某隧洞工程基坑開挖爆破設(shè)計(jì)探討

張惠蘭

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 工程概況及地質(zhì)條件

某隧洞施工設(shè)置5#和8#兩處豎井：5#豎井在隧洞70+900位置，設(shè)計(jì)開挖深度約81m，圓型斷面，且豎井成型后直徑達(dá)6.6m；8#豎井在隧洞85+000位置，設(shè)計(jì)開挖深度74m，也為圓型斷面，豎井成型后直徑與5#豎井直徑相同；5#和8#兩處豎井均設(shè)置在輸水隧洞軸線上。

5#施工豎井工程地表分布厚度0.5-1m的第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積含礫粉土層，下伏基巖主要為巨厚層狀的下白堊統(tǒng)土黃-紅黃色泥巖，局部夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和少量泥質(zhì)砂礫巖，巖層產(chǎn)狀300°NE∠3°，斷層和節(jié)理裂隙均不發(fā)育，地下水埋深23.6m，巖性極軟，強(qiáng)風(fēng)化層和弱風(fēng)化層厚分別為3-5m和13-15m，屬于Ⅴ類圍巖。豎井段地層缺乏自穩(wěn)能力，較易產(chǎn)生塑性變形。地表以下基巖巖性主要為巨厚層狀上侏羅統(tǒng)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，巖層產(chǎn)狀300°NE∠13°，斷層和節(jié)理裂隙均不發(fā)育，地下水水位埋深23.6m，且洞身多處于地下水以下，主要表現(xiàn)為滲水、滴水為主的病害形式，局部甚至存在線狀流水，所估算的該豎井段總涌水量30m3/h，且地下水對(duì)該段混凝土具有較強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)也具有中等腐蝕性。該段豎井整體缺乏自穩(wěn)能力，產(chǎn)生塑性變形的可能性較大。

8#施工豎井工程地表為第四系上、全新統(tǒng)洪積碎石土層，碎石含量30%-40%，呈棱角狀，塊徑0.5-1.5cm為主，為V類圍巖。地表以下為新近系泥巖，局部夾泥質(zhì)砂礫巖、泥質(zhì)砂礫巖，巖層產(chǎn)狀300°NE∠3°，強(qiáng)風(fēng)化層厚3-4m，弱風(fēng)化層厚12-15m。泥巖的天然含水率為10.0%-17.0%，飽和含水率為14.3%-19.7%，天然密度2.05-2.15g/cm3，干密度1.85-1.94g/cm3，飽和密度2.15-2.23g/cm3；該段泥巖的自由膨脹率一般為40%-67%，屬弱膨脹巖。該段地下水埋深一般為11m，洞身處于地下水以，洞底以上巖體內(nèi)局部存在薄的微承壓含水層，該段以滲水、滴水為主，局部洞段存在線狀流水或小的涌水現(xiàn)象，估算該隧洞段總涌水量約為198m3/h，該段圍巖屬極軟巖，為Ⅴ類圍巖，大多洞段自穩(wěn)能力差，易產(chǎn)生塑性變形。

2 基坑開挖爆破設(shè)計(jì)

2.1 主要爆破方式

根據(jù)實(shí)際圍巖揭露位置及設(shè)計(jì)要求，某隧洞5#和8#豎井石方開挖通過開溝、拉槽爆破方式進(jìn)行。巖石明挖則按照梯段微差擠壓爆破進(jìn)行，開挖邊線有形體結(jié)構(gòu)要求時(shí)根據(jù)圍巖揭露厚度及巖石級(jí)別分別采用光面、預(yù)裂爆破技術(shù)，厚度較小且較為松動(dòng)的巖石采用液壓破碎錘配合風(fēng)鎬直接開挖。石方建基面以上留出厚度1.0-2.0m的保護(hù)層，并通過手風(fēng)鉆或風(fēng)鎬開挖。石方開挖前必須進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)，并在施工前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，調(diào)整和修正鉆爆參數(shù)，保證爆破施工效果。

2.2 預(yù)裂爆破參數(shù)

預(yù)裂孔采用QZJ-100B鉆機(jī)按照Φ90mm的直徑鉆進(jìn)，孔深一般≤8m，保護(hù)層開挖鉆孔孔距控制在0.8-1.0m范圍，在鉆孔施工前，進(jìn)行邊坡開挖線的精確測(cè)量，并通過紅色油漆將預(yù)裂孔孔位標(biāo)出。預(yù)裂爆破所采用的Φ32mm乳化炸藥按照相等間隔及2.8的不偶合系數(shù)以不偶合結(jié)構(gòu)裝藥，并在底部0.5-1.0m范圍內(nèi)按照設(shè)計(jì)裝藥量的2-3倍加強(qiáng)裝藥，線裝藥密度控制在300-350g/m范圍，孔口堵塞段長(zhǎng)度1.0-1.2m。預(yù)裂孔裝藥過程中先按照設(shè)計(jì)要求用膠布將藥卷捆綁于竹片后再放置入孔，再用巖屑將孔口封堵密實(shí)[1]。導(dǎo)爆索實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)裂孔的起爆。某隧洞5#和8#豎井巖石明挖預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石明挖預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表

預(yù)裂孔角度按1∶0.3和1∶0.5計(jì)算，當(dāng)一次預(yù)裂長(zhǎng)度無法達(dá)到設(shè)計(jì)開挖底線位置，應(yīng)使預(yù)裂炮孔長(zhǎng)度超出梯段炮孔深度，并將超深值控制在梯段炮孔藥卷直徑的30倍(即1.8m)以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并綜合考慮設(shè)計(jì)坡比(1∶0.75)后適當(dāng)調(diào)整預(yù)裂孔角度。

2.3 梯段爆破設(shè)計(jì)

梯段爆破孔通過潛孔鉆機(jī)鉆孔，按照設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行鉆孔角度的鉆設(shè)，孔深一般控制在8m以內(nèi)，主爆孔間排距按照3.0m×2.0m的尺寸設(shè)計(jì)，并按梅花形布置。主爆孔采用Φ60mm乳化炸藥的連續(xù)不偶合方式裝藥，單耗藥量控制在0.4-0.5kg/m3范圍。為防止爆破過程對(duì)設(shè)計(jì)邊坡造成振動(dòng)破壞，應(yīng)在靠近預(yù)裂面的位置布設(shè)2-3排緩沖孔，并按照其它梯段爆破孔裝藥量的50%-70%控制緩沖孔的裝藥量，在與預(yù)裂面距離1.5m的左右兩側(cè)布孔。梯段爆破采用塑料導(dǎo)爆管連接非電毫秒雷管的微差起爆方式[2]。某隧洞5#和8#豎井巖石明挖梯段爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 巖石明挖梯段爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表

在確定出某隧洞5#和8#豎井巖石明挖梯段爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)根據(jù)施工實(shí)際進(jìn)行梯段高度及其他爆破參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整。梯段爆破孔傾斜角度按照設(shè)計(jì)坡比(1∶0.75)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2.4 保護(hù)層爆破設(shè)計(jì)

保護(hù)層炮孔鉆進(jìn)施工采用YT-28手風(fēng)鉆機(jī)，保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度2.0m，并劃分為三個(gè)開挖層，開挖厚度分別為第一層1.0m、第二層0.8m，第三層撬挖層20cm。撬挖層施工主要通過風(fēng)鎬和撬棍配合完成。以乳化炸藥為主要起爆材料，鉆孔直徑42mm，藥卷直徑32mm，塑料導(dǎo)爆管按設(shè)計(jì)要求與非電毫秒雷管連接后通過微差起爆，巖石保護(hù)層開挖鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 保護(hù)層開挖鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.5 爆破試驗(yàn)

針對(duì)本工程地質(zhì)條件及隧洞5#和8#豎井巖層物理力學(xué)特征，在明挖鉆爆施工前，必須針對(duì)代表性強(qiáng)的區(qū)域展開爆破實(shí)驗(yàn)，并通過爆破試驗(yàn)所獲得的參數(shù)為爆破施工提供依據(jù)，并進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，確保隧洞5#和8#豎井爆破施工取得最佳工程效果。按照《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)的規(guī)定，本工程爆破試驗(yàn)內(nèi)容包括爆破材料性能試驗(yàn)、爆破參數(shù)試驗(yàn)、爆破破壞試驗(yàn)、爆破地震效應(yīng)試驗(yàn)[3]。

3 爆破安全參數(shù)

3.1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度按下式確定：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；W為爆破裝藥量，在齊發(fā)爆破的情況下應(yīng)為總裝藥量，而分段延情況下應(yīng)視爆破時(shí)具體條件取有關(guān)段或最大段的裝藥量，kg，根據(jù)爆破參數(shù)取W=81.2kg；D為爆破區(qū)裝藥量幾何中心與觀測(cè)點(diǎn)、建筑物、防護(hù)目標(biāo)等的距離，m，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及實(shí)際測(cè)量取D=300m；K、a由爆破施工場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、巖性特性、爆破區(qū)相對(duì)位置等所決定的常數(shù)，依據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》SL378-2007，初選取值為K=300，α=1.9。

經(jīng)計(jì)算v=0.095，取值完全符合《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》SL378-2007所規(guī)定的爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度安全值。

3.2 安全距離

進(jìn)行明挖爆破施工時(shí)，計(jì)算并控制一次起爆藥量和飛石距離，保證附近建筑物安全，同時(shí)在起爆前做好附近人員的數(shù)算及警戒工作，在爆破作業(yè)面附近設(shè)置防護(hù)網(wǎng)。爆破沖擊波安全距離由公式(2)確定，個(gè)別分散物安全允許距離由公式(3)確定：

(2)

式中：Rk為空氣沖擊波與爆破掩體內(nèi)技術(shù)人員之間允許距離最小值，m；Q為一次爆破過程中所對(duì)應(yīng)的TNT炸藥當(dāng)量，秒延時(shí)爆破情況下取最大段藥量，毫秒延時(shí)爆破下取總裝藥量，kg，依據(jù)爆破參數(shù)取81.2kg；經(jīng)計(jì)算Rk=108m。

Rf=KqD

(3)

式中：Rf為飛石飛散距離；Kq為安全系數(shù)，取16；D為鉆孔孔徑。經(jīng)計(jì)算Rk=144m。

按照《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014的相關(guān)要求將爆破飛石安全允許距離設(shè)定為300m，均符合爆破施工安全要求。

4 結(jié) 論

某隧洞5#和8#豎井至完工驗(yàn)收，整個(gè)基坑開挖爆破歷時(shí)163d，通過爆破施工方案設(shè)計(jì)、爆破施工過程的精心組織，在保證基坑及周圍建筑物安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧洞5#和8#豎井基坑的安全、快速、高效開挖，成功總結(jié)出一套豎井基坑鉆孔、爆破開挖施工相結(jié)合的施工作業(yè)流程，保證了施工進(jìn)度和施工效率。