生态库转输隧洞爆破设计研究与应用

郑武超

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 工程概况

1.1 基本情况

铁岗-石岩水库水质保障工程(四期)项目位于深圳市宝安区石岩街道宝石公路笔架山公交站，主要建筑物包括调蓄宝石湖、生态堤、溢洪道、转输隧洞、截洪渠(沟)等。为达到保障下游铁岗水库水质安全、降低水质风险的目的，拟在该片区西侧洼地处新建调蓄宝石湖，收集汇水范围内1.24km2的初期雨水，其中建成区汇水面积为0.49km2，生态区汇水面积为0.75km2，将雨水完全存蓄后，通过转输隧洞(涵)输送到拟建的应人石生态库最终汇入铁岗水库。

转输隧洞(涵)布置在生态堤右侧，起点为宝石湖，终点为应人石河口生态库，全长2326m，其中隧洞段长1625.441m，箱涵段长700.559m，采用重力自流的方式，最大过流能力不小于31.40m3/s。顺水流方向依次为进口工作闸、1#隧洞段、1#箱涵段、2#隧洞段、2#箱涵段、出口消力池和抛石海漫段。隧洞段采用城门洞型，二次衬砌后断面尺寸2.5m×3.25m(宽×高)。本文主要对隧洞段爆破设计进行研究。

1.2 施工难点

本工程地处深圳市宝安区铁岗水库一、二级水资源保护区，沿线地表为基本农田，转输隧洞为有压隧洞，距离长、断面尺寸较小，质量要求严格。根据地质报告描述，II类围岩约22.3%，III类围岩约4.7%，III-IV类围岩约4.0%，IV类围岩约5.3%，V类围岩约63.7%，地质复杂，地下水丰富，稳定性较差，围岩整体较破碎，给爆破作业带来了难度。

2 转输隧洞爆破区周边环境、地层岩性及工程地质条件

2.1 周边环境

1#隧洞与南光高速距离大于300m，进口周边为林地、湖区，出口周边为山林地带，进出口周边300m范围内均无建(构)筑物，无地下管线，沿线山体上分布有多座高压线塔，洞口最近的线塔距离约61m；2#隧洞进口距南光高速约126m，出口距南光高速约204m，洞身段与高压燃气管线最近距离约30m，延线分布有高压线塔，与洞口距离均在150m外，进口右侧有铁岗水库的林场管理房，距离洞口约44m，出口周围200m内无建(构)筑物。

2.2 地层岩性

项目范围内出露地层有奥陶系、白垩系燕山侵入岩和第四系地层。早奥陶系(加里东期)侵入岩(ηγO1)主要分布在铁岗水库库坝区下游，岩相简单，为细粒斑状混合花岗岩组成，多呈灰白色，以花岗结构为主；白垩系燕山四期侵入岩(γβ3K1、γβ4K1、ηΥ5K1)分布于工程区大部分，岩性为粗中粒黑云母花岗岩、细粒斑状黑云母二长花岗岩、局部中(细中)粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩；第四系(Q)在区内零星分布，主要分布于坡麓、沟谷底部和冲积平原地区，以及居民分布区，土层类型为残(崩)坡积土(Qedl)、冲洪积土(Q4apl)和人工堆积物(Q4s)，局部杂填土。

2.3 工程地质条件

范围内地质条件和气候、地貌有着相互联系，宝安区属亚热带季风气候，受台风和雨季影响，地下水丰富，分为有孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。

(1)地面下松散岩层中的孔隙潜水：分布于河床两岸冲洪积和残坡积层中，受降水补给，一般埋藏在地表以下数米，充水条件较好，水位随降雨量大小而变化。

(2)地面下基岩裂隙水：主要分布在风化岩石或坚硬岩石的裂隙中，主要是大气降雨和孔隙潜水补给。受基岩裂隙发育程度控制，其埋藏深度和流量亦受大气降水影响。

3 转输隧洞爆破设计方案

3.1 隧洞爆破作业分区

隧洞爆破区域分为1#隧洞、2#隧洞二个部分，其中1#隧洞进口明挖段进水闸基坑局部可能有1.0m～2.0m厚的岩石层需要爆破，2#隧洞进口位于明挖箱涵段，出口明挖段也可能局部存在少量硬岩需要爆破。暗挖隧洞采用进出口双向掘进，如果施工进度需要且条件许可的情况下可能会在2#隧洞中间地段增加一个竖井往进出口方向掘进。1#隧洞进口及2#隧洞出口均设计有施工围堰，隧洞进洞在围堰修筑完成后开始施工，隧洞双向掘进到进出口相距30m时，采用一个作业掘进，接近贯穿时派专人在另一侧洞口处警戒，确保爆破安全。

3.2 隧洞爆破设计方案

根据施工方案，隧洞采用“新奥法”施工，φ42mm浅孔钻进爆破，根据本工程地质条件和周边环境，软岩开挖选择机械配合人工开挖方法，硬岩开挖选择光面爆破施工。该工程Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩均采用全断面光面爆破技术施工，Ⅱ、Ⅲ类围岩每循环进尺2.0m～3.0m；Ⅳ、Ⅴ类围岩每循环进尺0.5m～2.0m。钻爆过程中遇到软弱夹层或渗水较大时使用台阶法上下开挖，拟减少对围岩的扰动，炸药单耗宜控制在1.50kg/m3～2.60kg/m3之间，爆破过程中严格控制循环进尺，根据实际爆破效果及时进行参数调整。

3.3 凿岩机具及爆破器材的选取

3.3.1 凿岩机具的选取

依据设计的爆破方案，爆破钻孔机具采取φ42mm直径的钻头钻孔，钻头为“一”字型或“+”字硬质合金钢，选取钻杆长度分别是：1m～3.5m几种规格，规格是中空六棱型。

3.3.2 爆破器材的选取

根据爆破规模及岩石特性，选用2#岩石乳化炸药作为起爆药，非电导爆管雷管起爆，所需爆破器材见表1。

表1 需用爆破器材

4 爆破参数设计与装药量计算

4.1 隧洞围岩分类情况及支护形式

隧洞分为1#隧洞和2#隧洞两段，1#隧洞全长320.0m，其中V类围岩171.697m，Ⅲ、IV类围岩148.303m；2#隧洞全长1305.441m，其中V类围岩902.716m，Ⅲ、Ⅳ类围岩62.042m，Ⅱ围岩340.701m。具体分类及支护情况见表2。

表2 隧洞围岩分类及支护情况统计

4.2 隧洞Ⅴ类围岩石方开挖炮孔布置及装药量计算

Ⅴ类围岩局部可能出露强风化岩，采用手风钻钻孔、装少量乳化炸药，用导爆管雷管进行起爆，循环进尺控制在1.0m左右。

4.2.1 施工流程

施工工艺流程见图1。

图1 Ⅴ类围岩石方隧洞施工工艺流程

4.2.2 施工方法

隧洞开挖采用全断面掘进法，YT-28手风钻钻爆。采用2#岩石乳化炸药，非电雷管起爆，起爆顺序依次为上排孔、中排孔、底板孔。洞口段及不良地质洞段，采取短进尺、弱爆破的施工方法。

(1)地质超前预报

使用有效的超前地质预报，掌握开挖工作面前方围岩几米至几十米地质和水文地质条件，结合掘进中地质条件的变化，及时提出预报，以便有准备地做好各种预防和施工措施，确保隧洞施工作业顺利进行。

(2)超前支护

超前支护见本章节超前支护。一般完成超前支护4h后方可进行隧道开挖。

(3)测量放样

隧洞清碴、喷锚支护完成后，进行下一循环的施工。根据设计断面尺寸，用全站仪进行断面轮廓线测量放样工作，在掌子面放出炮孔孔位，并用红油漆在作业掌子面上作好标记。

(4)钻孔

在钻孔作业车上采用YT-28手风钻造孔，孔径φ42mm。爆破布孔见Ⅴ类围岩洞身爆破设计图(图2)和Ⅴ类围岩洞身爆破网路设计图(图3)。开孔时用自制开孔定位器，使孔位与设计一致；开孔后，严格控制钻孔的方向，进尺速度、深度，并做好钻孔记录，供现场工程师参考。调整装药量和起爆顺序，优化开挖参数，局部(主要存在下台阶部位)开挖时打设三排左右的炮孔，沿边墙设计轮廓线布置周边孔，底板设计轮廓线布置底板孔。

图2 Ⅴ类围岩洞身爆破设计

图3 Ⅴ类围岩洞身爆破网路设计

(5)装药

装药严格按照规范和爆破操作安全规程，装药前用水冲洗钻孔，上排孔、中排孔和底板孔采取柱状连续装药，周边孔采取导爆索空气间隔装药。采用非电雷管起爆，非电毫秒雷管分段，起爆顺序依次为上排孔、中排孔、周边孔、底板孔。装药爆破设计参数见表3。

表3 Ⅴ类围岩装药爆破设计参数

爆破工程师可根据地层情况及时调整炮孔数量和装药结构，严格控制最大单响装药量。

4.3 隧洞Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖炮孔布置及装药量计算

Ⅲ、Ⅳ类围岩主要集中在隧洞中段，埋深较深，由强风化、弱风化花岗岩构成，属硬岩，采用全断面开挖。开挖时在中间偏上部位布置8个掏槽孔，其中中间2个为空孔，采用楔形掏槽，掏槽孔周边布置辅助孔，设计轮廓线布置周边孔，周边孔导爆索+乳化炸药装药，线装药密度控制在300g/m左右，底板设计轮廓线布置底板孔，用导爆管雷管进行起爆，循环进尺控制在1.0m～2.5m。炮孔布置如图4所示。

图4 Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖炮孔布置示意(单位：mm)

根据图4炮孔布置情况，Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖装药量计算见表4。

表4 Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖装药量计算

4.4 隧洞Ⅱ类围岩开挖炮孔布置及装药量计算

本项目在隧洞BY1+512.802～BY1+750T和BY1+997.412～BY2+100.000段分布有Ⅱ类围岩，埋深较深，由微风化花岗岩构成，属硬岩，采用全断面开挖。开挖时在中间偏上部位布置8个掏槽孔，其中有2个空孔，采用楔形掏槽，掏槽孔周边布置辅助孔，设计轮廓线布置周边孔，周边孔导爆索+乳化炸药装药，线装药密度控制在320g/m左右，底板设计轮廓线布置底板孔，用导爆管雷管进行起爆，循环进尺控制在2.0m～3.0m。炮孔布置如图5所示。

图5 Ⅱ类围岩开挖炮孔布置示意(单位：mm)

根据图5炮孔布置情况，Ⅱ类围岩开挖装药量计算见表5。

表5 Ⅱ类围岩开挖装药量计算

5 布孔钻孔、装药堵塞及起爆网路设计

5.1 炮孔布置及钻孔设计

隧洞爆破掏槽眼、辅助眼、周边眼的布置，详见Ⅱ类、Ⅲ、Ⅳ类和Ⅴ类围岩炮孔布置示意图，但要注意，钻孔时一定要按测量的点位施工，保证爆破效果理想。周边眼沿设计轮廓线均匀布置，为了控制超欠挖以及便于下一次钻眼时落钻孔眼，拟将炮眼方向以3%～5%的斜率外插，眼底落在设计轮廓线以外10cm～15cm；底板眼的眼底也须落在设计轮廓线以外5cm～10cm左右，并与辅助眼、周边眼的眼底落在同一垂直面上，而且采取较大的炸药单耗，有利于克服上覆石碴的压制并起到翻碴作用。

5.2 装药堵塞设计

隧洞爆破掏槽孔、辅助孔及底板孔采用连续装药结构，周边眼采用间隔装药，导爆索传爆，卷状乳胶炸药作主爆药，起爆雷管置于孔底，聚能穴指向孔口，孔口部分用砂粘土堵塞。各炮孔装药结构如图6所示。

图6 隧洞各类型炮孔装药结构示意

5.3 起爆网路设计

爆破采用孔内分段微差起爆方法。从保证安全的角度出发，使用毫秒延期导爆管网路。每孔一发非电延期毫秒雷管，孔外簇联后由双发毫秒延期导爆管雷管连接后由激发针起爆。起爆网路详见下图7所示。

图7 隧洞—毫秒延期导爆管雷管起爆网路

6 爆破安全验算

6.1 爆破振动安全控制

根据本工程所处的地理位置及周边环境，需要对不同距离内的高压线塔及高压燃气管线进行验算以确定同段起爆最大装药量，以便指导施工。

装药量根据《爆破安全规程》计算：

式中：Q——最大一段的装药量，kg；

R——距爆源中心的距离，m；

K——与介质特性、爆破方式及其它因素有关的系数，本项目Ⅴ类围岩段与燃气管道距离较近，K取250；

V——建(构)筑物允许振速，取2cm/s；

α——地震衰减指数，取1.8。

可得计算结果如表6所示。

表6 不同距离的最大一段的装药量值对照

根据设计图纸得知，2#转输隧洞在BY1+050至BY1+270段均为Ⅴ类围岩，距离高压天然气管道最小距离约30.6m，该段围岩为烁质粘土层、残积土层和全风化花岗岩层。施工时采用无爆开挖或弱爆开挖，同时可以采用上下台阶法开挖，爆破方式为浅孔掘进爆破，每循环进尺0.5m～2.0m，通过控制循环进尺和毫秒微差导爆管雷管分段起爆的方法控制最大单响装药量，保证爆破振动值不超过相关法律法规和规范规定的范围，从而保证高压管道的安全。

按高压天然气管道的控制振动速度V=2.0cm/s计算最近距离为30.6m时的单响装药量为Q=R3(V/K)3/α=30.63×(2/250)3/1.8=9.17kg，隧洞爆破Ⅴ类围岩一次爆破最大总装药量不大于13.2kg，通过毫秒微差导爆管雷管分段起爆的方法控制单响装药量不大于4kg，能满足爆破振动要求。

爆破作业过程中可根据不同爆破部位控制单段起爆最大装药量，保证爆破震动不会对周边建(构)筑物造成伤害。

6.2 安全警戒

每次爆破前30min进行安全警戒，警戒范围按爆破飞石的安全距离确定，警戒范围以内的一切人员全部撤离，爆破指挥则依每次爆破地点设于安全位置。爆破指挥、起爆点和各警戒点之间用对讲机保持顺畅的通讯联系。警戒信号分为三种，即警戒、准备起爆和警戒撤离。每次爆破后检查无误后由爆破指挥发出警戒撤消信号。

7 安全技术与防护措施

(1)所有钻爆作业人员必须按照安全操作规范佩戴安全帽，脚穿防滑绝缘鞋，持证上岗。

(2)孔距必须严格控制，孔底落在同一条线，同一平面上，开口误差及群孔平行度不得超过±10cm。

(3)所有堵塞必须选用磨擦系数大、密度大的材料作炮泥，要求堵塞必须密实、连续，严格避免堵塞物夹杂碎石。

(4)在装药堵塞和防护过程中，严禁强拉、踩压传爆线及导爆管。要求必须谨慎小心，防止损坏起爆线路。

(5)所有火工品的搬运存放必须遵守《民爆器材管理规定》，轻拿轻放，分放分拿。

(6)作业区不得携带烟火进入，禁止所有携带手机、手电等射频器材人员在施工现场。

(7)在装药前，设立警戒区并插红旗显示，严格实行“三员一长”制度，做到万无一失。

(8)爆破前30min必须设立安全警戒，并吹口哨鸣叫，通知所有的机械、人员撤离隧洞并在安全警戒范围之外。

(9)在放炮前应书面通知附近作业的人员知晓。起爆时，用口哨三长声鸣叫；起爆后，口哨一长声解除信号。

(10)爆破后，经通风，由爆破员入场查看有无盲炮，如有盲炮，必须由专业爆破员在工程师的指导下进行处理。

8 结语

生态库转输隧洞工程施工在有限空间内复杂的地质条件下，应深入了解地质相关内容，根据不同的围岩类别，科学合理地制订爆破设计方案，有效地应对施工风险问题，在充分保证施工安全的基础上提高工程的进度和质量，满足相关施工技术标准和规范，提高经济效益。