浅析隧洞钻爆开挖施工工艺优化

林茂青

【摘 要】为了提高隧洞开挖施工效率,在保证安全质量的前提下加快项目关键线路的施工进度,同时降低施工成本,经现场调研后分别对影响施工效率的因素:如炮孔深度,炮孔间距,装药量,掏槽设计,供风设计等进行了综合分析和深度优化.经实践检验,优化的施工工艺能有效提高隧洞施工的整体效率. 【期刊名称】《价值工程》 【年(卷),期】2019(038)006 【总页数】3页(P115-117) 【关键词】隧洞;炮孔;优化施工;效率 【作 者】林茂青

【作者单位】中国电建市政建设集团有限公司,天津300384 【正文语种】中 文 【中图分类】TV554.1 1 概述

杭州市第二水源千岛湖配水工程施工16标位于浙江省杭州市余杭境内，其隧洞工程包括：桐村输水主洞，全长3221m，其中砼衬段2921m，钢衬段300m，衬后洞径6.7米，设计配水量为38.8m3/s，断面呈马蹄形；桐村输水支洞全长544m，衬后洞径6.7m，断面呈城门洞形；九溪、余杭方向输水隧洞全长约

350m，其中钢管段100m；江南方向输水隧洞全长约300m，其中钢管段约72m。桐村输水主洞上游及桐村支洞为制约项目工期的关键线路。

桐村输水主洞岩性为砂岩、泥质砂岩及泥岩，工程地质条件较差，围岩类别一般为Ⅲ～Ⅳ类，属局部稳定性差～不稳定，部分洞段断裂构造发育，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类。桐村输水支洞岩性为中细粒砂岩夹粉砂岩，洞身段上覆岩体厚度薄，岩体完整性一般，岩性较软，且其产状与洞线交角较小，围岩多为Ⅳ类，稳定性差。 2 影响隧洞掘进工作的因素分析

隧洞施工相较于其他作业面来说，作业环境封闭，空间狭小，对施工人员、机械的作业空间限制较大，空气流通性差。因此，若要提高隧洞施工的工作效率需分析影响隧洞施工效率的因素。列举如下：

①供水、供气、供电系统的排管布线：隧洞空间狭小，各种供给系统的排管布线均受到很大限制。因此，设计合理的排管布线将有利于保证隧洞各工序的顺利进行，大大减少因供给系统维修导致的工期延误。

②钻孔：钻孔质量及孔间距将直接影响后面爆破作业炸药的效力，掘进面的平整度甚至超欠挖的产生。因此钻孔是影响隧洞掘进施工的关键因素。

③爆破：炸药的用量，引爆的方式，雷管段别的选择等都会影响爆破作业的质量，而爆破作业质量的好坏则会直接关系到整个隧洞施工能否顺利进行。因此，爆破是影响隧洞掘进施工的核心因素。

④排烟：隧洞施工作业面封闭，空气流通性差。对洞内的排烟一方面关系到洞内施工人员的职业健康，另一方面也关系到爆破完成后能否及时开始出渣工作。因此，排烟是影响隧洞掘进施工的重要因素。

⑤出渣：隧洞工作空间狭窄，这很大程度上影响了出渣的效率，合理的比选出渣设备及运输车辆可最大限度的提高出渣效率，同时出渣完成后的全面排危工作也是洞内施工人员安全的保障。因此，出渣也是隧洞掘进施工时应认真考虑的因素。

⑥支护：隧洞施工作业环境特殊存在较大安全风险，而支护则是为其余所有工序工作提供安全工作环境的有力保障。因此，支护工作是影响隧洞掘进的安全因素。 根据项目实际情况，隧洞风水电供给系统、出渣、支护工序均能基本满足隧洞掘进施工需求。本文将重点对钻孔、爆破对隧洞掘进施工的影响展开研究探讨。 3 钻孔作业优化分析

炮孔的成型质量受炮孔定位技术、钻孔设备、钻孔工作人员熟练程度等因素影响，是顺利实施爆破作业的基础。以制约项目工期的关键线路——桐村输水主洞上游为例，为减小炮孔残孔率，提高炸药利用率，减少不必要的钻孔以节约单循环时间或避免因钻孔数不够造成欠挖等现象，本文分别对不同炮孔的孔数、孔深、孔间距进行优化分析。

3.1 掏槽方式的选择及布孔

隧洞开挖爆破研究发现，增加掘进掌子面上掏槽面积将大大提高钻孔利用率。增加掏槽面积可以创造更大的掏槽空腔临空面，无论是掏槽环向面积还是掏槽深度都将进一步扩展。这将有利于崩落孔、辅助孔在随后起爆时克服环向和孔底岩石的夹制作用。同时，经现场研究发现，掏槽面积越大，爆破成本也会随之越高，据此，建议掏槽面积占隧洞开挖断面面积的3.5-10%。

根据现场实际情况并综合考虑成本、作业时间、更有利于控制进尺等因素，决定采用内外双排孔楔形掏槽，不设中心掏槽孔。内掏槽孔孔深2.3m，每排4个，孔间距0.5m，与掌子面夹角80°，两侧内掏槽孔排距1.6m；外掏槽孔孔深2.8m，每排5个，孔间距0.5m，与掌子面夹角80°，两侧外掏槽孔排距2.2m；内、外掏槽排距0.3m，呈对称分布。除此之外，为保证掏槽的爆破效果，在掌子面中心轴线上位于掏槽区域的顶部、底部各加1个掏槽孔。 图1 优化后掏槽孔空腔深度示意图 3.2 炮孔数量优化设计

炮孔数量与循环时间、掘进效率、施工成本均有密切关联。炮孔数量过少易造成欠挖，岩石碎块过大影响掘进效率及其他工序耗时；炮孔数量过多会降低炸药利用率，增加施工成本，增加钻孔耗时，降低掘进速度。为克服上述问题，经现场实地调研后，对炮孔数量设计进行了如下优化：N=q·s/（r·n）； q—每立方米炸药消耗量kg/m3，q=0.8-1.4kg/m3； Ⅲ类围岩单耗取0.9kg/m3； s—隧洞开挖面积 m2，s=52.86m2；

n—炮眼装药系数（装药深度与炮眼深度的比值），n=0.55； r—每米长度炸药的重量kg/m，取r=0.88； 得出，N=98（个）。

为保证掏槽效果，增加两个加强掏槽孔，再增加两个周边孔减小孔间距，即炮孔总数N=102（个），炮孔布置如图2所示。 3.3 炮孔深度优化设计

钻孔时随炮孔的深入，岩石的节理、层理、硬度均有可能发生变化，进而可能造成卡钻、偏离等问题，可见钻孔作业时钻杆不是匀速深入的。加之若炮孔较深时，钻杆会发生摇动，在造成能量损失的同时也会对炮孔的精准度造成不利影响。研究人员对现场钻孔作业的单位距离耗时统计如表1。 图2 优化后的炮孔布置图

表1 钻孔作业单位距离耗时统计序号 孔径（mm） 孔深（m） 0～1m耗时（s）1～2m 耗时（s）2～3m 耗时（s）331 310 321孔1孔2孔3 42 42 42 3.5 3.6 3.5 121 119 126 202 192 205

根据现场统计可大致得出，随着钻孔深度增加，钻孔深度每增加1m耗时增加约60%。考虑到炮孔过长会增加掘进循环时间，降低钻孔利用率，增加施工成本。经研究人员现场反复试验论证后得出，若现场作业时间按24小时不间断考虑，Ⅲ

类围岩钻孔深度为2.5m较为合理。 3.4 炮孔间距优化设计

合理的炮孔间距能有助于爆破相邻孔产生的应力波相互作用将爆破区域的岩石从基岩剥离出去。当炮孔间距过大时，相邻孔的应力波之间不能产生相互作用，易导致孔间岩石不能完全震裂、剥离，产生欠挖；当孔间距过小时，相邻孔的应力波之间会相互消耗导致能量浪费增加施工成本。

根据国内外施工经验，隧洞爆破周边孔间距一般为E=（8～18）d（E 为孔间距，d为炮眼直径），该炮眼直径为 d=42mm，考虑到岩石硬度f为6～8，设计取E=70cm。周边孔密集系数K=E/W，其中E为周边孔间距，W为周边孔最小抵抗线。为保证光爆效果，必须保证应力波在相邻两炮孔间的传播距离小于应力波至临空面的传播距离，即E＜W，设计取K=0.92，W=76cm。经现场实地验证，本设计可有效控制光爆轮廓，避免欠挖。 3.5 优化前后的对比

按原设计施工时，Ⅲ类围岩钻孔深度4m，孔数121个，但爆破进尺往往只能达到3m左右。优化后，孔深、孔数减小工时缩减，同时装药量、装药孔数、出渣量都相应缩减进而减少了整体工序的耗时。各工序优化前后耗时对比如表2所示。 表2 优化前后各工序耗时对比3.5 0.5 1工序名称 优化前耗时（h） 优化后耗时（h）钻孔出渣测量爆破55 3 0.5 1.5

由表2得出，优化前各工序总耗时12h，即每天进行2个循环，进尺6m；优化后各工序总耗时8h，即每天进行3个循环，进尺7.5m。施工效率显著提高。 4 爆破作业优化分析

爆破作业的质量、成本控制主要受炸药选择、装药量、起爆网络设计、雷管段别选择、炮孔堵塞长度等因素影响。 4.1 炸药选择

一般情况下，炸药的选择应根据岩石的波阻抗来确定。研究发现，当炸药波阻抗与岩石波阻抗阻挡比值在0.5-2时，同等条件下炸药传递给岩石的能量最多，引起岩石应变最大，对岩石的粉碎破坏最彻底。资料显示，当岩石坚固系数f=6-9时，岩石波阻抗为（10～14）×106kg/（m2·s），而2#岩石乳化炸药密度为1.05-1.25g/cm3，爆速为3500-5000m/s，炸药波阻抗为（3.68～6.25）×106kg/（m2·s），满足要求。 4.2 炸药装药量计算

装药时采用不耦合装药，不耦合系数n=d1/d2=1.2～2.0。d1—炮孔直径，d2—炸药直径。装药系数η=0.45～0.6，岩石硬度大时取大值，反之取小值。单孔装药量计算公式：q=η×L×r，η—装药系数，L—孔深 m，r—每米炸药重量 kg/m，得出不同炮孔的单孔装药量： 4.2.1 掏槽孔

n1—外掏槽孔数，n1=12；n2—内掏槽孔数，n2=8；n3—崩落孔孔数，n3=20；n4—外掏槽孔数，n4=27；n5—外掏槽孔数，n5=27；n6—外掏槽孔数，n6=8。 则可得出，

Q=1.23×12+1.11×8+0.99×20+0.99×27+0.88×27+0.99×8=101.77kg； 对炸药单耗验算：Q=qslη，Q—单循环装药总量；q—炸药单耗；s—掌子面断面面积；l—跑孔深度；η—炮孔利用率。

可得出，q=Q/（s·l·η）=101.77÷（52.86×2.5×0.85）=0.9kg/m3，与设计值相符。

4.3 雷管的选择及起爆网络设计

为保证爆破安全性，起爆选择非电导爆管雷管，且单词起爆的排数不得超过3排，孔内分别使用ms—3，ms—4，ms—5，ms—6，ms—7，ms—8，ms—9，

ms—10，ms—11，ms—12段雷管。孔外使用ms—5非电导爆管雷管延期，采用四通和导爆管连接整个爆破网络，采用爆破专用发爆器起爆。逐排单孔按顺序起爆。

隧洞洞身开挖爆破的依次起爆为：掏槽孔→辅助孔→崩落孔→周边孔→底孔。爆破网络采用簇联形式。

隧洞口至进洞50m段是容易产生爆破飞石部位，也是控制爆破震动的重点部位。爆破时，应控制齐发炮孔少于11个，最大单响药量控制在15kg以内。 4.4 炮孔堵塞

炮孔堵塞质量是在爆破施工中经常被忽视的一个重要的能影响爆破质量的因素。正确的炮孔堵塞能加强孔内炸药化学反应的效率，且有效减少孔口飞石，降低孔口冲击波强度，延缓孔内的爆炸产生气体的作用时长，进而提高炸药能量利用率，提高爆破质量。

炮孔堵塞质量需从堵塞材料和堵塞长度两方面控制：

①堵塞材料：选用最优含水率的砂壤土为宜，制成长度200mm直径适宜的土卷； ②堵塞长度：在控制炮孔堵塞长度时应根据炮孔类别，岩石硬度，炸药猛度等多方面综合考虑。由于掏槽孔在爆破时为第一个引爆，其临空面只有掌子面；崩落孔，辅助孔，周边孔引爆时除掌子面外还有上一个段别引爆炮孔产生的又一临空面，因此，掏槽孔是爆破难度最大的炮孔，堵塞质量要求也最高。除此之外，岩石硬度越大，所需堵塞长度也越大。因此，结合现场施工经验，掏槽孔堵塞长度选择60-80cm为宜，崩落孔、辅助孔堵塞长度选择60cm为宜，光爆孔堵塞长度选择40-50cm为宜。

③堵塞质量：每个炮孔内堵塞的特制土卷必须用炮棍逐个捣实。 4.5 优化前后的对比

经现场实地调研，优化前每循环耗药量约155.06kg，优化后每循环耗药量约

101.77kg，有效降低了施工成本。 5 结语

隧洞施工因空间受限往往会导致各工序衔接不紧密，造成工作效率低下。但只要能结合现场实际情况，找出问题关键点，完善施工工艺，优化施工设计，从细节把控好施工质量，则可显著提升施工效率，创造出良好的经济效益和社会效益。 参考文献：

【相关文献】

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