小断面引水隧洞钻爆法施工关键技术

毛永恩

（中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266000）

【摘　要】本文以目前在建的山西省中部引黄工程引水隧洞施工为研究对象，从爆破方案选择，爆破参数确定，钻爆施工控制要点三方面，通过对施工经验的总结来探索小断面隧洞钻爆法施工的关键技术，为今后类似工程施工方案的制定提供参考。

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关键词 小断面长距离隧洞；钻爆法施工；爆破参数；关键技术

0　引言

引水隧洞因其功能多设计为小断面长隧洞。同为地下工程，小断面长隧洞的施工又区别于常见的公路、铁路隧洞施工。它断面小（S＜20m2），受到断面尺寸的限制，大型施工设备无法在洞内使用。独头掘进距离长（一般＞1km），带来通风、排烟、出碴等一系列困难。单循环工程量小，生产效率低使成本控制难度加大。

长期以来，施工单位普遍采用以新奥法为主的钻爆施工方案。在隧洞施工中，开挖工程所占比重达到总投资的30%以上。开挖质量的好坏又对初支和永久衬砌施工产生直接或间接地影响。可以这么说，小断面隧洞的施工成败，很大程度上取决于地下开挖工程的施工水平。因此，如何有效的对隧洞钻爆法施工进行关键点进行控制，通过系统化的管理来提高施工水平是值得探究的。本文以目前在建的山西省中部引黄工程引水隧洞施工为研究对象，从爆破方案选择，爆破参数确定，钻爆施工控制要点三方面，通过对施工经验的分析总结来探索小断面隧洞钻爆法施工的关键技术，为今后类似工程施工方案的制定提供参考。

１　工程概况

山西中部引黄工程交汾灵支线长51.25km。主要建筑物为2级建筑、次要建筑物为3级建筑。目前施工的交汾灵支线2#隧洞全长17.5km，中间设置4个施工支洞。主洞为城门洞形断面，净宽2.5m，净高3.04m，直墙段高2.2m，顶拱中心角135度，半径1.35m。施工支洞为城门洞型，宽3.65m，高3.2m。

洞身穿过奥陶系中统峰峰组上段灰岩、白云岩。灰岩、白云岩为中硬岩，据钻孔揭露，其采取率及RQD值均较低，建议围岩单位弹性抗力系数K0=300～500MPa/m，坚固系数fK=2～3，泊松比μ=0.29～0.32，变形模量2～5GPa。围岩工程地质分类为Ⅳ类或Ⅴ类为主，围岩稳定性差，洞顶高程大部处在地下水位以下，隧洞开挖时存在涌水、突水可能性。

２　爆破方案选择

２.1　小断面隧洞常用爆破方法

根据新奥法施工原理，结合小断面隧洞的施工特点，要形成平整光滑的开挖面，并达到开挖面一次成型的效果，主要依靠预裂爆破和光面爆破来实现。预裂爆破和光面爆破为新奥法施工的“三大支柱“之一，这两种爆破方法原理相似，但施工工艺和效果却存在一定差异。究竟哪种方法更加适合，各自有什么特点，下面来通过工程案例进行分析。

隧道光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一，优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，充分发挥围岩的自承作用，同时又能减少超欠挖，提高工程质量和效率，节约成本。本隧洞施工中，主要采用全断面控制网光面爆破技术。从爆破效果来看，Ⅳ类及以上围岩光面效果较好，残孔率可达到80%以上，Ⅴ类及不良地质洞段效果较差，残孔率不足30%，超欠挖现象较为严重。

预裂爆破在洞室爆破中已不多见。本工程中为解决Ⅴ类围岩洞段光面爆破效果不理想的情况，对预裂爆破效果做了试验，发现软弱围岩下欲裂爆破对周边围岩的破坏率更甚于光面爆破。相关研究表明出预裂爆破对周边围岩的所产生的震动破坏要明显大于光面爆破[1]。所以如果单纯的追求开挖轮廓面的优良率，是不主张采用预裂爆破的。但预裂爆破在减轻震动波传播方面具有一定优势，预裂缝对主爆区的振动波起到了隔减作用[2]。本隧洞正是利用了它隔震的特点，顺利穿过了人居村落的浅埋段。

２.2　爆破影响因素分析

隧洞爆破施工方法的选择是一个综合评估的过程，需要考虑多方面的影响因素，通过对主要影响因素的分析判断，来进行爆破方案的比选和决策。在施工方案选取时，以下几点因素应重点考虑：

1）水文地质：水文地质条件的判定对地下工程施工是十分重要的，它决定爆破方案的制定和实施。对于地质条件的判定主要有围岩的级别、岩石的种类、地下水的情况、有毒有害气体、不良地质情况判别等。以本工程为例：围岩工程地质分类以Ⅳ类或Ⅴ类为主，围岩稳定性差，隧洞开挖时存在涌水、突水可能性。这样的地质条件下，爆破方法选取时就要侧重于减小围岩扰动，在计划范围内尽可能缩短开挖进尺，增加超前地质预报，减少单孔装药量，不宜使用烈性炸药，不能使用导火索及火雷管等。

2）技术条件：包括施工队伍的整体素质，管理水平，炮工的技术经验等方面。就目前行业的施工现状来看，虽然多数隧洞在施工前做过爆破参数计算，但实际施工中却是由炮工班组根据自己的经验来施工，技术和施工“两张皮”。炮工技术的好坏往往成为了爆破成功与否的关键。所以作为施工方，不得不慎重考虑施工队伍的技术条件水平，根据技术条件来制定可行性的施工方案。

3）爆破器材的选取

根据国内民用爆破器材适用情况，地下洞室爆破常用的炸药有岩石硝铵炸药和矿山乳化炸药等。下面以两种常见炸药对比分析：

本工程主洞独头通风距离最大为2.5km，通风排烟十分困难，洞室顶高程大部分处在地下水位以下，施工中存在涌水、突水可能性。对这两种炸药性能分析后，最终选定矿山乳化炸药。根据长期使用效果来看，虽然材料成本有所增加，但减少了通风设备资金投入的同时还降低了对环境的污染，并在富水段施工中发挥了其防水性能方面的优势，综合效益是良好的。

4）安全及周边环境影响

地下工程因其特殊性，安全风险控制一直是施工管理的重中之重，安全问题产生原因主要是人为因素和外界环境两方面。通过制定科学的安全管理体系可将人为因素降到最小化。这里主要分析环境因素：对于小断面隧洞施工，要考虑隧洞施工产生爆破震动、地表沉降、施工噪音、地下水位等影响程度。本工程一条支洞穿过村落，隧洞埋深较浅。施工经过该段时爆破震动和噪音影响村民正常生活，村内有些房屋年久失修，抗震等级较低，容易发生危险。为此，请了专业机构对爆破影响范围进行监测，对影响范围内房屋耐受性作了评估。根据监测结果调整装药量，改光面爆破为预裂爆破法，有效减小了爆破震动范围和幅度，最终安全通过了该浅埋区。

３　爆破参数的选取

３.１　周边眼间距E、最小抵抗线W

周边眼间距E是直接控制开挖轮廓面平整度的主要因素，借助于经验公式：E＝Ki×d，一般情况下E=(8～12)d（d为炮眼直径）

抵抗线W＝（1.0～1.5）E

设计炮眼间距E为400～500（mm），炮眼直径D为42mm，满足对E、W值的要求，考虑到隧洞断面小，岩壁对爆破有夹制作用。在施工中经过试验调整，取E=400mm爆破效果较好。

３.2　不耦合系数

本隧洞围岩主要以弱风化灰岩为主，硬度较低，周边眼装药采用空气间隔不耦合装药。不耦合装药使药包四周存在空隙，爆炸时空气对爆炸波有缓冲作用，既降低了爆炸的峰压，防止对孔壁的粉碎破坏，又储存了部分能量，使爆压作用时间增长，提高了爆破能量利用率[3]。炮眼直径与药包直径的比值称为不耦合系数，本隧洞眼炮眼直径取Φ42mm，药包直径取Φ35mm，不耦合系数＝D/d＝42/35＝1.2。

３.3　装药密度

光面爆破装药量按照下式确定：

Q=qa·W ·L (kg)

q——单位体积炸药消耗量，按照定额取1.1kg/m3；

a——炮眼平均间距，取a=450mm；

W——最小抵抗线，考虑到小断面夹制作用，取最大值W=600mm；

L——炮眼平均深度，L=2.5m。

线装药密度：

经计算，Q=0.74kg，qL=0.296kg/m，结果符合中硬岩光面爆破线装药密度0.2～0.3 Kg/m的允许范围，可以使用。实际施工时根据岩石硬度来适当调整。

3.4　装药形式

本隧洞以Ⅳ类和Ⅴ类围岩为主，施工中掏槽眼和辅助眼采用连续装药，周边眼及底眼采用空气间隔不耦合装药，由竹片捆绑后送入炮孔内，将导爆插入中下部药卷，使炸药均匀分布。但需要特别注意的是药卷间隔装药之间的距离要小于药包的殉爆距离。炮眼用炮泥堵塞，长度不小于25cm。对于光面爆破采用不耦合装药，炮眼的堵塞质量应得到重视。装药结构如下图1。

（1）连续不耦合装药结构

（2）空气间隔不耦合装药结构

①非电毫秒导爆管；②药卷；③炮泥；④导爆索；⑤竹片

３.5　爆破网络

光面爆破起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼。为了达到精确控制的分层网络起爆效果，现场采用电雷管激发，毫秒微差导爆管起爆的控制爆破网络。试验研究表明，周边眼相邻炮眼的时差越小，所产生的光爆效果越明显，相邻炮孔起爆的时差不大于0.1s。采用相同段位的毫秒微差导爆管，可满足起爆时差要求。另外，爆破网络各排孔之间的时差不宜过大也不宜过小，过大则无法利用前一排爆破所产生的作用力，过小则无法形成层间的自由面，达不到分层控制爆破的效果。研究表明起爆时差控制在50～100ms之间为宜。本设计爆破网络时层间间隔2个段位（＞50ms）由里到外递增。

4　钻爆施工控制要点

在小断面隧洞钻爆法施工中，钻爆施工除了制定合理的爆破参数外，在施工中还有一些重要的影响因素，在施工过程中必须对这些因素重点控制。

４.1　测量放线

由测量错误引起的炮孔定位误差在隧道施工中是经常见到的。通过科学的技术管理可规避此类风险。由于客观原因限制测量班如果无法对每一循环测量放样，可借助隧洞用激光指向仪辅助测量。本隧洞在施工中借助两侧的激光指向仪把方位参照点标注到掌子面上，对于周边眼定位相对困难的拱顶的圆弧段，用圆钢按设计轮廓尺寸做好定位模具，工人利用模具可以方便准确的在开挖面上定位布点，有效控制拱顶轮廓尺寸。

４.2　钻孔精度

开眼位置和钻孔方向偏差是影响爆破效果的主要原因。由偏位计算公式S=e+Ltanθ可知，钻孔深度越深，外偏角越大，造成的偏差就越大。人工钻爆中使用的气腿式风钻，在打钻时必须有3°~5°的外插角。隧洞中造成超挖严重的一个主要原因就是工人钻孔技术不过关，钻杆的外偏角过大。为爆出平整的开挖面，首先要提高施钻工人的技术水平，保证钻孔时各炮孔眼底尽量落在同一个平面上，掏槽眼可在此基础上加深20cm。

４.3　施工工艺

在全断面开挖掘进中，为了创造出光爆所需的两个临空面，首先要在开挖面上形成一个足够大的空腔，这个空腔需要由掏槽眼爆破来产生。小断面爆破一般选择直眼掏槽和斜眼掏槽两种方式，两种掏槽眼的适用特点见表2。掏槽方式的选择，要根据开挖面岩层地质结构动态调整。我部在Ⅴ类围岩及不良地质段施工中，采用菱形直眼掏槽，施工方便。在Ⅳ类及以上围岩地质段采用“水平八字”斜眼掏槽，同等药量下掏槽效果好，更加经济合理。

４.4　地质条件

主要指围岩的节理、裂隙等非主观因素的影响。由于隧洞围岩存在节理、裂隙、软弱夹层、溶洞等，爆破后围岩不沿周边炮孔的切割线破坏，而极有可能沿这些结构或软弱面破坏，形成主观很难控制的施工缺陷。因此，在施工中对围岩地质情况的判断和预测工作要作为一项常态工作。现场技术人员要通过不断地观察和分析，来提高对围岩变化的认识。坚持做好地质素描可预测岩层的节理走向和变化规律，为爆破施工指明方向。虽然小断面隧洞对围岩变化的敏感性相对较弱，但需要注意的是，如果开挖面附近有溶洞、采空区等潜在威胁时，应采取超前地质钻探和施工中加深炮孔相结合的地质预报措施，确保施工安全。

5　结语

小断面隧洞因开挖面小，施工效率低下等因素造成成本控制难度加大，施工企业要想创造效益，就需要不断提高管理的精细化程度。一方面要通过系统化分析制定合理的爆破方案，另一方面要加强施工现场的管理。在施工过程中坚持做好开挖断面复测工作，将复测结果及时交底给工班，有利于班组随时调整爆破参数。以本工程为例，通过不断改进技术方法和抓住关键控制点，在钻爆施工取得了良好的经济效益和安全效益。

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参考文献

［１］郭尧,袁甲.光面与预裂爆破对隧道围岩损伤的试验研究[J].程爆破，1066-7051{2011}04-0031-05.

［２］王梦恕,等.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010,5.

［３］梁为民.不耦合装药结构对岩石爆破的影响 [J].北京理工大学学报，2012,32(12).

［４］张正宇,等.现代水利水电工程爆破[M].北京：中国水利水电出版社，2003-5-1.

［责任编辑：曹明明］