浅谈核电站取水隧洞硬岩段盾构施工地面钻孔爆破预处理技术

摘 要：以辽宁大连红沿河核电站5#、6#机组取水隧洞盾构区间工程为例，介绍盾构穿越硬岩段区间（花岗岩球状风化体及基岩）时采用深孔松动爆破对盾构隧洞掘进范围内的硬岩进行松动预处理的技术。通过该技术的采用，有效地提高了盾构速度及盾构效率，成功地规避了盾构机遇硬岩盾构姿态难以控制、盾构硬岩易卡刀盘、刀具磨损严重、刀座易变形等施工风险，保证了盾构机掘进时安全顺利的通过。该技术高效率低成本，具有良好的社会和经济效益。

关键词：取水隧洞；盾构；硬岩段区间；深孔松动爆破

引言

隧道盾构掘进时常常会遇到微风化花岗岩球状风化体或全断面硬岩，其掘进速度会降低，盾构机震动剧烈，刀座易松动且刀具磨损快，刀盘、螺旋机等部件损耗大，更换频繁，严重影响施工进度，增大施工成本，严重时会造成盾构机掘进姿态不可控，发生工程事故。在辽宁大连红沿河核电站5#、6#机组取水隧洞盾构区间施工中，针对局部硬岩及孤石侵入隧洞掘进范围内的情况，通过地勘勘探，结合隧洞的埋深、高程，影响隧洞掘进硬岩的位置、厚度、岩性及周边环境等因素选用了地面钻孔松动爆破预处理技术配合盾构掘进的方法，即提前对盾构区间的硬岩段进行预处理，使其破碎块度边长小于30cm，以利于盾构机掘进。该方案施工工艺简单，投入少，效率高，盾构风险安全可控。

1 工程概况

1.1 设计概况

辽宁大连红沿河核电厂5、6号机组取水隧洞工程包含盾构法隧洞和明管段，其中5#机组取水隧洞盾构法施工硬岩段区间有三个区域需进行地面钻孔爆破预处理；6#机组取水隧洞盾构法施工硬岩段区间有五个区域需进行地面钻孔爆破预处理。

其中5号隧洞总长度为1269.617m，有3个地面钻孔爆破预处理区域：分别为WK0+170～WK0+312、WK0+955～WK1+048、WK1+218～WK1+234.702，共251.702m。

6号隧洞总长度为1269.617m，有5个地面钻孔爆破预处理区域：分别为LK0+024～LK0+104、LK0+177～LK0+240、LK0+259～LK0+308、LK0+978～LK1+000、LK1+204～LK1+248.567，共258.567m。

在8个爆破区域中局部敷设有低压、高压、给排水、供暖及材料区，具体见表1。

1.2 地质情况

5#机组取水隧洞地面钻孔爆破预处理区域主要岩性为花岗岩，局部见片麻岩捕掳体，岩石中风化、微风化，岩体波速1600～3571m/s，围岩类别主要为Ⅴ类，部分为Ⅳ类。

6#机组取水隧洞地面钻孔爆破预处理区域主要岩性为花岗岩，局部见片麻岩捕掳体，岩石中风化、微风化，岩体波速1550～3600m/s，围岩类别主要为Ⅴ类，部分为Ⅳ类。

2 施工工艺流程及注意事项

（1）针对已有地质勘查资料对所爆硬岩段进行补勘，绘制详细地质地形资料，再次确定岩层厚度、高程，制定施工方案；（2）根据方案，测量人员给孔位，布设钻机，开始钻孔作业；为了精准控制钻孔方向，采用矩形布孔，垂直钻孔，有必要时用泥浆护孔或下钢套筒；（3）成孔后按方案设计对每孔进行装药工作；将2#岩石乳化药卷捆绑于导爆索送入炮孔底部，导爆索长度根据孔深不同、药包长度不同确定，高于药包长度500mm，MS8-30引爆；装药结束后将剩余部分炮孔全部填塞，填塞材料就地取用钻岩岩粉；（4）炸药装填工作结束后对炮孔进行网路连接及覆盖防护；引爆雷管捆扎在导爆索长于药包500mm范围内，孔外用MS4-6导爆管雷管将MS8-30连接，排间连接用MS5-6导爆管雷管，单孔起爆，复式网络（起爆网路见图1）；覆盖形式采用草垫-钢丝网-沙袋的顺序；（5）爆破施工结束后对此区域进行岩层抽芯检验，确定爆破效果；（6）爆破达到预期效果对炮孔进行注浆，确保盾构机掘进至此区域时上方松散土质不会对盾构机产生影响。

3 爆破计算

3.1 孔网参数计算

（1）5#机组取水隧洞地面钻孔爆破预处理区域孔网参数：

WK0+170～WK0+312、WK0+955～WK1+048、WK1+218～WK1+234.702三个区域：

钻孔排数bn=210排、每排钻孔an=7个、孔径d=90mm、钻孔总数n=1470个、孔距a=1.0m、排距b=1.2m、超深h1=h2=h3=h5=h6=h7=0.7m、h4=1.0m。

孔深自边孔向内分别为L1=23m、L2=24.00m、L3=24.5m、L4=25m、L5=24.5m、L6=24m、L7=23m

装药余高自边孔向内分别为l1=18.7m、l2=17.6m、l3=17.1m、l4=17m、l5=17.1m、l6=17.6m、l7=18.7m。

（2）6#机组取水隧洞地面钻孔爆破预处理区域孔网参数：

LK0+024～LK0+104、LK0+177～LK0+240、LK0+259～LK0+308、LK0+978～LK1+000、LK1+204～LK1+248.567五个区域：

钻孔排数bn=215排、每排钻孔an=7个、孔径d=90mm、钻孔总数n=1505个、孔距a=1.0m、排距b=1.2m、超深h1=h2=h3=h5=h6=h7=0.7m、h4=1.0m。

孔深自边孔向内非别为L1=23m、L2=24.00m、L3=24.5m、L4=25m、L5=24.5m、L6=24m、L7=23m

装药余高自边孔向内分别为l1=18.7m、l2=17.6m、l3=17.1m、l4=17m、l5=17.1m、l6=17.6m、l7=18.7m。

各参数详情见图2、图3。

图2 装药结构图

图3 布孔断面参数图

3.2 单耗计算

存在地下水的地下深孔爆破炸药单耗计算公式：

q=q1+q2+q3+q4

式中，q1为基本装药量，是一般陆地梯段爆破的2倍，对水下垂直钻孔，再增加10%（普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗为q1=0.5kg/m3，则水下钻孔取1.0kg/m3，水下垂直钻孔取1.1kg/m3）；q2为爆区上方水压增量，q2=0.01h2，h2为水深，m；q3为爆区上覆盖层厚度，q3=0.02h3，h3为覆盖层厚度，m；q4为岩石膨胀增量，q4=0.03h；h为梯段高度，m。

该段工程取值为h=7m；h2平均取5m；h3取值17m。则

q=1.0+0.01*5+0.02*17+0.03*7=1.6kg/m3

3.3 爆破安全校核

（1）爆破安全距离

为了确保爆破施工安全，避免爆破对建筑物的损坏，尤其是对与爆破区域距离近的建筑物的影响，施工前必须进行爆破安全距离的计算，施工中严格按照方案设计的装药量进行装药，并按设计的安全距离设置警戒范围。距离本工程最近的建（构）筑物为高压铁塔（基础6.7m*6.7m）26.55m，根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定，本工程针对钢筋混凝土基础取4.5cm/s控制。

V=K（Q1/3/R）a

式中：V-地震安全速度（cm/s）；Q-单段装药量（kg）；K-与地质条件有关系数；a-爆破衰减系数。

K、a属于经验数值，暂按中硬岩石取值：K=150，a=1.5，在实际施工中，K、a取值也要通过爆破振动监测用回归方法进一步确定。根据上述数据和公式，计算本设计最大单段药量为小于16.8kg，因此，爆破作业不会对周围建筑物造成损坏。

（2）飞石对人员的安全距离，本工程在地下18m处进行爆破，不会产生飞石危害。

4 爆破效果检验

基岩处理后的爆破质量通过地质钻机钻孔取芯进行验证，以抽取岩芯单向长度≤30cm为合格。隧洞纵向每5延米抽验一孔，如抽验区域不合格，则补孔进行二次爆破。

5 地层加固注浆施工

隧洞范围硬岩采用地面钻孔爆破预处理施工后，爆破振动会造成地层松散，在盾构机掘进过程中，因要掺加泡沫剂等润滑剂和保压需要，经爆破扰动过地层极易出现泡沫剂等沿松散孔隙流失，造成污染和浪费；同时，松散地层无法保压。为确保安全，在爆破预处理后，对隧洞周边松散围岩采用注浆方式充填加固，以提高盾构在掘进时周边围岩密实度和自稳力。

注浆浆液选择：选用水泥-水玻璃双液浆加固地层。

注浆加固范围：隧洞顶部以上3m及隧洞洞身范围，隧洞中线左右开挖轮廓线外各1m。

6 结束语

红沿河核电站取水隧洞硬岩段地面深孔爆破预处理施工是隧洞盾构掘进的一项关键工序。在地层软硬不均或球状风化层段采用此技术能够较好地解决工期进度问题，使盾构机掘进顺利进行，且有效地规避了盾构姿态失控的施工风险，并间接延长盾构机使用寿命。

从安全风险、工期和经济性考虑，在高强度软硬不均地层且长距离的隧道中或孤石地层及大直径卵砾石地层中，采用地面深孔爆破预处理技术是可行的，且具有显著的安全、效率与经济优势。该方法可在后续同类工程施工中广泛应用。

参考文献

[1]张恒，陈寿根，谭信荣，等.盾构掘进孤石处理技术研究[J].施工技术，2011（19）：85-88.

[2]孙谋，谭忠盛.盾构法修建水下隧道的关键技术问题[J].中国工程科学，2009（7）：20-25.

[3]李茂文，刘建国，韩雪峰，等.长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究[J].隧道建设，2009，29（4）：100-104.

[4]杨书江.盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究[D].上海交通大学，2007.

[5]竺维彬，黄威然，孟庆彪，等.盾构工程孤石及基岩侵入体爆破技术研究[J].现代隧道技术，2011（5）：12-17.

[6]林宗元.岩土工程治理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：20-21.