一种特大断面地下洞室中层开挖爆破技术

一种特大断面地下洞室中层开挖爆破技术

钱吉磊

中铁二局集团有限公司四川成都610091

摘要：在特大断面洞室爆破中，为了保护洞室边墙岩体，提高爆破成型质量，通常在爆破部分与边墙分界处预先钻孔进行预裂爆破，形成一条裂隙，然后再进行掘进爆破。

关键词：地下洞室；特大断面；预裂爆破

1工程项目概况

1.1工程概况

锦州地下水封洞库设计库容300×104m3，共设有8条断面19m×24m，长934m（里程：STA0+00.0～STA9+34），东西走向的储油洞室，洞室埋深80m，拱顶标高为-56m，洞底标高为-80.0m，洞型采用三心拱直墙型，底部设宽1m×高3m的切角。相邻两条储油洞室作为一组储油洞罐，每组洞罐的2条储油洞室顶部和底部各设二条断面8m×8m的连接巷道互相连通，上部连接巷道位于-64.0m处，将洞室分为东西两侧，东侧长225.04m，西侧长700.96m。下部连接巷道位于洞室东端底部，与施工巷道也同样通过连接巷道互相连通。

1.2工程地质

工程场区附近没有活断层和区域断层分布。根据岩芯钻探情况并结合地表测绘资料，场区中粗粒花岗岩岩体中穿插着辉绿岩、细晶岩、角闪闪长玢岩等岩脉。在岩脉侵入部位，由于热液蚀变作用，节理发育，造成岩脉和接触带附近的花岗岩一般较为破碎。岩脉的走向、倾向及倾角与节理基本一致，走向以NNW和NNE走向为主。

实测库区地温范围为11.69～12.51℃。

通过对库区41个钻孔Q值计算统计，在储油洞室位置（标高-50～-80m）段岩体Q值一般大于10，岩体质量好～很好，在节理密集带、岩脉发育带及其影响带岩体质量为一般～很差。

1.3水文地质

场区内地下水主要分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。从基岩地区看，主要分为全强风化带中的网状裂隙水和其下的脉状裂隙水。裂隙为构造裂隙、成岩裂隙和风化裂隙。本区网状裂隙水发育深度大多在30m以内。其下脉状裂隙水直接接受网状裂隙水的补给。地下水富水性不均，单井出水量小于100m3/d，水质为氯化钠型和重碳酸钠型水。

场区内地下水的主要补给方式是大气降水垂直渗入、邻区高水位地下水的径流补给。场区地下水的排泄主要表现是向区外径流排泄、大气蒸发及人工开采。场区地下水动态（水位）主要受区域水文、气象条件的影响和控制。

1.4开挖方案

主洞室上层开挖高度8.0m，待上层东侧及下部连接巷道开挖完成验收合格后，从STA8+68里程向东人工打斜孔及平孔按照13.8%坡度下坡开挖至STA9+26，接着采用台车平坡开挖STA9+26～STA9+34段，并对STA8+68～STA9+34已开挖段进行系统支护；支护完成后从下部连接巷道STA9+26里程向西平坡开挖12m，再按照13.3%的坡度上坡开挖至STA8+68里程，分上下层对中层和下层进行开挖。

中层开挖高度为12m，边墙先采用潜孔钻钻预裂孔，进行爆破预裂，再从顶部采用液压钻机钻竖孔，结合潜孔钻钻水平孔，一次全断面进行爆破开挖；下层4.1m（包括0.1m厚垫层）由人工持YT28凿岩机或台车水平钻爆开挖，待中层开挖超过100m～200m后进行施工。系统支护由三臂凿岩台车＋机械手进行。

2施工方法和技术措施

主洞室中层采用潜孔钻、液压钻打竖孔，结合潜孔钻打水平孔进行开挖，无轨运输出碴。实施钻爆法开挖，周边实施预裂控制爆破。中层开挖高度为12m，全断面一次开挖，下层4.1m（包含10cm垫层）采用YT28凿岩机人工或三臂钻孔，与上半部同时跟进，循环进尺中层计划为7～10m，下层为4～6m。

图1：储油洞室中层方案一爆破开挖示意

2.1主洞室中层开挖施工工艺

中层先在两边墙及底板采用潜孔钻机钻预裂孔，进行预裂爆破，再采用液压钻机钻竖直孔，潜孔钻配合钻水平孔开挖爆破，再施做系统支护。其施工流程可参照图2

图2：主洞室中层开挖施工流程图

2.2施工控制要点

施工时由人工开挖、挖机装碴、自卸汽车运碴，以尽量缩短循环时间，各道工序在保证安全情况下应尽可能平行交叉作业，提高施工进度；在上半部开挖一定长度后，下半部跟进钻爆；初期支护应严格按照设计及时施做；采用预裂爆破进行开挖。

2.3爆破设计及工艺

2.3.1预裂孔及缓冲孔钻爆设计

为降低主爆炮孔组的爆破地震效应，提高保留区岩石壁面的稳定性，因此预裂孔应先于主炮孔施工爆破。

a）孔径：预裂爆破的炮孔直径，根据钻机设备条件和石质情况选定，以40～100mm为佳，硬岩可选用大孔径，花岗岩取90mm。

b）孔深与超深：确定预裂孔深度的原则是确保不留根底和不破坏台阶底部岩体的完整性。当孔径=50～100mm时，预裂爆破的台阶高度（一次开挖的深度）取=5～15m，根据现场情况取12m；一般预裂孔的超深应大于主爆炮孔底部的垂直向破裂半径根据经验取=1.0m，=+。

c）孔距：预裂爆破的孔距裂，按公式裂=计算，式中—孔距计算系数，通常=7～12，取10，裂=0.9m。

d）装药量：预裂孔预裂爆破孔的线装药密度q裂和炮孔装药量Q裂，可按下列公式计算。

式中裂—预裂爆破单位面积耗药量（/），花岗岩取0.36～0.54/；

裂—预裂孔间距90cm。

现场取=0.54×0.9×13≈6.4，底部加强装药1，因此单孔装药7.4。

e）不偶合系数：

根据经验公式：；=2～5

--钻孔直径，90mm（成孔）；---药卷直径，选用药卷直径为φ32mm；=90/32=2.8。

f）堵塞长度：堵塞长度同炮孔直径有关，通常可取炮孔直径的12～20倍，取1.5m，采用黏土或细砂混合物堵塞；

g）装药长度：=-=13-1.6=11.4m；

h）装药结构：

1）孔口用炮泥封堵药包，堵塞长度为1.6m，部分堵塞长度根据实际情况相应调整为1.5m～2.5m。

2）采用绑竹片，空气间隔装药，导爆索串联。

3）预裂爆破孔底1.0～2.0m为加强装药，靠孔口填塞段的2.0m减弱装药，具体布置如图3。

j）起爆方式：爆破网络采用非电导爆管网络系统，排间微差或孔间微差顺序起爆。

2.3.2主爆孔爆破设计

a）底盘抵抗线：=≈2.0m

-每米炸药重量，d=90mm时根据经验取3.0；

-钻孔深度，10m；

-装药长度系数，H≤10m时，T=0.6；

-炸药换算系数，乳化炸药e=1.0；

-炸药单耗，0.59

-药包临接系数，m=0.6～1.4，通常取0.70～0.85；

-梯段高度，取9.5m；

b）炮孔间距：=（1.0～1.5），取3.0m；

c）炮孔排距：=（0.8～1.0），梅花型布孔时取2.5m；

d）钻孔深度：=9.5+0.5=10m；

式中：—梯段高度，取9.5m

—孔底超深，=（0.1～0.3），取0.5m。

e）堵塞长度：取1.5m，采用黏土或细砂混合物堵塞；

f）装药长度：=10-1.5=8.5m；

g）单孔装药量：，最大单孔装药量35.4≈36.0；

式中：—炸药单耗，取0.59；

—钻孔间距取3.0m

—底盘抵抗线，取2.0m

—钻孔深度，取10.0m

h）装药结构：

缓冲孔：导爆索装药结构，如图5所示。

图5：导爆索装药结构示意图

掘进眼、水平孔、改炮孔：连续装药结构，如图6所示：

图6：连续装药结构示意图

除缓冲孔外，其余炮孔均使用炸药雷管一次性装入孔底的方式。炮孔内使用

导爆管雷管，簇联后每二十根导爆管使用二发雷管引爆。炮眼起爆顺序为：掘进眼→辅助眼→预裂孔→底眼。应选用多段毫秒导爆管。

施工中选用直径70mm的乳化炸药，采用连续-间隔装药结构。从孔底至上装药结构为，孔底放两节底药、1#毫秒管（2个1#段接长至孔外）、炸药10节、堵塞1.0m、炸药5节、堵塞2.0m。图4为主洞室中层主爆区钻爆设计图，岩层较差地段根据现场围岩情况参照该爆破设计图，缩短开挖进尺，减小布孔间距，减少装药量。

i）起爆网络：

网络连接方式，孔内非电毫秒导爆管分组簇联；孔外用2发1ms非电毫秒导爆管与连接起爆器与簇联网路联结；1发1ms非电毫秒导爆管与所有簇联组联接后形成起爆网络。

j）预留光爆层厚度：=12/（0.5～0.8），即1.2m；

k）起爆方式：主爆区采用梯形爆破；

2.3.3预裂孔与相邻主爆孔应符合下列关系：

a）两者应有一定距离，距离值与主爆孔药包直径及单段最大起爆药量有关，

可依照下表取值：

b）预裂孔深度不应小于主炮孔爆破的破坏深度。

c）预裂孔向两端的延伸长度应超出主爆破时地表的破坏范围。

d）预裂孔和主爆孔在同一网络中起爆时，预裂炮孔超前主炮孔起爆的时间应不小于：坚硬岩石50～80ms，中等坚硬岩石80～120ms，松软岩石150～200ms。

3钻爆质量控制措施

施工工艺流程及施工工序：测量放样—标出孔位—钻孔—装药连线—起爆。

3.1炮孔定位

钻眼前由主管技术人员确定围岩的地质情况，现场适当调整爆破参数，由测量人员提前埋设钻孔方向标志，定出开挖面中线；水平线和断面轮廓；标出炮眼位置，钻机就位后检查符合设计要求后方可钻孔施工；

3.2钻孔施工

采用分区定人定岗的钻孔方法，为了尽量减小开孔误差，提高钻孔精度，在开钻前由测量组使用全站仪精确测设开挖线及钻爆孔位，特别是对预裂孔严格控制，钻孔过程中采用全站仪和水平尺对钻孔精度进行核查校正。

图5主爆区爆破孔钻孔

图6预裂孔钻孔

3.3炮孔检查

钻孔完毕，由技术室按炮眼布置图检查，并做好记录，不符合要求要重新钻眼，经检查合格后才能装药。

图7主爆区爆破孔精度检查图8预裂孔爆破孔精度检查

3.4装药施工警戒

为了现场机械设备及施工人员的安全，装药区范围内必须设安全警戒，并进行现场清理工作。

3.5炮孔装药

装药由专业技术人员指导，由熟练的爆破工持证上岗作业。装药前用高压风吹孔，将炮孔泥砂吹净，由专业爆破作业人员将炸药送到相应的孔位，放好雷管；在安全员，领工员监检下按拟定方案要求进行装药作业。堵塞用木质炮棍填塞炮泥，严禁使用铁器冲击炮孔内药包，雷管。

图9预裂孔爆破孔装药图10主炮孔爆破孔装药

3.6联管

以上工作全部完工后，由有经验的操作人员联网，经反复检查，不漏连，错连，确保起爆网路符合设计要求。

图11主爆孔连管图12预裂孔爆破孔连管

4爆破安全保证措施

4.1爆破安全现场管理

4.1.1爆破施工作业前，施工现场成立爆破指挥部，爆破技术人员、爆破员及监炮员由现场爆破指挥部统一协调指挥。

4.1.2爆破施工技术员、爆破员必须持公安部门颁发的安全作业证上岗，禁止操作员无证上岗。

4.1.3现场钻孔完毕后，即进行炮孔装药，禁止钻孔与装药平行作业。爆破员装药过程，爆破作业现场禁止使用移动式无线发射装置，禁止无关人员进入爆破现场。

4.1.4爆破器材使用前由爆破员进行检测，电雷管采用专用雷管检测电表检测；导爆管雷管检查导爆管壁涂层是否有不均匀，断药处。剔除不合格爆破器材。

4.1.5爆破警戒区必须有明确标志，爆破警戒人员必须佩戴警戒标志（袖章、红旗、口哨），爆破警报拉响后，爆破警戒人员对施工便道进行临时车辆禁行，待警报解除后方可通行：

a）第一次警报：准备起爆，施工现场设备迅速撤离或加强防护，人员撤离至200以外安全地带，爆破员进行爆破网路最后检查。

b）第二次警报：施工现场设备撤离或加强防护，人员撤离至200以外安全地带，爆破员点响信号炮，起爆爆破网路。

c）第三次警报：解除警报，爆破员及爆破技术人员进入施工现场，检查处理盲炮和危石。处理完成后，施工人员进入施工现场恢复施工。

4.1.6爆破起爆前，禁止无关人员进入施工作业现场，爆破员连线要仔细认真，特别是采用非电雷管起爆，导爆管连接规范，不宜太紧。检查网路避免触碰其它网路。确认警戒区无人员，设备已进行有效保护后，由爆破队长发布起爆命令后起爆。

4.1.7起爆后15分钟，在烟尘消散后，由爆破员进入爆区进行爆后检查，对爆区出现的盲炮进行处理，爆破盲炮出现后须待爆破员在爆破工程技术人员指导下进行，针对具体情况作如下处理。

a）对盲炮网路连线完好，经检查最小抵抗线变化较小，经爆破工程技术人员确认，重新连线，加大警戒范围，增强安全防护重新起爆。

b）出现个别盲炮，在爆破技术人员指导下，爆破员采用竹片掏出炸药，小心取出雷管，或者采用压力水、风远距离冲出炮泥、炸药，取出雷管，雷管取出后要妥善销毁处理。

c）无法取出雷管、炸药的孔采用距盲炮孔30～60cm钻平行孔，装小药量殉爆，特别注意，钻孔要垂直，避免与盲炮孔斜交。

4.1.8爆破员对爆区盲炮处理后，由专职安全员对爆区危岩进行处理，确认无危岩后，解除爆破警戒，施工人员人员及设备才能进入警戒区进行作业。

4.1.9为保证爆区内人员、设备的安全，爆破警戒区所有人员、设备必须服从警戒人员指挥。

4.1.10实行爆破安全紧急预案，爆破施工作业前，由爆破指挥部对爆破设计方案进行论证，爆破安全措施进行桌面演练，确保爆破安全措施后方可进行爆破作业。

4.1.11实行爆破事故责任追究制度，对出现的爆破事故采取“四不放过”原则，追究当事人责任。

5爆破效果分析评价

图13预裂孔爆破效果图

图14主爆孔爆破块径效果图

爆破后对于硬质花岗岩爆破效果分析如下：

a）爆破后围岩稳定无剥落现象。

b）爆破后围岩扰动深度小于0.5m。

c）平均线性超挖量小于10cm。

d）炮眼痕迹保存率大于80%。

e）增加改炮孔后，爆破岩石块体均匀，大块体（边长＞1.0m）较少。

在爆破效果分析上资料方面由测量利用莱卡全站仪对爆破成型后的断面进行轮廓测绘，并对照设计轮廓线进行电脑制图分析；现场上由专业人员对爆破后围岩稳定情况及炮眼痕迹保存率进行统计，确定是否达到预期效果，若效果不佳，应及时分析原因，调整钻爆参数，提高现场爆破成型质量。

结束语

通过开挖特大断面地下洞室中层揭示，开挖施工过程中通过对预裂孔及主爆孔的测量放线、钻孔、装药、起爆等工序及爆破参数的合理掌控，最大限度克服地质条件等不利客观因素，从而解决大断面开挖中，边墙平整度及超欠挖问题，取得了预期的爆破效果。

与普通爆破相比较，大断面地下洞室中层爆破与预裂爆破相结合的优点是很明显的：

1.爆破成形规整，符合设计轮廓，特别在松软岩层中更能显示出预裂爆破的作用。预裂爆破后通常可在新形成的壁面上残留清晰的半边孔壁痕迹，超挖量大为减少。因此预裂爆破可大大的节省开挖、回填、支护等工程量和费用。

2.主爆孔采用竖孔爆破，钻孔工序可与出碴工序同步进行，较大的减少了作业循环时间，提高了工程进度，缩短了工期。

3.爆破后岩面光滑平整，肉眼几乎看不到爆破裂隙，原有构造裂隙也不因爆破影响而有明显的扩展，可保持围岩的整体性和稳定性，因而可有效地保证施工安全，为快速施工创造了条件。

4.爆破后岩壁平整，岩面上应力集中现象减少，在深埋岩壁表面可以减少岩爆的危险。

5.配合锚喷支护，预裂爆破使开挖面平整、准确，便于锚喷成形，并减少回弹量。

参考文献：

［1］汪旭光爆破手册北京：冶金工业出版社，2010.10

［2］锦州国家石油储备库工程项目施工图设计

［3］浅谈露天开挖中预裂和光面爆破技术的应用条件，杨云玫汪金元《工程爆破》1996第4期