔规格φ102 mm,布置示意图见图2。经过实践得到炮眼利用率超过了93%,效果很好,但打钻花费时间是小孔的3 倍以上[4]。

图2 “两大空孔掏槽”布置示意图（单位：cm）

（2）周边眼设计

本项目采用光面爆破,可显著减少人工开挖量,大大增加掘进速度。依据大量实践经验：周边眼的炮孔间距a=（10～15）D,其中D 为炮孔直径,取值45 mm；参考其他相似工程经验,得出本项目周边眼布置参数,见表1[5]。此外,周边眼也为平行直眼。

表1 光面爆破周边眼参数参考值

（3）辅助眼设计

辅助眼和周边眼的间距为周边眼的最小抵抗线值,依据本项目围岩类型（以Ⅲ类围岩为主）,辅助眼与周边眼距离设计为400 mm～500 mm；辅助眼孔距为700 mm～800 mm。

2.1.3 各类炮眼装药结构设计

针对掏槽眼和辅助眼,本项目设计采用连续不耦合装药形式,见图3,经过现场试验确定不耦合系数B=1.5。在此需要说明：当炮眼深度小于2.0 m,所有药卷规格均为φ32 mm；若深度超过2.0,则底部药卷直径应增大至35 mm。孔口要用炮泥堵塞严密,堵塞长度40 cm,微差毫秒雷管安置在底部。

图3 连续不耦合装药示意图

周边眼装药形式为间隔不耦合装药,见图4,药卷间距300 mm。经过现场试验确定不耦合系数B=2.0。周边眼孔口也需用炮泥堵塞,堵塞长度40 cm。注意在连接导爆管时确保不存在打结、拉细等情况,利用黑胶带将雷管捆扎在导爆管上,缠绕长度15 cm。

图4 间隔不耦合装药示意图

2.2 通风参数设计

2.2.1 所需风量计算

足够的通风量是保证隧道安全施工的基础,由于本项目隧洞开挖断面面积小,且最大长度为3.2 km,通风排烟较为困难,对所需风量要进行严格计算。在此通过以下三种方式分别计算所需风量,取其中最大值作为选取通风设备标准。

（1）由人员数量确定风量V1

由人员数量计算所需风量[6]：

式中：v0为每人每分钟所需新鲜风量,取值3 m3；m 为隧洞内最多人员数量,取值11；k 为富余系数,取值1.15。

经计算V1=37.95 m3/min。

（2）由排烟需求计算风量V2

由于本项目为压入式通风方式,所以相关风量V2：

式中：t 为通风时间,min；Q 为最大同时爆破时炸药量,kg；S 为隧洞断面面积,m2；L 为洞口至工作面最大长度,m。

得到的结果见表2[7]。

表2 压入式排烟需求计算风量

考虑到本项目断面面积小,隧洞长度大,设计排烟通风时间不少于90 min,因此要求的最大通风量为174.2 m3/min。

（3）由洞内最小风速计算风量V3

洞内最小风速计算风量V3：

式中：vmin为隧洞内允许最小风速,取值0.15 m/s；Smax为隧洞断面面积,取值6.5 m2。

经计算本项目V3≥58.5 m3/min。

综合分析：本项目隧洞排渣、衬砌施工时日常通风量不小于58.5 m3/min,在爆破后排烟风量不小于174.2 m3/min。

2.2.2 通风设备的选择

（1）风机的选择

在排烟时所需风量最大,因此在选择风机时必须要求去吹风量大于该值。参照其他工程经验并结合实际情况,选择BKJ（KJ）66-11-No4.5 型轴流风机,额定功率8 kW,叶轮直径450 mm,转速2900 r/min,流量范围在170 m3/min～260 m3/min,完全能满足本项目需求。

（2）通风管的选择

由于隧洞断面较小,为避免通风管影响施工,本项目设计将通风管置于隧洞上拱位置,通风管规格为φ500 mm 钢管,经济风速为6 m/s～14 m/s,对应的经济风量为71 m3/min～156 m3/min,满足除爆破排烟外的其他施工需求,而爆破排烟时需要加大风机功率。

（3）通风量验算

由于通风管也存在漏风问题（漏风率为1%）,需要验算通风量V0：

式中：V0为风机需要产生的风量,m3/min；V 为工作面所需要的最大风量,取值174.2 m3/min；P 为100 m 通风管最大漏风量,取值2.6 m3/min；L 为通风管长度,取值3000 m。

计算得出V0=252.2 m3/min,该值小于所选风机所能产生的最大流量260 m3/min,说明所选设备满足本项目施工要求。

3 结语

小断面隧洞施工在水利工程中及其常见,而爆破法是最常用的掘进形式。由于围岩条件不同,因此其诸如钻孔长度、装药量、钻孔间距等主要参数均存在很大差别。工程主要将理论和实践相结合,在施工中灵活调整,最终才能使炮眼利用率维持在85%以上,取得了较好的使用效果,但需要说明在实际施工时,切不可完全照搬其他工程经验,否则会影响工期和爆破效果。同时,项目在实施过程中也存在施工速度慢、各工种衔接不紧凑导致小范围塌方等问题,故在施工管理上也应当严格要求。