楊玉銀， 陳長貴， 黃 浩， 黃 勇， 劉志輝， 張健鵬， 張永強， 廖志華

(中國水利水電第五工程局有限公司， 成都 610066)

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隧洞開挖光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)的改進與應(yīng)用

楊玉銀， 陳長貴， 黃 浩， 黃 勇， 劉志輝， 張健鵬， 張永強， 廖志華

(中國水利水電第五工程局有限公司， 成都 610066)

為了解決烏干達卡魯瑪尾水隧洞光面爆破施工中，無專用光爆細藥卷(φ20 ～22mm)，且竹片難于買到，無法綁扎光爆藥串等問題，在8#、9#、10#支洞及主洞開挖爆破施工中做了一系列光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)改進實驗。采用(φ25 ～32mm)常規(guī)藥卷，在其未與導(dǎo)爆索綁扎的條件下，導(dǎo)爆索成功起爆了光爆孔內(nèi)按設(shè)計線裝藥密度裝入的間隔裝藥，且取得了理想的光爆效果。實驗及應(yīng)用情況表明：在φ42mm光爆孔內(nèi)，導(dǎo)爆索與一定間距(>50cm)的間隔裝藥在孔內(nèi)自由分布、未綁扎的條件下，導(dǎo)爆索完全能夠起爆孔內(nèi)的間隔裝藥，這就簡化了傳統(tǒng)的光爆藥串加工工藝，改變了隧洞開挖中傳統(tǒng)的光爆孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)。

隧洞； 開挖； 光面爆破； 裝藥結(jié)構(gòu)； 間隔裝藥； 導(dǎo)爆索

1　問題的提出

在隧洞開挖爆破施工中，光面爆破已經(jīng)成了世界公認的、必然的選擇。光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)及線裝藥密度的控制成了光面爆破的關(guān)鍵技術(shù)。目前，《國內(nèi)水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5099-2011)〔1〕建議的光面爆破線裝藥密度在70 ～350g/m，各類圍巖的實際應(yīng)用證明，這一建議值是非常合理的。如何針對不同硬度、不同類別的圍巖確定合理的線裝藥密度就成了光面爆破的技術(shù)核心。目前主要有三種方法：①采用低密度的細藥卷連續(xù)裝藥，藥卷直徑φ20 ～22mm；②把導(dǎo)爆索敷設(shè)在竹片上，將常規(guī)藥卷按照設(shè)計間距采用膠布綁扎在竹片上制成光爆藥串，藥卷直徑φ25～32mm；③采用一只非電毫秒雷管引爆裝入孔底的φ32mm加強裝藥，利用炸藥的殉爆距離，由內(nèi)向外逐節(jié)引爆、傳爆光爆孔內(nèi)正常裝藥段的φ25mm間隔藥卷〔2〕，正常裝藥段相鄰兩只藥卷間隔長度8 ～14cm。由于烏干達卡魯瑪項目位于東非不發(fā)達國家，本國不生產(chǎn)炸藥，必須從中國或印度進口。在國內(nèi)和其他國家均未能采購到低密度φ20 ～22mm專用光爆細藥卷，如果采用φ25mm藥卷連續(xù)裝藥，其線裝藥密度將>500g/m，無法滿足光面爆破要求；在當?shù)貨]有制作光爆藥串用的竹片，依靠進口，成本會很高，并且臨時采購也來不及；采用一只雷管引爆、傳爆孔內(nèi)間隔裝藥的方法需要圍巖硬度較高、完整性較好，受炸藥殉爆距離限制，炸藥間隔長度最大14cm，其線裝藥密度一般≥300g/m，主要適用于堅硬巖石，對中硬巖、軟巖及完整性較差巖石不適用，不具有普遍性。為了解決這一技術(shù)難題，在烏干達卡魯瑪尾水隧洞的三條施工支洞及主洞開挖施工中，進行了一系列光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)實驗。

2　改進思路及可能存在的問題

2.1改進思路

①采用最易購買的導(dǎo)爆索及常規(guī)的φ25 ～32mm乳化炸藥作為光面爆破的基本爆破器材。②將導(dǎo)爆索插入一只φ25mm或φ32mm乳化炸藥(約100 ～250g)，用炮棍直接推入孔底，作為孔底加強裝藥；將經(jīng)過加工的φ25mm或φ32mm乳化炸藥(每節(jié)約100g)，按照設(shè)計線裝藥密度確定的裝藥間隔，用炮棍逐節(jié)推入孔內(nèi)預(yù)定位置。③周邊光爆孔孔外采用導(dǎo)爆索連接，盡可能確保光爆孔同時起爆。④減小周邊光爆孔孔口填塞長度，采用炸藥紙殼箱或炸藥內(nèi)包裝紙、塑料等柔性材料填塞。

2.2可能存在的問題

光爆孔的鉆孔直徑一般為φ42mm，而優(yōu)先選用的是φ25mm的乳化炸藥，導(dǎo)爆索直徑一般≤6mm〔3〕，且導(dǎo)爆索與炸藥之間未經(jīng)過綁扎，均處于自由狀態(tài)，個別炸藥與導(dǎo)爆索間可能存在10mm左右的距離，有可能會造成個別炸藥拒爆，從而影響光爆的效果。

3　改進的基本裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)改進思路，確定采用圖1所示的基本裝藥結(jié)構(gòu)，并通過爆破實驗進行驗證。

L-光爆孔鉆孔深度；L1-孔底加強裝藥段長度；L2-正常裝藥段長度；L3-孔口填塞長度；d1-正常裝藥間隔距離；d2-正常裝藥段單節(jié)藥卷長度；d-炮棍上控制裝藥間隔的標尺長度，d=d1+d2圖1　裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of explosive charging structure

4　爆破實驗

4.1工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內(nèi)的卡爾揚東哥地區(qū)卡魯瑪村。尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8 697.005m、2#尾水洞長8 601.125m，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.60 ～14.8m，高13.45 ～15.05m，圍巖主要為花崗片麻巖，II～III類圍巖為主，極少量IV～V類圍巖。

尾水隧洞布置有8#、9#、10#三條施工支洞。8#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)2+735.764，全長1 167.52m，底板坡度9.5%；9#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)5+463.571，全長732.68m，底板坡度10.42%；10#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)8+436.623，全長415.32m，底板坡度11.58%。三條支洞開挖斷面除洞口段少量(30 ～70m)V類圍巖呈馬蹄形，寬10.64m，高9.40m外；其余洞段為II～IV類圍巖，開挖斷面均呈城門洞形，寬8.16 ～8.44m，高7.38 ～7.52m。施工支洞圍巖主要為花崗片麻巖，II～III類圍巖為主，少量IV～V類圍巖。

4.2實驗方案

尾水隧洞的8#、9#、10#三條施工支洞均不進行永久混凝土襯砌，只進行必要的錨、網(wǎng)、噴支護，但為了給主洞開挖提供合理的光面爆破參數(shù)，在三條施工支洞開挖施工中進行了大量光面爆破實驗，從而為主洞開挖提供了合理的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)及光爆參數(shù)。光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)實驗分階段分別在支洞和主洞進行。支洞的II、III、IV類圍巖均采用全斷面開挖；主洞以II、III類圍巖為主，采用上下兩部分部開挖，先開挖上部8.19m，爆破實驗均在上部進行。爆破實驗主要針對II、III、IV類圍巖，V類圍巖主要采用微量裝藥軟巖光面爆破技術(shù)〔4〕, 實驗方案及參數(shù)如表1所示。

各實驗方案裝藥結(jié)構(gòu)〔5-6〕如圖2所示。

4.3爆破器材

爆破器材主要來自中國和印度公司，以中國公司為主，印度公司為輔。在不同階段使用的爆破器材規(guī)格有所差異，具體規(guī)格如下：

表1　光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)實驗方案

圖2　光面爆破實驗裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Diagram of charging structure in smooth blasting experiment

①炸藥：中國公司提供的φ32mm乳化炸藥，有重300g、長30cm和重200g、長20cm兩種規(guī)格；印度公司提供的φ32mm乳化炸藥，重250g、長27cm；中國公司提供的φ25mm乳化炸藥，有重150g、長26cm和重200g、長35cm兩種規(guī)格。②導(dǎo)爆索：主要選用由中國公司提供的塑料導(dǎo)爆索〔3〕，藥芯主要為太安，外觀紅色，直徑5.0 ～5.4mm，裝藥量10g/m，爆速不小于6×103m/s。③雷管：孔內(nèi)及網(wǎng)路連接主要選用由中國公司提供的MS1 ～MS12非電毫秒雷管，短缺時輔助選用印度公司提供的MS1 ～MS15非電毫秒雷管，但應(yīng)注意其雷管段位及延時情況與中國標準不同；電雷管用于起爆整個非電毫秒雷管爆破網(wǎng)路，主要選用中國公司提供的8#普通工業(yè)電雷管。

4.4實驗條件

①現(xiàn)場無法采購到綁扎光爆藥串用的竹片等物品；沒有φ20 ～22mm專用光爆細藥卷。②炮孔直徑≤42mm；隧洞屬于平洞或傾斜度≤25°。③要求進一步提高鉆孔質(zhì)量，按設(shè)計要求保證孔位誤差小于≤3cm；鉆孔外偏角要求≤3.5°；盡可能提高相鄰兩孔的鉆孔平行度，達到圖3(b)所示水平,以提高光面爆破質(zhì)量。④周邊光爆孔網(wǎng)路連接均采用導(dǎo)爆索，以提高光爆孔起爆的同時性。⑤光爆孔鉆孔完畢，裝藥前必須吹孔，將孔內(nèi)巖粉和積水清理干凈。

4.5裝藥方法

周邊光爆孔裝藥情況如圖3所示。

圖3　周邊光爆孔裝藥情況圖Fig.3　Diagram of explosive charging in peripheral holes

①炸藥加工：圖3(a)為主洞光爆裝藥結(jié)構(gòu)實驗所用乳化炸藥，孔底加強裝藥為印度公司生產(chǎn)的一只φ32mm乳化炸藥，重250g、長27cm；正常裝藥段使用的炸藥為中國公司生產(chǎn)的半只φ25mm乳化炸藥，重100g、長17.5cm。②炮棍制作〔2，7〕：選用比設(shè)計鉆孔深度長30cm左右、直徑φ25 ～28mm的PVC管作為周邊光爆孔專用炮棍，如圖4所示。③裝藥過程：將導(dǎo)爆索插入孔底加強裝藥內(nèi)，并將插入端朝向孔內(nèi)，用炮棍將加強裝藥推入孔底，然后將正常裝藥段第一節(jié)藥放入孔口，用炮棍將第一節(jié)藥推入，直到“第一節(jié)藥就位標記”到達孔口位置，即表明第一節(jié)藥就位完畢；用同樣方法將第二節(jié)、第三節(jié)……依次推入孔內(nèi)就位，直到所有裝藥就位完畢。④孔口填塞：采用紙殼對孔口20 ～30cm段進行填塞，以輕堵為主。

L炮棍-炮棍總長度；L-光爆孔鉆孔深度；L1-孔底加強裝藥段長度；L3-孔口填塞長度；L4-炮棍加長段； d-炮棍上控制裝藥間隔的標尺長度圖4　裝藥炮棍示意圖Fig.4　Schematic diagram of charging and tamping bar

4.6主要光爆參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計方法〔5-6〕

(1)爆破器材：炸藥主要選用φ25 ～32mm乳化炸藥；導(dǎo)爆索優(yōu)先選用普通塑料導(dǎo)爆索〔3〕。

(2)光爆孔直徑D：采用該裝藥結(jié)構(gòu)，在未經(jīng)爆破實驗的情況下，鉆孔直徑不宜過大，一般取D=38 ～42 mm。

(3)鉆孔深度L：可根據(jù)爆破設(shè)計需要選取，建議取1.5 ～4.5 m。

(4)光爆孔孔距E：根據(jù)卡魯瑪尾水隧洞爆破實驗及應(yīng)用情況，取E=(9～13)D，建議軟巖取E=40 ～45 cm；中硬巖取E=45 ～50 cm；硬巖取E=50 ～55 cm。

(5)最小抵抗線(光爆層厚度)W：根據(jù)實驗及應(yīng)用情況，取W=(0.8～1.0)E。

(6)線裝藥密度q：根據(jù)圍巖硬度情況，初次選取可按照規(guī)范〔1〕確定q：軟巖70 ～120g/m；中硬巖200 ～300g/m；硬巖300 ～350g/m。根據(jù)多年隧洞爆破經(jīng)驗，建議軟巖25 ～120g/m；中硬巖120 ～200g/m；硬巖150 ～250g/m。

(7)單孔裝藥量Q：Q=qL。

(8)孔底加強裝藥量Q1：軟巖可選用φ25 mm乳化炸藥，取Q1=100 ～150g；硬巖選用φ32 mm乳化炸藥，建議中硬巖取Q1=150 ～200g，硬巖取Q1=200 ～250g?？椎准訌娧b藥相應(yīng)長度為L1。

(9)正常裝藥段總藥量Q2：Q2=Q-Q1。

(10)正常裝藥段單節(jié)裝藥重量G：主要選用φ25 ～32 mm乳化炸藥，優(yōu)先選用φ25 mm乳化炸藥。通常將一整只乳化炸藥切割成幾節(jié)，正常裝藥段裝藥規(guī)格一般取G=100 g/節(jié)，其相應(yīng)長度為d2。

(11)正常裝藥節(jié)數(shù)n：n=Q2/G，可按四舍五入原則取整數(shù)。

(12)填塞長度L3：周邊光爆孔一般采用柔性材料輕堵，并且不宜過長，否則易出現(xiàn)孔口“掛簾”現(xiàn)象，建議取L3=20 ～35 cm。

(13)正常裝藥段長度L2：L2=L-L1-L3。

(14)炮棍正常裝藥間隔標尺長度d：d=L2/n。

(15)正常裝藥間隔距離d1：d1=d-d2。

(16)網(wǎng)路連接：為了保證周邊光爆孔同時起爆，進一步提高光面爆破效果，周邊光爆孔孔外統(tǒng)一采用導(dǎo)爆索連接，相應(yīng)段位非電毫秒雷管起爆。

4.7實驗結(jié)果

在卡魯瑪尾水隧洞的8#、9#、10#三條施工支洞及主洞開挖中，在沒有竹片綁扎光爆藥串和無專用光爆炸藥的條件下，針對光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)，按不同圍巖類別，分階段進行了裝藥結(jié)構(gòu)改進爆破實驗，均取得了較為滿意的光爆效果，如圖5所示。

圖5　光爆效果Fig.5　Smooth blasting effect

光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)實驗效果統(tǒng)計情況如表2所示。根據(jù)國內(nèi)水工規(guī)范〔1〕：光面爆破的半孔率是炮孔殘留半孔數(shù)與周邊孔數(shù)之比的百分數(shù)，因此，表2中的半孔率統(tǒng)一按照這一方法計算。

5　結(jié)論

(1)針對烏干達卡魯瑪尾水隧洞開挖爆破施工中，綁扎光爆藥串的竹片難于買到，沒有專用光爆細藥卷的實際情況， 在直徑為φ42mm的周邊光爆孔

表2　光爆效果統(tǒng)計

內(nèi)，按照不同類別的圍巖，進行了改變傳統(tǒng)的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)實驗，爆破實驗及實際應(yīng)用表明：這種光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)的改進是非常成功的，在孔徑為φ42mm的周邊光爆孔內(nèi)，使用導(dǎo)爆索完全可以起爆處于自由狀態(tài)、未綁扎，按照設(shè)計間距分布的φ25 ～32mm間隔裝藥，并且穩(wěn)定性較好，能滿足光面爆破要求，成功地解決了在只有導(dǎo)爆索及常規(guī)藥卷的條件下的光面爆破問題，改變了光面爆破傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥方法，形成了一種新的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)，使線裝藥密度的控制更加容易，裝藥方法更加簡便。

(2) 使用條件。①光爆孔必須是水平孔或傾角較小，炸藥能在孔內(nèi)穩(wěn)定放置，不產(chǎn)生滑動。②光爆孔直徑要求≤42mm；孔深不宜大于4.5m。③孔外采用導(dǎo)爆索連炮，以確保周邊光爆孔同時起爆。

(3) 注意事項。①每茬炮嚴格按照爆破設(shè)計布設(shè)周邊孔，確?？孜婚_口的準確性，要求開孔偏差在3cm以內(nèi)。②嚴格控制周邊孔鉆孔外偏角〔8〕，要求鉆孔作業(yè)時鉆機一直保持緊貼巖面鉆進。③確保周邊孔相鄰兩孔的鉆孔平行度，如圖3(b)所示；每一鉆孔區(qū)域建議先鉆一標準孔，將外徑為φ25mm細鋼管或鉆桿插入孔內(nèi)作為參照，相鄰周邊孔鉆孔時，邊鉆孔邊將細鋼管或鉆桿向標準孔內(nèi)推進，隨時保持正在鉆孔的鉆桿與標準孔內(nèi)細鋼管(或鉆桿)平行。④嚴格按照爆破設(shè)計要求的裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量進行裝藥，未經(jīng)設(shè)計人員允許，不得隨意增減藥量。⑤根據(jù)圍巖變化及光爆效果情況，及時調(diào)整光爆參數(shù)。

6　應(yīng)用情況

截止2016年5月8日，尾水隧洞1#、2#主洞全線貫通，采用改進后的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)，完成了8#、9#、10#三條施工支洞的II、III、IV類圍巖開挖共計2 163m；通過三條施工支洞進入主洞，形成了10個開挖爆破作業(yè)面，完成了主洞開挖共計17 298.13m，所有開挖洞段光面爆破效果良好，主洞開挖光面爆破半孔率均在90%以上，開挖面規(guī)則、平整，體型良好，有效控制了隧洞超欠挖，根據(jù)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均超挖在10cm以內(nèi)，從而有效降低了開挖成本。

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Improvementandapplicationofchargingstructureofsmoothblastingintunnelexcavation

YANGYu-yin，CHENChang-gui，HUANGHao，HUANGYong，LIUZhi-hui，ZHANGJian-peng，ZHANGYong-qiang，LIAOZhi-hua

(SinohydroBureau5Co.,Ltd.,Chengdu610066,China)

Therewasnospecialthincartridgeexplosives(φ20 ～22mm),bamboowasdifficulttobuyandthecartridgeexplosiveswerenotbindingtodetonatingfuseduringtheAdit-8,Adit-9,Adit-10tunnelconstructioninUgandaKarumaHPPTRTProject.Inordertosolvetheissues,aseriesofimprovementexperimentsofsmoothblastingchargingstructurewereconducted.Thenormalcartridgeexplosives(φ25 ～32mm)wereusedwithoutbindingtodetonatingfuse,butdeckchargingdesignedaccordingtolinechargeconcentrationwassuccessfullydetonatedbydetonatingfuseinthesmoothblasthole.Theidealsmoothblastingeffectwasachieved.Theexperimentandapplicationindicatedthatdeckcharginginacertaindistance(>50cm)withdetonatingfuseinφ42mmsmoothblastholecouldbedetonatedbydetonatingfuse,evencartridgeexplosiveswerearrangedrandomlyandnotbindingtodetonatingfuse.Thetraditionalcartridgeexplosiveprocessingmethodwassimplifiedandthetraditionalchargingstructureofsmoothblastingintunnelexcavationwaschanged.

Tunnel；Excavation；Smoothblasting；Chargingstructure；Deckcharging；Detonatingfuse

1006-7051(2016)04-0072-05

2016-01-25

楊玉銀(1968-)，男，教授級高級工程師，主要從事地下工程及土石方明挖施工爆破、安全管理工作。E-mail： 752153592@qq.com

TD854.2

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.015