建筑行业下穿既有公路的输水隧洞全断面光面爆破开挖施工工法

下穿既有公路的输水隧洞全断面光面爆破开挖施工工法1前言公司承建的施工项目“福建省平潭及闽江口水资源配置工程第5标段”包含北林、南倪和东瀚三个输水隧洞，总长7.678km。其中，北林和南倪两条隧洞并行，长度均为1.634km，两者中心点距离为23.7m，开挖洞径分别为4.4m和3.1m。隧洞下穿控制区桩号为BL0+339~BL0+413的大真线公路，下穿深度约20.0m，公路地基为山体岩石爆破形成的路堑，岩体节理裂隙发育，如图1所示。由于围岩岩石较为坚硬（一般为Ⅱ级到Ⅴ级围岩）、隧洞洞径较小，故该工程施工采用全断面光面爆破开挖。为避免并行隧洞爆破开挖和施工期间的相互影响，在施工工序上使其相互错开50m。（a）隧洞平面布置图（b）北林隧洞纵断面图（c）南倪隧洞纵断面图图1隧洞平面布置和纵断面图对于下穿公路的隧洞爆破开挖，需要考虑爆破技术自身安全和爆破开挖过程对地表公路、周围建（构）筑物、行人、现场工作人员等的影响，如：振动速度、冲击波、飞石、噪声、灰尘、烟雾、气体、沉降、倾斜、坍塌等。由于输水隧洞的洞径小，导致作业面狭窄，爆破过程中岩石的夹制作用明显，故隧洞开挖对爆破技术的要求高。因此，该段隧洞爆破开挖影响因素多、周围环境复杂，具有较高的施工难度和技术要求，需要从事前、事中和事后做好质量保证、安全控制、环境保护、文明施工、应急预案等方面的工作，实现人、材、机、技、管的综合使用，故以“下穿既有公路的输水隧洞全断面光面爆破开挖施工”为研究对象形成施工工法具有新颖性和实用性，可保证工程质量、提高施工效率、降低工程成本和保障工程安全等特点，整体技术和装备在当前和后续工程中对指导施工具有较好的使用价值和推广应用前景。目前，该施工工法已在北林和南倪等多个隧洞开挖中取得了成功应用。该施工工法由中建六局水利水电建设集团有限公司整理编制、福建鑫祥建设工程有限公司全程参与、厦门安仁爆破工程有限公司评估鉴定，评估结果如下：（1）该输水隧洞爆破工程周边环境复杂且下穿公路，根据《爆破安全规程》有关规定，该工程属于复杂环境爆破工程B级；（2）采用导爆管微差起爆网络技术可保证施工安全；（3）选用的爆破方案和钻、爆参数合理可行；（4）选用的控制爆破方案符合爆区实际情况；（5）对爆破有害效应的控制，符合《爆破安全规程》要求；（6）可保证工程环境安全、措施可靠；（7）制定的应急预案适当。2工法特点该施工工法的特点主要体现在：操作性强。综合考虑了爆破技术自身安全和爆破开挖过程对地表公路、周围建（构）筑物、行人、现场工作人员等因素的影响，然后进行反向控制爆破设计，影响因素考虑齐全。系统规范。从爆破工艺设计、施工流程、操作要点、控制措施等方面系统规范化的对其进行了描述，可提高施工效率。应急预案完善。从应急管理的角度，编制了应急抢险救援预案，包括管理组织、班组设置、应急流程和操作要点等，可降低风险、减小损失。控制精细化。大真线公路路面宽度为10.5m，两侧分别延伸20m作为公路两侧建筑控制区。另外，针对不同级别围岩设计了不同的爆破工艺参数。技术先进。炮孔端部使用水封炮泥，减少爆破废气和灰尘。爆破技术采用浅孔毫秒延期控制和非电导爆雷管。综上所述，该施工工法相比传统工法在操作、质量、安全、环境、应急、造价、工期等方面具有先进性和新颖性。3适用范围该施工工法适用于下穿道路、公路、铁路等复杂环境下的岩质隧洞全断面光面控制爆破开挖。4工艺原理对于下穿既有公路的隧洞爆破开挖，施工过程遵循“短进尺、弱爆破、勤监测、快清渣、早封闭”的原则，尽量减少对围岩的扰动。整个工艺流程包括测量放线、布置孔位、钻孔清孔、安放炸药、布设线路、开始起爆、清理石渣、超挖回填等，同时做好质量、安全、环境、应急等方面的管理控制措施。单次爆破炸药量综合考虑“振动速度、冲击波、飞石、噪声”等因素，爆破后及时对洞内和地表变形进行监测，防止发生坍塌或过大沉降。为增加爆破岩石的临空面，对于Ⅱ级和Ⅲ级围岩，掏槽眼采用复式楔形，对于Ⅳ级和Ⅴ级围岩，掏槽眼采用单楔形。炮孔和掏槽眼布置设计隧洞掌子面炮孔包括掏槽眼、辅助眼、二圈眼、周边眼和底板眼，炮孔直径为38~42mm。北林隧洞开挖直径为4.4m，面积为16.4m2，不同地段的炮孔和掏槽眼布置设计如下：（1）对于公路之外控制区Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段，每循环进尺设为0.8m，掏槽眼采用单楔形，布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深为1.2m。（2）对于公路之外控制区Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段，由于岩石完整性好、强度高，围岩稳定性好，所以每循环进尺为1.8m，而掏槽眼采用复式楔形，同样布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深2.2m。（3）对于公路下方控制区Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段，每循环进尺相对减小，设计为0.5m。掏槽眼采用单楔形，同样布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深为0.9m。如表1所示。南倪隧洞开挖直径为3.1m，面积为8.358m2，不同地段的炮孔和掏槽眼布置设计如下：（1）对于公路之外控制区Ⅳ级和Ⅴ级围岩地段，每循环进尺设为0.8m，掏槽眼采用单楔形，布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深为1.2m。（2）对于公路之外控制区Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段，由于岩石完整性好、强度高，围岩稳定性好，所以每循环进尺为1.3m，掏槽眼采用复式楔形，同样布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深1.7m。（3）对于公路下方控制区Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段，每循环进尺相对减小，设计为0.5m。掏槽眼采用单楔形，同样布置在断面中心偏下的位置，掏槽孔孔深为1.7m。如表1所示。表1炮孔和掏槽眼布置设计隧洞名称隧洞位置公路之外控制区公路下方控制区Ⅱ级和Ⅲ级围岩Ⅳ级和Ⅴ级围岩Ⅱ级和Ⅲ级围岩北林炮孔布置掏槽眼正面掏槽眼俯视南倪炮孔布置掏槽眼正面掏槽眼俯视装药和布线设计周边光面爆破炮孔采用间隔装药，即将炸药卷按设计间隔距离捆绑在竹片上并全长贯穿导爆索，孔底略增加药量，采用正向起爆。其余炮孔均采用连续不耦合装药，采用反向起爆和孔内延期，药孔端部填塞物选用水封炮泥，可减少爆破后的灰尘和烟雾，如图2所示。（a）光面爆破炮孔装药示意图（b）辅助孔和底孔装药示意图（c）掏槽孔装药示意图（第一楔）（d）掏槽孔装药示意图（第二楔）图2装药和布线设计图（3）起爆药量设计根据国家标准《爆破安全规程》GB6722-2014的规定：地面建筑物的爆破振动判据采用保护对象所在地质点上峰值振动速度和主频振动率。实际施工中，爆点与建(构)筑物的距离始终都是变化的，每次爆破装药前必须精确测量爆点与被保护的建（构）筑物的距离，根据被保护的建（构）筑物的性质等条件，确定单段最大药量，以保证被保护的建（构）筑物的最大振动速度不超过规定值。爆破振动效应验算公式如式（1）所示，用于确定同一段别起爆的安全允许药量：（1）式中：指一次起爆的安全允许装药量或微差起爆时最大一段的安全允许装药量，单位：kg；指被保护建筑物的允许安全振速，单位：cm/s；指爆破边缘至被保护建筑物的距离，单位：m；、指与爆区地质条件有关的系数与衰减指数，=150，=1.5；根据《爆破安全规程》和工程周边环境，对于土石结构民房安全允许振速度应控制在0.9cm/s；对于一般民用建筑物安全允许振速度应控制在2.5cm/s；对于道路安全允许振速度应控制在5.0cm/s；通过计算得到了不同类型被保护建筑物在不同距离下的单次起爆最大药量，如表2所示。表2不同距离下的单次起爆最大药量距离/m102030405060708090100起爆药量/kg土石结构民房0.0360.2880.972.34.57.7712.318.426.236一般民用建筑物0.2772.227.517.734.76095.2142202277道路1.118.8830711382403815688101111实际施工时，上表计算结果作为理论参考，真实参数需经过试爆最终确定。每次爆破均采用装药相对分散和毫秒接力延期起爆的措施，使齐爆的药量大大减少，以减少地震波的危害，确保安全。（4）起爆顺序和线路网络在严格限制单段最大装药量的同时，尽量能使掏槽孔、各类同排炮孔同时起爆，炮孔起爆顺序是依次是掏槽眼、内圈眼、扩大眼、周边眼、底板眼。所有炮孔采用非电导爆管雷管簇联，孔内毫秒延期起爆，每个炮孔内装入1发非电导爆管毫秒雷管，并采用簇并联方式连接。5施工工艺流程及操作要点隧洞爆破开挖按照新奥法原理施工，即在充分考虑围岩自稳的情况下，及时进行支护和衬砌，工艺流程如图3所示。图3隧洞爆破开挖施工工艺流程具体施工过程中的操作要点如下：（1）首先根据设计要求在掌子面上进行测量放线和布置孔位，在隧洞掌子面画出中线十字线，将钻孔的先后次序分配明确，在掌子面中心偏下位置设置楔形掏槽眼。分区按顺序钻孔，首先钻正顶孔，测量钻杆长度并做好标记，保证孔深符合设计深度。避免相互干扰、碰撞、拥挤和窝工。刷帮压顶钻孔时，最好固定钻孔班，以便熟练技术，掌握规律，提高钻孔的速度和准确性，严控超欠挖。整个钻孔过程可分为准备、开口、拔杆、移位四步。1）准备：开工前准备工作做到“四查”。即：查钻机的运转、查风水管各部件是否牢固、查钻头钻杆等配件是否备全、查消耗较多的器材是否有充分的余量。2）开口：开口时慢慢推进，并特别注意钻眼的方向与隧洞中线的夹角是否符合设计外插角。3）拔杆：遇整体性好的石质可中速慢慢拔出，如遇破碎岩石卡钎时，应慢慢来回推进，使之拔出，如拔不出，再靠近钻孔重新打眼使之拔出。4）移位：钻好一个炮孔后进行第二个炮孔钻进时，要做到“准、直、平、齐”，即按周边孔参数要求，孔位要选准；侧墙孔孔口要开在同一垂线上，孔底要落在同一垂面上；各炮眼相互平行(孔口和孔底距相等)；孔底要落在同一平面上，爆出的断面要整齐，便于下一循环作业。钻孔作业坚持“七快、四勤、四不钻”，即拉风水管快、安钻快、开钻快、换钻杆快、移动钻杆快、交换位置快、排除故障快；保养钻机勤、维修风水电路勤、检查钻孔质量勤、检查险情勤；不钻残孔、不钻石缝、不钻软夹层、不钻破碎层。（2）掏槽眼范围最先爆破，爆破后使得掌子面的临空面增加，降弱了岩石之间的夹制作用，使得爆破效果较好。掏槽眼范围爆破后，开始辅助眼的爆破，然后依次开始二圈眼、周边眼和底板眼的爆破。不同炮孔起爆的时间和先后次序通过毫秒微差爆破网络进行控制。（3）采用毫秒微差松动爆破技术施工，多段微差松动爆破和连续或不耦合装药结构。采取密孔分散药量和松动爆破措施，爆破作用控制在松动爆破范围内，根据不同爆破环境控制适当的单耗。合理确定起爆顺序、微差相隔时间，控制单次起爆规模，降低振动源强度的产生，控制飞石、减少冲击波超压和噪音等。（4）加强爆破振动和沉降监测，根据监测结果及时调整施工方案，严格控制最大一段装药量，实现分段起爆，确保周围建（构）筑物的安全。开挖过程中对道路进行限载，设置限载标志，车辆载重不大于15t。当发现围岩变形、收敛或其他异常情况时应采取支护措施或启动应急预案。（5）爆破后进行灰尘、烟雾处理，软弱围岩地段应加快初期支护，防止爆破后围岩坍塌或沉降过大，施工中加强监控量测工作。（6）隧洞开挖后应逐段核对地质资料，及时进行初期支护并根据监控量测资料指导施工，确定二次衬砌时间。如发现与设计的地质资料出入较大时，应通知设计单位修正支护参数和施工方法。（7）爆破超挖允许值为20cm，超出部分使用同标号的初支喷射混凝土进行回填。6材料与设备该施工工法所使用的材料和设备包括毫秒延期非电导爆雷、乳化炸药、编织袋、橡胶板、安全网、爆破器材车、空压机、凿岩机、测振仪、起爆器、警戒标志、对讲机、急救箱（含药品）等，具体如表3所示。表3施工工法所需的材料和设备名称单位数量型号毫秒延期非电导爆雷管发3.2万段别根据需要乳化炸药㎏20tML-1型2号编织袋个若干—橡胶板片若干—安全网片若干—爆破器材车辆12t,专用车空压机台3台2.5m3/min凿岩机台4台YT-27测振仪台1IDTS-3850起爆器台2KG-200警戒标志件若干—对讲机部10—急救箱（含药品）个1—7质量控制质量控制贯穿于施工过程的每一个环节，统一指挥、协调行动，认真实行定人、定位、定机、定质、定量的“五定”岗位责任制和施工标签制，开挖班组设置如图4所示。图4隧洞爆破开挖班组质量控制依据主要包括国家标准《爆破安全规程》（GB6722-2014）、《民用爆炸物品安全管理条例》、《工程爆破使用手册》、《水工隧洞设计规范》SL279-2016、《爆破作业项目管理要求》（GA991-2012）、《爆破作业人员安全技术考核标准》（GA53-93）、《爆破作业单位资质条件和管理要求》（GA990-2012）、公安机关安监部门有关规章制度、工程现场环境勘查及公司过往类似工程资料等。施工作业必须严格按设计建议施工步序进行，爆破方案必须进行专门设计，爆破振动振速必须按“爆破安全规程”GB6722-2014相关要求进行控制。开挖面圆顺、残眼率高、减少超挖、不允许欠挖。对存在的超挖，必须按施工规范进行回填。质量目标要达到合格，严格按照ISO9001质量保证体系组织施工，质量检验项目一次合格率达100%。8安全措施施工现场成立以项目负责人为组长，由项目技术负责人、安全质量部、施工技术部、物资设备部等负责人组成的安全生产领导小组，全面负责并领导开挖施工的安全生产工作。主要任务为：（1）负责整个工程的安全质量工作，确保安全质量保证体系的正常运行，制定安全质量管理、环境保护办法，落实安全质量目标。（2）办理对分项、分部、单位工程的质量检查、计量、签证、评定工作。（3）定期组织安全质量分析会，检查安全质量体系运行情况，及时研究处理安全质量活动中的问题。（4）做好整个施工过程的安全生产，制定安全计划，建立施工安全制度措施，检查和监督项目安全体系运行情况。加强日常安全检查，安全领导组成员排班检查安全工作，检查要有记录。加强岗位培训，每月对“三员”进行一次安全业务知识培训，培训有记录。爆破安全技术措施包括施爆过程中的安全和爆破飞石、地震波、空气冲击波、噪声、灰尘、烟雾、盲炮、温度等方面的安全。本工法通过精心设计、严格控制，达到既能满足需要又能保证安全要求的目的。爆破施工时严格控制安全允许单段起爆药量，减小爆破振动对周边建筑物的影响。确保堵塞长度和堵塞质量，禁止采用裸露爆破以杜绝冲击波的影响。起爆时间段要临时中断爆区附近道路交通。（1）爆破振动控制减少单次爆破规模，降低振动源强度的产生。根据被保护物的抗振强度和保护物与爆区的最近距离，计算安全允许单段起爆药量，以此作为爆破不对周边环境产生振动影响的极限用药量。合理确定起爆顺序、微差相隔时间，减少岩石的夹制作用，从而降低单耗和单孔用药量，最大限度地降低爆破振动强度的产生。（2）爆破飞石的控制根据Lundborg统计规律，结合工程实践经验，爆破飞石距离可由式（2）进行计算：（2）式中，指爆破时可能产生的最远飞石距离，单位：m；指与爆破方式、填塞长度、地质地形条件有关的系数，取1.0～1.5；指炮孔直径，单位：mm，浅眼为38~42mm；施工时建议按距爆破点100m作为警戒范围，加强爆体表覆盖和遮挡防护。（3）冲击波安全距离控制工程爆破时一部分爆炸能量突破介质表面转化为空气冲击波，不仅消耗了炸药能量，而且对人员、设备和建筑物等会产生危害作用。根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)规定，露天裸露爆破大块时，一次爆破的炸药量不应大于20kg，并应按式（3）确定空气冲击波对在掩体内避炮作业人员的安全允许距离。（3）式中：指空气冲击波对掩体内人员的最小允许距离，单位：m；指一次爆破的炸药量，秒延时爆破取最大分段药量计算，毫秒延时爆破按一次爆破的总药量计算，单位：kg；当隧洞内受空间限制，爆破空气冲击波沿着有限空间向外传播时，隧洞内爆破空气冲击波超压值较大，爆破前需将隧洞内人员撤至洞外。（4）爆破器材安全管理爆炸物品应严格按《民爆条例》和《爆破安全规程》进行购买、储存、运输、申领、使用和清退登记制度。做好爆破器材的防盗、防爆工作，确保爆破器材不流失、不被盗、不被移作它用。完善各项规章制度，层层落实责任制，责任到人。全方位加强对爆破器材领用退的监督管理工作，做好放炮前的警戒、三次警报及放炮后解除警报、现场清理、撤除工作。每月10日、20日、30日将现场使用明细表报公安机关备案。爆破器材仓库保管员应按规定对申领单位申领手续、申领数量、申领人员及运输工具认真审核、查验，符合要求后，发放爆破器材，并要求爆破员、安全员双人签字，做好台帐登记工作，同时做到24小时不脱岗。爆破员、安全员严格按照爆破器材申领单数量及领取、运输要求领取爆破器材，爆破应严格按照爆破规程要求进行操作，爆破后及时清理现场，排除盲炮，及时填写爆破器材现场使用明细表，剩余爆破器材及时返库。任何人在发放、领取、使用、退库环节不得擅自截留、私藏、挪用、转让、买卖爆破器材，违者将严肃追究法律责任。民爆物品从仓库运输至工地时，应由符合安全要求的专用车辆装载，由两人或两人以上持爆破人员作业许可证的人员押运。（5）炮烟中毒控制降低爆破有害气体的危害程度，可采用以下措施：（1）使用合格的炸药，控制有害气体的产生；（2）做好爆破器材防水处理，确保装药填塞质量；（3）适当增加起爆能，确保炸药达到完全爆轰；（4）加强通风、洒水等。盲炮处理措施处理盲炮前应由爆破领导人定出警戒范围，并在该区域边界设置警戒，处理盲炮时无关人员不准许进入警戒区，应派有经验的爆破员处理盲炮。导爆管起爆网络发生盲炮时．应首先检查导爆管是否有破损或断裂，发现有破损或断裂的应修复后重新起爆。不应拉出或掏出炮孔中的起爆药包。盲炮处理后，应仔细检查爆堆，将残余的爆破器材收集起来销毁。在不能确认爆堆无残留的爆破器材之前，应采取预防措施。盲炮处理后应由处理者填写登记卡片或提交报告，说明产生盲炮的原因、处理的方法和结果、预防措施。经检查确认起爆网络完好时，可重新起爆。可打平行孔装药爆破，平行孔距盲炮不应小于0.3m，为确定平行炮孔的方向，可从盲炮孔口掏出部分填塞物。可用木、竹或其他不产生火花的材料制成的工具，轻轻地将炮孔内填塞物掏出，用药包诱爆。可在安全地点外用远距离操纵的风水喷管吹出盲炮填塞物及炸药，但应采取措施回收雷管。盲炮应在当班处理，当班不能处理或未处理完毕，应将盲炮情况(盲炮数目、炮孔方向、装药数量和起爆药包位置，处理方法和处理意见)在现场交接清楚，由下一班继续处理。9环保措施环保措施主要包括隧洞通风、爆破噪声、粉尘、气体等的控制。（1）隧洞通风控制隧洞在整个施工过程中，作业环境应符合下列职业健康及安全标准：（1）空气中氧气含量。按体积计不得小于20%。（2）粉尘容许浓度。每立方米空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg。每立方米空气中含有10%以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg。（3）瓦斯隧洞装药爆破时，爆破地点20m内，风流中瓦斯浓度必须小于1.0%，总回风道风流中瓦斯浓度应小于0.75%。开挖面瓦斯浓度大于1.5%时，所有人员必须撤至安全地点并加强通风。（4）有害气体最高容许浓度。一氧化碳最高容许浓度为30mg/m3，在特殊情况下，施工人员必须进入开挖工作面时，浓度可为100mg/m3，但工作时间不得大于30min。二氧化碳按体积计不得大于0.5%，氮氧化物（换算成NO2）为5mg/m3以下。（5）隧洞内气温不得高于28℃。（6）隧洞内噪声不得大于90dB。（7）隧洞施工通风应能提供洞内各项作业所需的最小风量，每人应供应新鲜空气4m3/min。（8）瓦斯隧洞施工中防止瓦斯集聚的风速不得小于1m/s。隧洞供风系统在洞口设1台23m3空压机提供高压风，供电则采用电网供电系统高压供电，另设120kw发电机1台备用。洞口各设置1台20m3/min的电动空压机，高压风管采用φ150钢管，设置在隧洞一侧，距掌子面距离控制在30m以内，供风管采用角钢托架在边墙顶与拱角相交位置，如图5所示。图5隧洞供风通电布置图隧洞内施工通风采用PVC软风管，通风采用风管混合式通风，施工通风各配1台轴流式风机作抽、压式通风。引水隧洞断面小，独头通风长度长，是隧洞开挖中的重点和难点。施工时通风采用长抽短压的方式通风。主扇使用软风管，风管直径采用φ1000，通风机主扇选用KJ66-11系列。为保证良好的通风效果，提高风管的安装和维护质量，减少风管接头漏风率，控制在2%以内。当隧洞掘进很长，主机通风已不能保证隧洞施工通风要求时，设置局部通风系统或风机间隔串连或加设另一路风管增大风量进行施工通风。解决通风问题主要采用以下几点措施：（1）隧洞爆破渣采用扒渣机装渣，自卸电车运输至洞外，使用电气设备，减少废气。（2）分两期通风：一期掘进500m以下时，通风采用压入式通风；二期掘进长度在500m以上时通风采用混合式通风，长抽短压，抽风距离过长时，采用接力风机布置（通风管连续）排风，因使用软风管，要求风机洞内布置，由里向外排气，风机随掘进工作面推进。（3）通风组织专业通风管理班负责。（4）通风管和通风风机安装、拆除严格按要求进行，并作好设备调试工作。通风管维修、修补，确保风管不漏风。（5）严格禁止燃油车进入，同时严格保证通风时间。通风管安装，必须保证平、直、顺，尽量紧靠拱顶，尽量不使下托，以免影响运输净空。（6）爆破使用水封炮泥，减少爆破废气及尘土，出碴前洒水喷雾。（2）噪声控制机械噪声源主要有凿岩机