非爆破技術(shù)在小直徑隧洞開挖中的應(yīng)用

吳偉民

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

摘 要：根據(jù)隧洞開挖對(duì)爆破震動(dòng)控制的特殊要求，結(jié)合工程的施工條件和施工特點(diǎn)，選擇合適的非爆破開挖方法，并對(duì)爆破方案、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理確定施工順序和方法、設(shè)備及材料配置、工程質(zhì)量與安全控制等，確保了工程進(jìn)度和施工安全。圖5幅。

關(guān)鍵詞：非爆破技術(shù)；小直徑；隧洞；開挖

1 概 述

福建省沙縣城南水廠是“福建省重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目”之一，工程主要由水源及取水工程(雙溪水庫)、原水輸水管線工程、凈水廠工程和清水輸配水管線工程組成。水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為近期7.5萬 m3/d，遠(yuǎn)期15萬 m3/d。城南水廠建成后，結(jié)合現(xiàn)有的供水工程，可滿足沙縣城區(qū)工業(yè)及城鄉(xiāng)29.0萬人的生產(chǎn)和生活用水需求。

水廠原水輸水管線工程由供水隧洞、供水管道、出口蓄水池及棄水渠工程組成，其中隧洞出口段鄰近向莆鐵路。為了保證在施工過程中不影響向莆鐵路羅布隧道的正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)不對(duì)鐵路的軌道、電纜槽、接觸網(wǎng)等設(shè)備造成安全影響，根據(jù)南昌鐵路局的要求，必須嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)。然而，一般的爆破震動(dòng)控制技術(shù)只能最大限度地降低爆破震動(dòng)，對(duì)振速控制波動(dòng)性較大，難以滿足本項(xiàng)目的技術(shù)要求。因此，結(jié)合本工程的施工條件和施工特點(diǎn)，選擇合適的非爆破隧洞開挖方法，對(duì)保證施工質(zhì)量、加快進(jìn)度、降低費(fèi)用、滿足工程安全要求具有重要意義。

2 非爆破開挖方法選用

非爆破隧洞開挖方法的技術(shù)難度大，屬于新工藝，國(guó)內(nèi)類似的施工項(xiàng)目還不多，設(shè)備、技術(shù)、材料均處于不斷完善中。近年來，在工程中應(yīng)用的非爆破隧洞施工技術(shù)主要有：頂管開挖法、懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖法、水磨鉆鉆孔+(靜力爆破劑)+液壓或沖擊劈裂機(jī)劈巖法、水磨鉆鉆孔+割巖機(jī)割巖+靜力爆破劑劈巖法、盾構(gòu)技術(shù)等。

頂管開挖法、懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖法一般用于土層、卵石混合土、強(qiáng)風(fēng)化或單軸抗壓強(qiáng)度小于60 MPa的軟巖隧道開挖；盾構(gòu)技術(shù)的一次性投入大，對(duì)作業(yè)人員的操作技能要求較高，但掘進(jìn)效率高、質(zhì)量好，適用于洞徑較大、隧洞較長(zhǎng)的大型隧洞開挖。本工程隧洞開挖長(zhǎng)度為170 m，隧洞開挖斷面為2.5 m×2.9 m(寬×高)的城門型斷面；隧洞工程地質(zhì)條件較好，巖石為中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖，致密堅(jiān)硬，巖性單一，地下水對(duì)隧洞施工影響小，大部分圍巖為Ⅱ～Ⅲ類，圍巖基本穩(wěn)定。工程量少、洞徑小、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較好的特點(diǎn)決定了在滿足工程進(jìn)度和質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量選擇施工工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備少的施工方法。

3 非爆破開挖方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程規(guī)模、地形地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工條件、進(jìn)度計(jì)劃、人員及技術(shù)裝備等情況，經(jīng)過多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程確定采用“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”的施工方法，其基本設(shè)計(jì)思想是：

(1)首先確定流水強(qiáng)度。本工程計(jì)劃施工工期為18個(gè)月，故隧洞開挖流水強(qiáng)度采用一日一循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺為1 m，能夠滿足工期要求。

(2)選擇施工程序和方法，即確定每個(gè)循環(huán)段上臨空面的位置。方案編制時(shí)分別采用了“沿開挖斷面輪廓線鉆孔造槽”和“在開挖斷面中心鉆孔造槽”—“掏心法”兩種獲取臨空面的方法進(jìn)行比較；考慮到“掏心法”鉆孔的工作量比前者小很多，施工中選擇采用“掏心法”制造臨空面。

(3)整體規(guī)劃一個(gè)掌子面上的施工分段情況。由于開挖斷面較小，故計(jì)劃分3段進(jìn)行施工，各段鉆孔位置、孔距、排距和孔徑如下所示(見圖1～圖4)

圖1 第1段開挖鉆孔布置

圖2 第2段開挖鉆孔布置

圖3 第3段開挖鉆孔布置

圖4 開挖斷面鉆孔總布置

(4)確定靜力爆破劑的品種和加藥量。藥劑的品種和數(shù)量直接影響巖體解裂效果，根據(jù)“無振動(dòng)、無飛石，無噪音、無污染”的原則，本工程選用SCA—Ⅰ加熱膨脹型靜力爆破劑，1個(gè)孔的加藥量約為孔深的60%左右。巖體解裂后，再采用液壓劈裂機(jī)劈巖撬挖清除巖石。

(5)對(duì)開挖斷面周邊采用風(fēng)鉆鉆孔、劈巖機(jī)劈巖的方法進(jìn)行修整。

4 非爆破開挖施工

4.1 非爆破開挖施工

(1)施工準(zhǔn)備。根據(jù)圍巖級(jí)別和水文地質(zhì)情況進(jìn)行開挖與支護(hù)方法比選，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)械配置情況制定施工方案和參數(shù)，確保施工安全，施工方案經(jīng)濟(jì)、合理(見圖5)。

(2)確定非爆開挖斷面。根據(jù)隧道整體開挖斷面及掏槽區(qū)大小，按照隧洞“掏槽、擴(kuò)挖、成型、支護(hù)”一天一循環(huán)進(jìn)行組織。考慮到在周長(zhǎng)相同的條件下圓形面積最大，非爆破開挖斷面采用圓形。同時(shí)，為滿足作業(yè)人員操作需要，應(yīng)搭設(shè)簡(jiǎn)易作業(yè)支架，并做到一次搭設(shè)能完成一次作業(yè)循環(huán)的全部鉆孔。

(3)測(cè)量放線、布孔。由測(cè)量人員根據(jù)隧道洞內(nèi)控制導(dǎo)線精確測(cè)設(shè)出劈裂開挖斷面的圓心，然后按圖4所示，在掌子面上標(biāo)出各開挖段鉆孔的中心位置。

圖5 施工工藝流程

(4)搭設(shè)簡(jiǎn)易臺(tái)架。用于鉆孔和巖體劈裂的臺(tái)架采用腳手架搭設(shè)，臺(tái)架搭設(shè)應(yīng)牢固，強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足要求，盡量減少作業(yè)時(shí)的晃動(dòng)，以保證施工安全和鉆孔精度。根據(jù)施工需要，臺(tái)架面距隧洞頂部80 cm、寬2 m(左右側(cè)各1 m)左右，以便于人員操作和水磨鉆懸吊。

(5)第1段孔開挖(掏心)

①利用倒鏈將水磨鉆懸吊在作業(yè)臺(tái)架上，并安裝可以調(diào)節(jié)水磨鉆橫向位置的支撐架，然后上下左右調(diào)整水磨鉆位置，檢查水磨鉆能否順利到位。開機(jī)檢查水磨鉆運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，人工手持取芯鉆在圖1的二環(huán)線上采用以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，形成連續(xù)槽道臨空面，將巖心與周圍巖體分開，孔距70 mm，水磨鉆鉆孔孔徑100 mm；相鄰兩個(gè)鉆孔相割30 mm，每次鉆取深度1 000 mm左右。每臺(tái)鉆機(jī)由3～4人操作，完成1個(gè)孔鉆取芯時(shí)間約為5～10 min。

②用YT28鑿巖鉆機(jī)在一環(huán)線上鉆劈裂孔，孔距50 mm、孔徑42 mm，每次鉆取深度1 000 mm左右。

③采用比鉆孔直徑略小的高強(qiáng)長(zhǎng)纖維紙袋裝入靜力爆破劑，按一個(gè)操作循環(huán)所需要的藥卷數(shù)量，放在盆中，倒入潔凈水完全浸泡。30～50 s左右藥卷充分濕潤(rùn)、完全不冒氣泡時(shí)，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并捅緊，孔口留5 cm用黃泥封堵，以保證水分和藥劑不流出。在裝藥過程中，必須做好聯(lián)線工作，同時(shí)用萬能表逐一檢查是否通電；然后將線聯(lián)接到小型發(fā)電機(jī)，使用380 V的電壓加熱5～15 min左右，致周邊巖石破裂，最后用人工清除破裂的巖體。

(6)第2段孔開挖。在圖2所示的開挖圓軸線上用YT28鑿巖鉆機(jī)鉆孔，相鄰孔間距350 mm，排距350 mm，孔徑42 mm，一次鉆進(jìn)約1 000 mm，鉆劈裂孔可在搭設(shè)的簡(jiǎn)易臺(tái)架前進(jìn)行。然后以掏心孔形成的臨空面，用靜力爆破劑向臨空面方向進(jìn)行分裂開挖巖體，根據(jù)孔的深度決定快速膨脹劑用量多少，一般每1 m要用0.6 m的量。剩余的孔用黃土填滿，然后用380 V的電壓加熱破碎巖體，再以人工配合液壓劈巖機(jī)械清方。

(7)第3段孔開挖。在清除第二段的石碴后，按圖3所示的開挖圓軸線用YT28鑿巖鉆機(jī)鉆孔，相鄰孔間距250 mm，排距250 mm，孔徑42 mm，一次鉆進(jìn)約1 000 mm。鉆孔完成后，用靜力爆破劑向二段孔開挖后形成的臨空面內(nèi)進(jìn)行分裂開挖巖體，該段由于第二段巖石破解形成了較大的臨空面，劈裂效果最佳。然后再以人工配合液壓劈巖機(jī)械清方，最后將自制作業(yè)臺(tái)架移至掌子面處，對(duì)局部欠挖處采用氣腿式鑿巖機(jī)打眼，在孔內(nèi)塞放靜力爆破劑，使圍巖開裂，并用人工手持液壓劈裂機(jī)進(jìn)行劈巖修邊。

為保證臺(tái)架、液壓劈裂機(jī)管線和下部工作面安全，劈裂機(jī)將巖體分裂后，分裂出的巖塊隨時(shí)由人工用手推車運(yùn)至距離掌子面10 m以外(實(shí)際工作時(shí)，均直接運(yùn)出洞外)臨時(shí)堆放，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件該工作約需3個(gè)運(yùn)作人員。開挖完一個(gè)循環(huán)后，用裝載機(jī)配合大車出碴至棄碴場(chǎng)。

(8)檢查驗(yàn)收、信息反饋。每循環(huán)后檢查施工效果，分析存在的問題及原因，及時(shí)修正相關(guān)參數(shù)，改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，提高開挖效率和保證施工安全。

4.2 質(zhì)量與安全控制

(1)打孔質(zhì)量控制。按方案中的設(shè)計(jì)孔位布置圖進(jìn)行測(cè)量放線，嚴(yán)格控制孔深、角度等技術(shù)參數(shù)。鉆孔直徑均采用42 mm。孔距與排距的大小與巖石硬度有直接關(guān)系，硬度越大、強(qiáng)度越高，孔距與排距越小；反之則大。施工中，根據(jù)此原則結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行孔距與排距調(diào)整。

(2)裝藥的質(zhì)量控制。本工程選用的靜力爆破劑為型號(hào)SCA—I，藥劑質(zhì)量應(yīng)符合《無聲破碎劑》(JC 506—92)強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢驗(yàn)不合格的產(chǎn)品不得使用。施工中，禁止邊打孔邊裝藥，打孔要一次完成，裝藥也要一次完成。同時(shí)，禁止打孔完成后立即裝藥，應(yīng)先用高壓風(fēng)將孔清洗完成后，待孔壁溫度降到常溫后方可裝藥。藥卷在灌裝過程中，對(duì)已經(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑不允許裝入孔內(nèi)。

(3)藥劑反應(yīng)時(shí)間控制。藥劑反應(yīng)時(shí)間一般控制在5～15 min，具體控制參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件試驗(yàn)測(cè)定。

(4)安全技術(shù)控制。由于隧洞出口段距離鐵路較近，影響較大，采用“短進(jìn)尺、弱破巖、強(qiáng)支護(hù)、及時(shí)封閉、勤觀測(cè)”的原則進(jìn)行施工，并根據(jù)在前期非爆破洞段施工中發(fā)現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化循環(huán)進(jìn)尺、孔眼布置及裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié) 語

結(jié)合工程的施工條件和施工特點(diǎn)，選擇“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”的非爆破開挖方法，并對(duì)爆破方案、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理確定施工順序和方法、設(shè)備及材料配置、工程質(zhì)量與安全控制等。實(shí)踐證明，該非爆破技術(shù)在小直徑隧洞開挖中的應(yīng)用是有效、安全和可靠的。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL 279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG F60—2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]康 楠，劉元雪，余 鵬,劉秀強(qiáng)．地下工程非爆破開挖機(jī)械破碎法機(jī)理及應(yīng)用[J]．后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，31(3):23_25．

[4]劉軍偉，曹勝利.城際鐵路暗挖隧道下穿地表建筑物非爆破施工技術(shù)[J]．隧道建設(shè)，2015，35(2):91_96．

責(zé)任編輯 吳 昊

收稿日期：2016-08-25

作者簡(jiǎn)介：吳偉民(1965-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利專業(yè)課程教學(xué)和水利工程設(shè)計(jì)工作。E_mail:wwm137@126.com