考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法

技术领域

本发明属于隧道爆破施工技术领域，尤其涉及一种考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法。

背景技术

随着都市圈一体化建设和区域互联互通需要，穿越海域的海底隧道工程越来越多。盾构法凭借其安全、可靠、快速、环保等优势，是近年来海底隧道工程的主要施工方法。在海域环境中进行盾构隧道施工时，经常遇到随机分布的大块孤石或孤石群，孤石形状和大小各异、岩质坚硬。盾构机遭遇孤石，将会造成刀具严重磨损、刀盘刀座变形、刀盘卡停、管片损伤等故障，严重影响施工进度、施工质量、施工效益和施工安全。

为确保盾构隧道顺利施工，一般在盾构掘进前对孤石凸起区段进行爆破预处理。现有的孤石爆破参数一般借鉴露天台阶爆破设计方法或同类工程经验进行确定，没有考虑海域孤石的覆盖层具体条件和孤石块度粒径的细化控制指标，造成爆破后岩石块度过大，导致爆破预处理达不到预期效果，同时增加了二次破碎成本。另外，现有的海域孤石爆破鲜少考虑水下爆破冲击波对海域生态环境的影响，导致水下爆破作业引发的中华白海豚及其他海洋哺乳动物和鱼类的死亡事件时有发生。

综上，有必要对现有海域盾构隧道孤石爆破方法进行改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法，该方法克服了现有技术中海域孤石爆破参数无针对性理论确定依据、块度效果控制不理想以及不考虑爆破作业对海洋生态环境影响等缺点和不足，实现了海域盾构隧道孤石的精细化、生态化、高效化和安全化爆破施工。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法，包括如下步骤：

步骤1：进行孤石爆破孔网参数初步设计；

步骤2：确定孤石爆破的炸药单耗；

步骤3：计算每个炮孔的单孔装药量；

步骤4：计算最大单孔装药量Q

步骤5：确定爆破块度尺寸分布模型；

步骤6：预测孤石爆破块度分布效果；

步骤7：进行孤石爆破装药结构及爆破网络初步设计；

步骤8：考虑生态环境影响，进一步优化孤石爆破方案；

首先，确定爆破作业所在海域被保护海洋动物的安全峰值速度：

其中，P

然后，将v＝v

其中，R为被保护海洋动物所在海域位置监测点至孤石爆破药包中心的距离；Q'

比较Q

具体的，对每块孤石的最大单孔装药量边缘孔和其他孔，爆破块度尺寸分布模型如下：

其中，P

具体的，步骤6的具体过程如下：

在确定的爆破块度尺寸分布模型中，分别求解最大单孔装药量边缘孔和其他孔块度尺寸x＝0.8X

若P

若P

具体的，最大单孔装药量对应爆破块度的平均尺寸X

其中，A为岩体系数，中硬岩A＝7，有裂隙的硬岩A＝10，无裂缝硬岩A＝13；Q

具体的，步骤7的具体过程如下：

根据步骤6中确定的孤石爆破每个炮孔的单孔装药量，根据以下公式计算每个炮孔的装药段长度：

其中，d为装药直径；ρ

对采用爆破方法进行预处理的孤石，根据每个炮孔处侵入隧道洞身的孤石厚度对孤石分为三类：(1)厚度在2m以下；(2)厚度在2～3m；(3)厚度在3m以上。

根据每个炮孔处侵入隧道洞身孤石的三种类别和计算出的每个炮孔的装药段长度，分别进行对应的装药结构设计，具体如下：

(1)对于厚度在2m以下的孤石，沿孤石底面进行轴向连续装药，若装药段长度与该处炮孔的孤石厚度大致相等，则装药充满整个孤石厚度段；若装药段长度小于该处炮孔的孤石厚度，则在装药段上部至孤石顶部布置一段堵塞；

(2)对于厚度在2～3m的孤石，沿孤石底面进行两段式轴向间隔装药，孤石厚度段中间布置一段堵塞，堵塞顶部至孤石顶部、堵塞底部至孤石底部分别装满炸药，上段装药长度＝下部装药长度；

(3)对于厚度在3m以上的孤石，沿孤石底面进行三段式轴向间隔装药，孤石厚度段中间布置两段相同长度堵塞，上部堵塞顶部至孤石顶部、上部堵塞底部至下部堵塞顶部、下部堵塞底部至孤石底部分别装满炸药，上段装药长度＝中部装药长度＝下部装药长度。

爆破网络采用毫秒数码电子雷管逐孔起爆网络，孔间延期时间为25～50ms，首先对孤石的边缘孔进行爆破，利用边缘孔爆破产生的能量挤压周围土层而产生新的自由面，然后对其他孔进行爆破。

具体的，步骤1具体包括如下过程：根据前期勘探揭露的孤石统计信息，对揭露的侵入隧道孤石，沿盾构隧道横截面水平和垂直方向以及隧道轴线方向的孤石不规则轮廓最外缘绘制长方体包络体，然后，沿隧道轴线方向布置几排炮孔，其中边缘孔距同侧孤石边缘的距离b

具体的，孤石爆破的炸药单耗q由以下公式计算：

q＝k

其中，q

具体的，步骤3中，孤石爆破第i个炮孔的单孔装药量Q

Q

其中，对于首先起爆的边缘孔，B＝b

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法通过精细化的设计和反复优化调整，既能够严格保证孤石爆破的最大块度满足海底盾构隧道施工的基本要求，同时在控制爆破最大块度的前提下又严格控制了较大爆破块度的累积含量，能够进一步保障海底盾构隧道的更加快速和稳定施工。

2、本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法除充分保证海底孤石爆破效果外，同时保证了爆破作业海域内被保护海洋动物的生态环境安全，且在同时兼顾两者的前提下通过最优化爆破参数实现了孤石爆破预处理过程中的能量利用率最大化。

3、本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法细节科学精细、步骤细致明确、可操作性强，在进行海域盾构隧道孤石爆破方案设计时除了考虑各种常规设计因素外，同时全面考虑了海域中孤石每个设计炮孔处的水压深度、软土覆盖层厚度及孤石厚度等具体爆破环境条件，比现有设计方法具有更加明确的理论依据和针对性，可为海域盾构隧道孤石或基岩爆破预处理精细化设计实践提供借鉴和指导。

附图说明

图1为本发明海域盾构隧道孤石精细化爆破方流程示意图；

图2为实际工程案例孤石在盾构隧道截面内的位置示意图；

图3为实际工程案例孤石精细化爆破炮孔布置平面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法，包括如下步骤

步骤1：进行孤石爆破孔网参数初步设计。

根据前期勘探揭露的孤石统计信息，对揭露的侵入隧道孤石(部分)，沿盾构隧道横截面水平和垂直方向以及隧道轴线方向的孤石不规则轮廓最外缘绘制长方体包络体。然后，沿隧道轴线方向布置几排炮孔，其中边缘孔距同侧孤石边缘的距离b

步骤2：确定孤石爆破的炸药单耗。

孤石爆破的炸药单耗q由以下公式计算：

q＝k

其中，q

步骤3：计算每个炮孔的单孔装药量。

对于每个炮孔，孤石爆破的单孔装药量Q

Q

其中，Q

步骤4：计算最大单孔装药量对应爆破块度的平均尺寸。

首先，分别计算边缘孔和其他孔的最大单孔装药量，分别记为Q

其中，A为岩体系数，中硬岩A＝7，有裂隙的硬岩A＝10，无裂缝硬岩A＝13；Q

步骤5：确定爆破块度尺寸分布模型。

对每块孤石的最大单孔装药量边缘孔和其他孔，爆破块度的尺寸分布模型采用Swebrec三参数分布模型：

其中，P

步骤6：预测孤石爆破块度分布效果。

在确定的爆破块度尺寸分布模型中，分别求解最大单孔装药量边缘孔和其他孔块度尺寸x＝0.8X

若P

若P

步骤7：进行孤石爆破装药结构及爆破网络初步设计。

炸药选用良好抗水、抗压和爆炸性能的岩石乳化炸药，装药直径一般取50～90mm，根据步骤6中确定的孤石爆破每个炮孔的单孔装药量Q

其中，Q

对采用爆破方法进行预处理的孤石，根据每个炮孔处侵入隧道洞身的孤石厚度对孤石分为三类：(1)厚度在2m以下；(2)厚度在2～3m；(3)厚度在3m以上。

根据每个炮孔处侵入隧道洞身孤石的三种类别和计算出的每个炮孔的装药段长度，分别进行对应的装药结构设计，具体如下：

(1)对于厚度在2m以下的孤石，沿孤石底面进行轴向连续装药，装药段长度取L

(2)对于厚度在2～3m的孤石，沿孤石底面进行两段式轴向间隔装药，孤石厚度段中间布置一段堵塞(长度为：h

(3)对于厚度在3m以上的孤石，沿孤石底面进行三段式轴向间隔装药，孤石厚度段中间布置两段相同长度堵塞(每段长度为：(h'

爆破网络采用毫秒数码电子雷管逐孔起爆网络，孔间延期时间为25～50ms。首先对孤石的(靠近土层)边缘孔进行爆破，利用边缘孔爆破产生的能量挤压周围土层而产生新的自由面，然后对其他孔进行爆破。

步骤8：考虑生态环境影响，进一步优化孤石爆破方案。

首先，确定爆破作业所在海域被保护海洋动物的安全峰值速度：

其中，P

然后，将v＝v

其中，R为被保护海洋动物所在海域位置监测点至孤石爆破药包中心的距离；Q'

比较Q

本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法通过精细化的设计和反复优化调整，既能够严格保证孤石爆破的最大块度满足海底盾构隧道施工的基本要求，同时在控制爆破最大块度的前提下又严格控制了较大爆破块度的累积含量，能够进一步保障海底盾构隧道的更加快速和稳定施工。

本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法除充分保证海底孤石爆破效果外，同时保证了爆破作业海域内被保护海洋动物的生态环境安全，且在同时兼顾两者的前提下通过最优化爆破参数实现了孤石爆破预处理过程中的能量利用率最大化。

本发明提出的海域盾构隧道孤石爆破方法细节科学精细、步骤细致明确、可操作性强，在进行海域盾构隧道孤石爆破方案设计时除了考虑各种常规设计因素外，同时全面考虑了海域中孤石每个设计炮孔处的水压深度、软土覆盖层厚度及孤石厚度等具体爆破环境条件，比现有设计方法具有更加明确的理论依据和针对性，可为海域盾构隧道孤石或基岩爆破预处理精细化设计实践提供借鉴和指导。

实际工程案例

下面以厦门地铁2号线为例对本发明方法作进一步的说明，参见图1，一种考虑生态环境影响的海域盾构隧道孤石爆破方法，包括如下步骤：

步骤1：进行孤石爆破孔网参数初步设计。

厦门地铁2号线海底盾构施工时面临严峻的孤石凸起问题，需要爆破预处理大块孤石否则会降低盾构机掘进效率。

根据前期勘探揭露的孤石统计信息，某处侵入盾构隧道断面的孤石信息如下：平面面积8.433m

对该块孤石，沿盾构隧道横截面水平和垂直方向以及隧道轴线方向的孤石不规则轮廓最外缘绘制成2.43m×3.47m×2.2m的长方体包络体。然后，沿隧道轴线方向布置3排炮孔，其中边缘孔距同侧孤石边缘的距离b

步骤2：确定孤石爆破的炸药单耗。

孤石岩性为中等风化花岗岩，此处取q

步骤3：计算每个炮孔的单孔装药量。

根据公式(2)，可计算出每个炮孔(包括所有边缘孔和其他孔)的单孔装药量(由于炮孔较多，不再一一列出)。

步骤4：计算最大单孔装药量对应爆破块度的平均尺寸。

经计算，Q

步骤5：确定爆破块度尺寸分布模型。

孤石爆破的块度最大尺寸控制值取30cm，即X

步骤6：预测孤石爆破块度分布效果。

经计算，P

将步骤1中的孔网参数调整为：b

步骤7：进行孤石爆破装药结构及爆破网络初步设计。

炸药选用2号岩石乳化炸药，取ρ

爆破网络采用毫秒数码电子雷管逐孔起爆网络，孔间延期时间为25～50ms。首先对孤石的(靠近土层)边缘孔进行爆破，利用边缘孔爆破产生的能量挤压周围土层而产生新的自由面，然后对其他孔进行爆破。

步骤8：考虑生态环境影响，进一步优化孤石爆破方案。

孤石爆破作业所在海域是中华白海豚的主要栖息地，中华白海豚是国家一级保护哺乳动物，也是濒危野生动植物种国际贸易公约的物种之一，需要严格控制水中冲击波超压值。参考鱼类安全超压临界值，取P

采用本实施例所提爆破方案(方法)进行孤石爆破预处理施工完成后，取芯检测爆破效果，均检测合格，完全满足盾构机掘进条件，无需补孔进行二次爆破。

该方法克服了现有技术中海域孤石爆破参数无针对性理论确定依据、块度效果控制不理想以及不考虑爆破作业对海洋生态环境影响等缺点和不足，实现了海域盾构隧道孤石的精细化、生态化、高效化和安全化爆破施工。