張 永， 陳 洪 波， 李 明， 袁 赟

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

春堂壩電站位于四川省小金縣美興鎮(zhèn)加油站下游約250 m處，主要水工建筑物包括：大壩、引水隧洞、開(kāi)敞式調(diào)壓室、埋藏式壓力管道、廠房等。其中，壓力管道下平段(樁號(hào)0+135.6～0+364.4)上方地表有省道S303、小金縣新汽車(chē)客運(yùn)站和公路沿線的居民住宅，所處掘進(jìn)施工作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜。壓力管道與其上部地表被保護(hù)建筑物的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，地表被保護(hù)建筑物與隧洞位置關(guān)系橫斷面見(jiàn)圖2，地表民房與現(xiàn)階段掌子面相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)表1。

圖1 壓力管道與地表建筑物平面位置關(guān)系示意圖

序號(hào)項(xiàng)目名稱(chēng)距離掌子面水平距離 /m垂直埋深 /m距爆破點(diǎn)直線距離 /m備注11#民房92.562896.7砌塊建筑物22#民房43.9121.9649.1砌塊建筑物33#民房10.8921.9624.51鋼筋混凝土房屋44#民房13.2621.9625.65鋼筋混凝土房屋55#民房29.8221.9637.03鋼筋混凝土房屋6新客運(yùn)站57.3621.9661.42鋼筋混凝土房屋

圖2 地表被保護(hù)建筑物與隧洞位置關(guān)系橫斷面示意圖

通常，建筑物在爆破振動(dòng)作用下的安全影響主要是通過(guò)分析被保護(hù)建筑物地基位置處的V值(安全允許質(zhì)點(diǎn)振速)進(jìn)行評(píng)定。因此，該工程采取的措施主要是對(duì)隧洞爆破時(shí)地表被保護(hù)建筑物所在位置地基的V值進(jìn)行控制以確保爆破時(shí)被保護(hù)建筑物處于安全狀態(tài)。

基本思路：依據(jù)春堂壩電站壓力管道下平段隧洞工程的地質(zhì)及水文條件并考慮平段隧洞爆破作業(yè)時(shí)將面臨的復(fù)雜周邊環(huán)境，為避免隧洞開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)地表建(構(gòu))筑物安全造成影響，通過(guò)以下步驟進(jìn)行了分析及控制：

(1)根據(jù)規(guī)范確定V值，據(jù)其計(jì)算并按影響最小原則確定最大一段的裝藥量；

(2)根據(jù)最大一段裝藥量對(duì)壓力管道下平段隧洞工程進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，確定出爆破參數(shù)和爆破方案；

(4)將爆破方案付諸實(shí)施。

2 最大一段裝藥量的確定

2.1 最大一段裝藥量的計(jì)算公式

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722第六章“安全允許距離與環(huán)境影響評(píng)價(jià)”第6.2節(jié)爆破振動(dòng)安全允許距離公式整理得最大一段裝藥量計(jì)算公式：

(1)

式中Q為炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，延時(shí)爆破時(shí)為最大一段藥量，單位為kg；隧洞開(kāi)挖為延時(shí)爆破，Q為最大一段藥量，下同)；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，單位為m；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，單位為cm/s，其值可由《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條表4查得；K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，其值可由《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條之表5查得。

由以上公式可知：地質(zhì)參數(shù)及震速關(guān)系為：K值越大、V值越小、α越小，最大一段裝藥量越小。

2.2 最大一段裝藥量的計(jì)算

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、針對(duì)不同控制因素進(jìn)行劃分，取最不利情況分別進(jìn)行最大一段裝藥量的計(jì)算，然后取其最小值進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)：

①以安全距離劃分：分為現(xiàn)階段爆破安全距離和穿民房段安全距離兩種情況；

②以保護(hù)對(duì)象安全震速劃分：分為鋼筋混凝土房屋與砌塊建筑物；

③以圍巖地質(zhì)情況劃分：分為中硬巖、軟硬巖。

(1)鈾尾礦庫(kù)下游農(nóng)田土壤中與國(guó)家土壤背景值相比，超標(biāo)元素為Cd和U，均值分別超標(biāo)6.89倍和3.16倍。與當(dāng)?shù)乇尘爸迪啾龋謩e超標(biāo)4.96倍和2.53倍。

(2)最大一段裝藥量的計(jì)算。

根據(jù)表1，鋼筋混凝土房屋的最小安全距離為3#民房，則R=24.51 m，查《爆破安全規(guī)程》GB6722表4及表5，K取250，V取3 cm/s，α取1.5，帶入公式計(jì)算得：Q=2.1 kg。同理，計(jì)算出的不同情況下的最大一段裝藥量見(jiàn)表2。

2.3 最大一段裝藥量的選擇

表2 不同情況下最大一段裝藥量計(jì)算成果表

由表2可知，巖性越軟，在相同的外界環(huán)境下允許最大一段的裝藥量越大，即在軟巖情況下，爆破振動(dòng)比硬巖要小。另外，根據(jù)以上計(jì)算成果推算，如能保證鋼筋混凝土3#、4#民房的穩(wěn)定，即能保證砌塊建筑物2#民房的穩(wěn)定。因此，現(xiàn)階段爆破最大一段裝藥量的控制主要以3#民房為保護(hù)對(duì)象，穿民房段爆破主要以4#民房為保護(hù)對(duì)象。

為確保本次爆破試驗(yàn)單響藥量滿足要求，由表2查得兩種情況下最大一段藥量的最小值分別為2.12 kg、1.52 kg，兩者取小值、最終確定的最大一段裝藥量Q=1.52 kg。

3 爆破參數(shù)的確定

爆破參數(shù)按光面爆破進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)炮孔個(gè)數(shù)N。

N=(q×S)/(α×γ)

式中q為炸藥單位消耗量，kg/m3；S為開(kāi)挖斷面面積，m2；α為炮眼裝藥系數(shù)，%；γ為炮眼單位長(zhǎng)度裝藥量，kg/m。

由設(shè)計(jì)圖紙可知，開(kāi)挖斷面S=17.6 m2，炸藥單耗q取1.2 kg/m3，施工采用φ32和φ25藥卷，則α為0.8，γ為0.78，由此可知N=33個(gè)。

(2)周邊孔間距E。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，周邊孔間距E=(8～18)D。式中D為炮孔直徑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，鉆爆施工采用手風(fēng)鉆造孔，鉆孔直徑為42 mm，則周邊眼間距為0.34～0.76 m。鑒于目前巖石普遍偏軟，故將初次周邊孔間距確定為0.65 m。

(3)光爆層厚度。

光爆層是指周邊炮孔與最外層主爆孔之間的一圈巖石層。光爆層的厚度即為周邊孔 (光爆孔) 的最小抵抗線。周邊眼密集系數(shù)K與周邊眼間距E及最小抵抗線W的關(guān)系為K=E/W，其大小對(duì)光爆效果有較大的影響，因此，必須使應(yīng)力波在相鄰兩炮眼間的傳播距離小于應(yīng)力波至臨空面的傳播距離，即E

4 爆破方案的確定

根據(jù)計(jì)算，由于爆破振動(dòng)計(jì)算得到的單響裝藥量不得大于1.52 kg，因此，首次爆破試驗(yàn)進(jìn)尺鉆孔深度按照60 cm、單次掘進(jìn)進(jìn)尺54 cm控制，起爆網(wǎng)絡(luò)采用掏槽1段，崩落孔3段，周邊孔5段，底板孔7段的方式進(jìn)行起爆。爆破施工前與監(jiān)測(cè)單位聯(lián)系，爆破后立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確保最優(yōu)爆破參數(shù)。首次爆破試驗(yàn)時(shí)的裝藥參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 用于爆破的主要鉆孔及裝藥參數(shù)表

注：方案中掏槽孔設(shè)計(jì)為3個(gè)中心空孔+2對(duì)斜眼掏槽孔的楔形掏槽炮孔布設(shè)方法。爆破設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)：開(kāi)挖斷面為17.6 m2；鉆孔個(gè)數(shù)為33個(gè)；鉆孔深度為60 cm；爆破效率為90%；預(yù)期進(jìn)尺54 cm；爆破方量為9.5 m3；總裝藥量4.9 kg；炸藥單耗0.52 kg/m3。

5 爆破試驗(yàn)方案中各類(lèi)炮孔爆破的地表安全允許質(zhì)點(diǎn)振速驗(yàn)算

5.1 驗(yàn) 算

由于工程所處地區(qū)的重要性，根據(jù)爆破安全規(guī)程預(yù)先為各民房分別設(shè)定的V值見(jiàn)表4。

表4 隧洞上方被保護(hù)建筑物地表基礎(chǔ)考慮

安全允許質(zhì)點(diǎn)振速驗(yàn)算采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

式中 各參數(shù)含義同式1。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)單位提供的勘察成果，擬爆破試驗(yàn)開(kāi)挖壓力管道下平段中段隧洞圍巖為風(fēng)化、卸荷巖體，裂隙發(fā)育，完整性差，呈碎裂狀、散體狀結(jié)構(gòu)，可綜合評(píng)定為V類(lèi)圍巖。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722中6.2.3條之表5選取與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的振動(dòng)系數(shù)，統(tǒng)一取K=350，α=1.8進(jìn)行驗(yàn)算。

按照開(kāi)挖爆破試驗(yàn)方案中各類(lèi)炮孔的設(shè)計(jì)藥量，驗(yàn)算得到隧洞試驗(yàn)爆破時(shí)各被保護(hù)民房距隧洞最近地基位置的安全允許質(zhì)點(diǎn)振速峰值(表5)。

表5 隧洞掘進(jìn)爆破在上方各民房地基引起的V值驗(yàn)算結(jié)果表

5.2 分 析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，針對(duì)爆破參數(shù)的驗(yàn)算結(jié)果并對(duì)照表4進(jìn)行分析得知，在按爆破開(kāi)挖試驗(yàn)方案對(duì)春堂壩電站壓力管道下平段隧洞進(jìn)行鉆爆施工時(shí)，地表各類(lèi)建筑物地基處的V值均小于表4中的設(shè)定值及《爆破安全規(guī)程》所規(guī)定的V值，不會(huì)對(duì)地表各建筑物造成破壞。

6 方案的實(shí)施

6.1 方案實(shí)施前的建議及要求

方案實(shí)施前，項(xiàng)目部結(jié)合相關(guān)方意見(jiàn)、同時(shí)對(duì)爆破實(shí)施過(guò)程提出了以下要求：

(1)鑒于隧洞掘進(jìn)爆破過(guò)程及工程區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)情況的復(fù)雜性，在爆破試驗(yàn)過(guò)程中聘請(qǐng)了具有專(zhuān)業(yè)檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)對(duì)隧洞開(kāi)挖爆破振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，盡可能地將爆破所引起的地表建筑地基處安全允許質(zhì)點(diǎn)振速降至最低。

(2)隧洞內(nèi)應(yīng)做好開(kāi)挖前的預(yù)加固和開(kāi)挖后的支護(hù)工作，以保證爆破開(kāi)挖時(shí)隧洞圍巖不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)鑒于隧洞上方多棟地表被保護(hù)民房建筑旁存有高度為3～7 m以上的砂卵石層邊坡，為避免重復(fù)的隧洞開(kāi)挖爆破振動(dòng)或雨水沖刷導(dǎo)致這些邊坡發(fā)生失穩(wěn)垮塌，進(jìn)而影響到民房建筑的安全，在隧洞鉆爆施工期內(nèi)，應(yīng)做好邊坡變形的監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

6.2 方案的實(shí)施

該項(xiàng)目于2014年9～11月對(duì)壓力管道下平段下穿民房洞段進(jìn)行了爆破開(kāi)挖施工，通過(guò)嚴(yán)格按照爆破試驗(yàn)方案擬定的炮孔個(gè)數(shù)、周邊孔間距、光爆層厚度、最大一段裝藥量等爆破參數(shù)進(jìn)行控制施工，在施工方案的指導(dǎo)下，其過(guò)程中根據(jù)爆破開(kāi)挖的實(shí)際情況及監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整；為避免對(duì)人員造成驚嚇，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)糾紛，在每次開(kāi)挖爆破過(guò)程中，對(duì)于距離較近房屋中的人員進(jìn)行了臨時(shí)疏散，并在爆破前對(duì)周?chē)课莸木用癫扇√崆巴ㄖA(yù)警等系列安全措施，下平段順利穿過(guò)民房下部，安全、順利地完成了爆破開(kāi)挖施工。

隧洞掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)，4#民房最不利的情況下監(jiān)測(cè)到的最大V值為1.67 cm/s，未超過(guò)驗(yàn)算值1.72 cm/s，也未超過(guò)考慮實(shí)際情況的設(shè)定值2 cm/s，過(guò)程中也未對(duì)1#～5#房屋及新客運(yùn)站造成任何影響，達(dá)到了預(yù)期目的。

7 結(jié) 語(yǔ)

由于該項(xiàng)目的順利實(shí)施，初步測(cè)算，安全影響分析及爆破方案的有效實(shí)施為項(xiàng)目業(yè)主在工程移民搬遷方面、損毀賠償以及工期節(jié)約等方面節(jié)約投資近1 000萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，在該項(xiàng)目，安全影響分析為現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)和指導(dǎo)，避免了大量房屋搬遷和賠償糾紛。該項(xiàng)目的安全影響分析研究應(yīng)用是成功的，可以為類(lèi)似環(huán)境條件下的工程施工提供一定的借鑒和參考。