特大断面水工隧洞多台阶扩挖爆破技术

张彦军

(中国水利水电第十二工程局有限公司,杭州 310000)

1 工程概况

临海市大田平原排涝一期工程位于临海市大洋、邵家渡街道境内,其中排涝隧洞全长2602.146m,衬后断面为14.0m×14.0m(宽×高)城门洞型,排涝设计标准为20年一遇,是浙江省断面最大的水工隧洞。本工程隧洞属无压隧洞,隧洞水位为6.07～5.83m,隧洞进口底高程为-2.5m,出口底高程为-3.5m,隧洞底纵坡i=0.038%,隧洞采用新奥法施工,采用二期支护方式,一期支护主要采用钢拱架支护和锚喷支护,二期支护采用钢筋混凝土衬砌。

本工程排涝隧洞断面尺度大(隧洞开挖断面为15.8m(宽)×15.4m(高) 城门洞型),地质情况复杂(其中Ⅳ、Ⅴ类围岩占34.6%,同时洞身分布着三条地质断层带),隧洞埋藏在地面以下,容易富集地下水,不利于隧洞开挖施工,采用多台阶扩挖爆破技术很好地解决了本工程隧洞的开挖难题,降低了洞挖安全风险,提高了隧洞工程的总体施工效率。

2 爆破技术的特点及施工工艺

2.1 爆破技术的主要特点

水工规范规定,水工隧洞断面积>120m2、或跨度>12m为特大断面水工隧洞,特大断面水工隧洞多台阶扩挖爆破技术的主要特点如下:

1)将特大断面的隧洞通过分区分块,实现多台阶、多作业面组织平行施工,洞内各作业面的爆破作业、洞身支护和衬砌等工程能够同时施工且互不影响,整体缩短了隧洞工程的施工工期。

2) 特大断面隧洞采用多台阶扩挖爆破工艺降低了隧洞顶拱爆破开挖及一期支护的空间高度,减少了洞内一次爆破装药量,缩短了爆破循环时间,从而确保了隧洞爆破施工安全[1]。

3)特大断面隧洞采用多台阶扩挖爆破工艺降低了施工难度,增加了施工作业面,提高了整个工程的人员和设备的利用率。

2.2 施工工艺流程

工艺流程:施工准备(施工人员、材料、设备到场)→爆破设计与试验(多台阶爆破规划)→爆破孔位放样→爆破孔钻孔→爆破孔孔位、孔深检查→爆破区域清场→爆破孔装药→联网→爆破前检查→启动爆破警戒→起爆→爆破后安全检查→爆破后分析、评价→通风→出碴→下一循环。

3 爆破规划设计

1)多台阶作业面水平距离规划:隧洞内多台阶爆破作业面之间、隧洞爆破与支护衬砌等工序作业面之间的水平距离规划设计,由爆破安全距离计算结果来确定,同时要综合考虑交叉作业相互的影响。洞内各作业面之间的水平距离宜>300m,其中爆破与衬砌作业面之间的水平距离要重点考虑爆破震动对新浇混凝土的影响。

2)各台阶左右分区:依据隧洞断面尺寸,跨度>12m的水工隧洞,左右分区宜>2部分,每区宽度宜>5m,便于修建出渣通道。

3)各台阶分层高度:综合考虑隧洞的断面尺寸和出渣通道的修建,结合施工设备的效率和性能,隧洞多台阶爆破扩挖台阶分层高度宜为3.0～5.0m。

4)隧洞多台阶开挖程序:先进行隧洞上层开挖,上层开挖采用全断面爆破的方法,拱顶、边墙采用光面爆破。隧洞下层各台阶开挖考虑运输车辆出渣需求,各台阶左右分区宽度宜>5m,预留一区修建出渣通道作为上一层开挖面的出渣通道,其他区则进行爆破开挖,采用水平孔浅孔爆破,边墙采用光面爆破。隧洞一期支护工序紧跟开挖面及时完成,二期衬砌待隧洞全断面掘进300m后开始施工[2]。

4 爆破参数设计

4.1 隧洞上层洞爆破设计

隧洞上层洞开挖爆破设计:上层洞爆破为全断面一次爆破成型,采用楔形掏槽爆破,周边均采用光面爆破成型。开挖炮孔布置分为:掏槽孔、辅助孔、周边孔及底板孔,其中掏槽孔采用倾斜孔,倾斜角度应遵循自中间向两边由75°渐变至90°,周边光面爆破孔孔距宜≤50cm。钻孔、装药可利用台车进行。

爆破参数选择(括号内为临海市大田平原排涝隧洞上半洞爆破参数):

孔径宜为42mm(42mm),孔深宜为2～5m(2.2～3.3m),钻孔角度宜为75～90°(45～90°),孔距宜为0.5～1.5m(0.5～1.5m),掏槽孔(14个)、辅助孔(80个)、周边孔(52个)、底板孔(15个)按照规范、爆破试验和实际情况布置,爆破断面面积宜<120m2(115m2),爆破循环进尺宜为2～5m(2m),单次爆破石方量宜<600m3(230m3),单孔装药量(0.6～1.4kg)、堵塞长度(1.2～1.9m)、最大单响药量(26kg)、单次爆破总药量(142.8kg)、炸药单耗(0.62kg/m3)按照规范、爆破试验和实际情况确定。

4.2 隧洞下层分台阶爆破设计

隧洞下层各台阶开挖爆破设计:每层的各个台阶均采用水平孔浅孔爆破,边墙采用光面爆破。

爆破参数选择(括号内为临海市大田平原排涝隧洞中、下层台阶爆破参数):

孔径宜为42mm(42mm),孔深宜为2～5m(4.8m),钻孔角度宜为90°(90°),孔距宜为0.5～1.5m(0.5～1.8m),排距宜为0.5～1.5m(1.1～1.3m),第一排孔(4个)、第二排孔(4个)、第三排孔(5个)、周边孔(6个)按照规范、爆破试验和实际情况布置,爆破台阶高度宜为3～5m(3.35m),爆破循环进尺宜为2～5m(4.5m),单次爆破石方量宜<600m3(117m3),单孔装药量(0.6～2.6kg)、堵塞长度(2.2～4m)、最大单响药量(10.4kg)、单次爆破总药量(34.6kg)、炸药单耗(0.3kg/m3)按照规范、爆破试验和实际情况确定。

5 爆破试验

爆破试验为生产性试验,一般选取在较有代表性的围岩段进行试验。爆破试验依据爆破设计参数进行试验,爆破试验完成后,要对爆破现场进行勘察,根据爆后单块石碴的体积大小来调整掏槽孔和辅助孔的间距和装药量,根据开挖轮廓线规则程度、岩面平整度及超欠挖情况、炮孔残留率来调整周边光面爆破孔的间距和装药量。

6 爆破安全距离计算

隧洞内多台阶扩挖爆破的各个爆破作业面的布置,可依据爆破安全距离计算结果和各个爆破作业面的施工情况来调整,同时各个爆破作业面的布置直接影响爆破参数的设计。

6.1 爆破震动安全距离计算

爆破震动安全计算,采用如下经验公式计算。

地震速度:

(1)

式中:K为与地形、地质有关的系数;a为地震衰减系数;Q为同段起爆最大药量;R为保护对象距离;V为允许震动安全速度。

隧洞内爆破与衬砌作业面之间的水平距离要重点考虑爆破震动对新浇混凝土的影响,隧洞多台阶扩挖爆破工法将特大断面隧洞通过分区分块进行爆破开挖,减少了洞内爆破单响装药量,有效降低了爆破震动对周边环境的影响。在临海市大田平原排涝一期工程隧洞施工标中,依据爆破规范规程、地质条件和施工经验,K取200、a取1.5、Q取26kg、R取300m,计算结果V=0.20cm/s,<1.5 cm/s(新浇大体积混凝土的爆破震动安全允许标准最小值),因此爆破作业不会对300m外的二期衬砌新浇混凝土产生破坏影响。

6.2 爆破飞石安全距离计算

爆破施工中发生的安全事故,主要是由于爆炸引起的飞石导致的安全事故,确定爆破的安全距离就显得特别的重要。确定洞内飞石的安全距离参考下列计算公式:

R=20n2WK

(2)

式中:W为最大一个药包的最小抵抗线;n为爆破作用指数;R为个别飞散物飞散距离;K为安全系数。

6.3 爆破冲击波安全距离计算

爆炸产生冲击波按下式进行校验:

(3)

式中:R为冲击波安全距离;K为装药结构系数;Q为设计的一次总药量。

7 施工方法

临海市大田平原排涝隧洞采用多台阶扩挖爆破工艺施工,隧洞开挖前采用地质雷达探测设备做好地质超前预报工作,隧洞开挖过程中做好安全监测工作[3]。本工程隧洞分为五部分进行爆破开挖,施工顺序为上半洞→中层左台阶→中层右台阶→下层左台阶→下层右台阶,隧洞一期支护紧跟爆破开挖面施工,二期衬砌在隧洞全断面掘进300m后进行施工。本工程隧洞进出口均为Ⅳ、Ⅴ类围岩,洞口上半洞爆破开挖施工前须在长管棚超前支护和超前固结灌浆的保护下进行,洞身开挖时遇Ⅳ、Ⅴ类围岩须在做好超前小导管和超前固结灌浆加固稳定围岩的提前下进行上半洞爆破开挖。

1) 测量放样:洞内测量采用红外线激光全站仪测量,每一开挖循环首先在掌子面准确放出中心线和周边轮廓线,然后按照爆破设计放出孔位,并用红油漆进行准确标注。

2)布孔及钻孔:由爆破工程技术人员和测量技术人员进行布孔,按照爆破设计参数,正确标注每个孔的孔深、倾角及方向。钻孔前需平整钻机施工平台,确保钻机施工时安全平稳,在进行钻孔作业时,严格按照设计钻孔孔深、角度、方向进行施工。本工程隧洞爆破开挖钻孔采用手风钻钻孔,周边光爆孔和中心掏槽孔的孔位偏差≤5cm,其他孔位偏差≤10cm,炮孔的孔底保持在爆破设计规定的平面上,严格控制超欠挖量。

3)装药:在装药之前需要对已经造好的孔进行质量检查,主要包括孔的开口位置、深度等参数,合格后方可进行装药。装药前用风水联合冲洗炮孔,周边孔用小药卷绑于毛竹片上,非连续装药,掏槽孔、辅助孔和周边孔装药要密实,堵塞长度1.2-1.9m,堵塞用炮泥堵实。

4)起爆网络联接及爆破:爆破网路宜采用双非电导爆管雷管孔内延时,孔外簇联后用电力起爆,当起爆网路联接完毕检查无误后,即可在规定爆破时间内对总网络采用非电雷管激发起爆。

5)通风和排烟:洞内施工通风、排烟采用供排相结合的混合可逆式机械通风,根据施工人员、爆破散烟、最小风速、燃油机械几种情况的风量估算,柴油机械需风量最大,通风量主要由洞内施工的柴油机机械所决定,经计算本工程选择DK45(980转/分)系列中2×55kW轴流风机,风机供风量为3480m3/min,满足供风要求。在隧洞进、出口各布置一台DK45系列中2×55KW轴流风机加直径1.2m的金属风管作为隧洞爆破开挖的通风排烟系统。为减少风压损失和管内风速的要求,当隧洞进、出口掘进200m后,在距离进出口200m处,各布置一台吸出式风机,选择DK45系列中2×22kw轴流风机,吸风管直径取0.85m的金属风管。

6)安全处理:爆破通风散烟以后,爆破员进入爆破地点,检查有无冒顶、危石、支护破坏和盲炮等现象,发现有以上现象应及时处理,当爆破员确认爆破地点安全后,指挥PC200反铲装有冲击锤的设备机械进行爆破点进行安全撬挖,排除危石,为出碴及以后各工序创造安全条件。由于爆破作业使得岩石的应力释放,岩壁局部出现松弛,可能会产生掉块和新的危石,因此对已成型的顶拱和侧墙,配备专职安检人员经常检查和安全检测,确保施工安全。

7)出渣:上层开挖出渣设备配置2台3m3装载机,下层开挖出渣设备配置2台PC400正铲挖掘机,运输用25t自卸车,有用料经进出口运至备料场。

8)清底、扩挖:在下一个工作循环之前,利用PC200反铲对掌子面进行彻底清理,把危石处理干净,并清除底部松渣及洞壁欠挖地带,便于下一循环造孔。

9)爆破后分析、评价:爆破后对爆后效果进行分析评价,针对评价结果调整下一循环爆破参数,直到爆破效果达到理想状态。

8 结 语

临海市大田平原排涝一期工程中的排涝隧洞工程,工程工期紧,隧洞断面大,围岩成洞条件差,经过多次论证,最终采用特大断面水工隧洞多台阶扩挖爆破技术进行隧洞开挖,隧洞爆破成型效果良好。隧洞分三层爆破开挖,先进行上半洞开挖,上半洞掘进一段距离后再进行中层开挖,最后开挖隧洞下层。每次爆破开挖方量控制在150～300m3左右,上半洞作业面循环进尺3m,两天三循环,隧洞中层和下层作业面循环进尺4.5m,一天一循环,平均每天隧洞全断面双向掘进9m。隧洞总长2602m,洞挖石方57.56万立方米,使用乳化炸药275.98t,炸药平均单耗0.48kg/m3,1、3、5段非电毫秒雷管9.31万发,7、9段非电毫秒雷管3.64万发,11、13、15段非电毫秒雷管6.69万发,隧洞一期支护与爆破开挖零距离同步跟进,隧洞二期衬砌距隧洞下层爆破开挖面300m同步跟进,未发生质量安全事故,整个隧洞工程经济效益明显。特大断面水工隧洞多台阶扩挖爆破技术在临海市大田平原排涝一期工程隧洞中的应用取得了良好效果,有显著的应用价值和经济效益。