滇中引水工程昆明1、2标输水隧洞石方洞挖光面爆破优化设计

摘要：昆明1、2标输水隧洞围岩主要特征为围岩完整性差；硬岩较破碎，主要呈碎裂状、碎块状结构；软岩抗压强度低，节理裂隙发育，自稳性差，深埋地质构造带收敛变形大。为保障断面开挖成型质量，开挖过程严格周边孔、内圈孔爆破设计；对于辅助孔、掏槽孔，根据围岩岩性与地质条件，不断优化调整爆破设计，使爆破理论与实践经验相结合，尽可能加快施工进度，节约开挖成本投入。本工程通过辅助孔、掏槽孔优化调整爆破参数，极大减少爆破钻孔数与炸药耗量，取得了显著的经济效益与社会效益，施工经验值得借鉴。

关键词：输水隧洞；石方洞挖；光面爆破；优化设计

1.地质概况

昆明1、2标输水隧洞开挖揭露白云岩主要为碎裂结构；砂岩为碎块状结构或节理裂隙密集发育；页岩、泥岩（夹粉砂岩）具有抗压强度低、自稳性差、遇水易塌方与深埋构造带收敛变形大等显著特点；变质岩主要为板岩，抗压强度低，为薄层至中厚层状，节理裂隙发育。本工程洞挖围岩主要特征为围岩完整性差；硬岩较破碎，主要呈碎裂状、碎块状结构；软岩抗压强度低，节理裂隙发育，自稳性差，深埋地质构造带收敛变形大。洞挖成型质量差，炸药单耗低。

2.开挖方法

本工程引水隧洞设计为马蹄形断面，最大开挖断面9.92×10.58m，面积89.737m2。根据围岩地质条件普遍较差，隧洞开挖成型质量差，深埋不良地质洞段收敛变形大的显著特点，Ⅲ类围岩采用全断面法开挖，每循环设计进尺3～3.5m；Ⅳ类围岩主要采用两台阶法开挖，每循环设计进尺1.2～2.4m；Ⅴ类围岩采用三台阶预留核心土法开挖，每循环设计进尺0.5～1.4m。开挖过程需充分考虑收敛变形影响，根据施工经验，一般洞挖断面放大0-10cm；深埋软岩洞段放大10-20cm；深埋地质构造带受地应力及不利岩层走向影响，收敛变形一般达20cm，局部收敛达40cm，甚至60cm以上，一期支护后需进行逐榀换拱与欠挖处理，极大增加工程投资，需根据实际变形情况进一步放大开挖断面。为了保障施工安全，每台阶开挖完毕立即跟进一期支护。

3.爆破设计

鉴于本工程白云岩主要为碎裂结构，砂岩为碎块状结构或节理裂隙密集发育，页岩、泥岩（夹粉砂岩）与板岩抗压强度低；围岩整体较破碎，节理裂隙有岩屑或泥质充填，垂直于层理裂隙发育，爆破抛掷效果好，岩渣主要呈小碎块状、细粒砂状，大块岩体极少，以上围岩条件为爆破掏槽孔、辅助孔（主爆孔）优化设计创造了有利条件。为保障爆破洞室成型稳定，合理控制超挖量，防止掉块与塌方，切实保障施工安全，合理加快施工进度，根据开挖揭露围岩条件，结合超前地质预报、爆破钻孔加强掌子面围岩地质研判，借鉴成熟爆破设计经验，适时对开挖进尺、开挖台阶设置、周边孔、辅助孔钻孔深、孔间距、排距、最小抵抗线及装药结构进行优化设计。

钻爆参数选择：

（1）火工材料选取。根据常用的火工品比较，使用φ32乳化炸药（底孔、周边孔φ25）。该类炸药主要性能为药卷密度0.95-1.25g/cm³，殉爆距离≥3cm，猛度≥12mm，爆速≥3200m/s，爆力≥320mL。雷管采用非电毫秒导爆雷管，连接击发管击发针引爆。为提高光面爆破效果，周边眼采用导爆索实现不耦合间隔装药。非电毫秒导爆雷管共采用1～13号奇数段位。

（2）掏槽方式。根据断面尺寸及围岩特性采用楔形掏槽，掏槽位置选择在隧洞中线偏上位置。经过不同围岩爆破生产性试验充分验证，本工程Ⅳ类及偏差围岩一般不需单独设置掏槽孔，以第1段辅助孔向中心倾斜加深炮孔即可实现掏槽效果。

（3）炮眼布置。参数见下表。

周边眼布置在周边轮廓线上，钻眼时稍向外张，外插角控制在3°～5°以减少超挖；

内圈眼布置在周边眼抵抗线的边缘，内圈眼的孔距稍大于周边眼抵抗线（W）；

辅助眼炮孔间距，视岩性、岩石坚硬程度、围岩破碎程度、装运手段等因素而定，一般取1.0～1.5m，岩石坚固取小值，反之取大值（施工过程根据爆破效果不断优化调整掏槽孔、辅助孔孔位布置与装药量，可极大减少钻孔数与爆破耗药量）；

底板眼（底孔、周边孔）布置在设计底板高程以上5cm，因延时后最后起爆，临空面充分，较少药量即可起到翻渣抛掷效果。

（4）装药结构与单耗。

1）原理论设计装药结构与单耗

Ⅲ类围岩洞段周边眼间距0.5～0.55m，线装药集中度q0.2～0.3kg/m，钻孔总数158个，炸药单耗1.49kg/m³；

Ⅳ类围岩洞段周边眼间距0.45～0.5m，线装药集中度q0.15～0.2kg/m，钻孔总数174个，炸药单耗0.98kg/m³；

Ⅴ类围岩洞段周边眼间距0.45m，线装药集中度q0.12～0.15kg/m，钻孔总数198个，炸药单耗0.71kg/m³。

2）实际装药结构与单耗

Ⅲ类及Ⅳ类偏好围岩洞段周边眼间距0.5～0.55m，线装药集中度q0.2～0.3kg/m，钻孔总数123～137个（辅助孔显著减少），炸药单耗0.9～1.2kg/m³；

Ⅳ类偏差、V类一般围岩洞段周边眼间距0.45～0.5m，线装药集中度q0.15～0.2kg/m，钻孔总数85～111个（辅助孔显著减少），炸药单耗0.45～0.85kg/m³；

Ⅴ类软岩洞段、特殊不良地质洞段采用局部松动爆破+机械开挖，总耗药量25～50kg。

（5）关于掏槽孔、辅助孔爆破设计的说明。在破碎岩层，无需严格掌子面中心掏槽孔设计布置，可通过第1段辅助孔倾斜加深钻孔，在爆轰波及重力作用下实现掏槽效果；辅助孔间排距一般取1.0～1.5m，岩石坚固取小值，反之取大值；在软岩破碎地层，当第1段辅助孔爆破形成自由面，并向两侧依次爆破形成扩大自由面，其上部辅助孔、下部抬炮孔可根据爆破效果优化减少布置，实现在保障爆破效果前提下显著减少辅助孔钻孔数、节约炸药与非电管、减小炸药单耗与加快开挖进度的目的。

4.经验总结

本工程通过辅助孔、掏槽孔优化调整爆破参数，极大减少爆破钻孔数与炸药耗量，单循环开挖节约时间约1.3h，节约开挖成本投入约35%，取得了显著的经济效益与社会效益，施工经验值得借鉴。

参考文献

[1] 再生混凝土衬砌输水隧洞结构动力响应数值分析[J]. 宋涛.水利技术监督，2021（01）

[2] 引水隧洞施工减震措施数值模拟与优化设计[J]. 章文.水利技术监督，2020（01）