6-光面爆破技術(shù)在隧道Ⅲ級水平圍巖中的應(yīng)用

PAGE1-光面爆破技術(shù)在隧道Ⅲ級水平圍巖中的應(yīng)用【摘要】本文以我單位所施工的包西鐵路洞子崖隧道掘進(jìn)開挖為例，介紹了光面爆破技術(shù)在隧道Ⅲ級水平圍巖施工中的應(yīng)用。通過實(shí)踐和參數(shù)調(diào)整，對光面爆破的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體論述，并提出了施工建議，為以后類似地質(zhì)情況下的隧道爆破開挖提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考?！娟P(guān)鍵詞】隧道光面爆破爆破參數(shù)水平圍巖應(yīng)用光面爆破技術(shù)在隧道鉆爆法施工中占有重要位置，它被確認(rèn)為控制周邊超欠挖的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，它對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、開挖質(zhì)量控制好，節(jié)約支護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高開挖作業(yè)的工作效率。它的成敗與好壞直接影響到圍巖的穩(wěn)定及后續(xù)工序的正常進(jìn)行和施工速度，是隧道掘進(jìn)施工非常重要的組成部分。光面爆破是在隧道開挖輪廓線上布置較密的炮孔（相對普通爆破），采用裝少量炸藥的特殊裝藥結(jié)構(gòu)，在主爆體爆破后起爆，使巖體沿開挖輪廓線爆除，使圍巖最大限度的少受損傷的一種爆破技術(shù)。1工程概況洞子崖隧道位于澄城縣縣馮源鎮(zhèn)境內(nèi)，洞長1323m，為雙線隧道，全隧位于直線上。該隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，Ⅲ級圍巖區(qū)全長824m，支護(hù)參數(shù)為噴C25砼10㎝；徑向注漿φ22砂漿錨桿，長250㎝，120×150㎝梅花型布置，每環(huán)12根；鋼筋網(wǎng)φ6單層，網(wǎng)孔間距25㎝×25㎝；二次模注35㎝厚C30混凝土；仰拱混凝土厚45㎝。拱墻部為同心圓，凈高8.92m，凈寬12.06m，毛洞開挖最大寬度13.56m。該隧道地屬陜西黃土高原梁峁溝壑區(qū)，沿線出露的地層上部為第四系更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土或第四系全新統(tǒng)沖擊黏質(zhì)黃土覆蓋層，底部主要為三疊系下統(tǒng)頁巖夾砂巖或砂巖夾頁巖，節(jié)理較發(fā)育。該隧道設(shè)計(jì)以Ⅲ級圍巖為主，施工過程中遇到淺埋、水平巖層及軟巖段要加強(qiáng)支護(hù)措施，同時(shí)注意開挖方法的調(diào)整。2光面爆破的成縫機(jī)理炸藥爆炸時(shí)，炮孔壁面受壓縮應(yīng)力波所衍生的切向應(yīng)力作用，在相鄰炮孔之間形成應(yīng)力加強(qiáng)帶，產(chǎn)生少數(shù)徑向裂隙，形成裂縫；裝藥結(jié)構(gòu)的合理選擇如不耦合裝藥、間隔裝藥等緩沖裝藥結(jié)構(gòu)使得爆轟氣體對孔壁的作用時(shí)間延長，在相鄰炮孔之間形成由爆轟氣體引起的應(yīng)力加強(qiáng)帶，形成炮孔間規(guī)則的環(huán)向裂紋；孔壁間存在著鉆孔時(shí)形成的微細(xì)裂隙，炮孔間距的大小合適，裂隙就從孔壁開始沿炮孔連心線向鄰孔方向進(jìn)行擴(kuò)張，同時(shí)孔內(nèi)爆生氣體高速楔入，加快了裂隙的擴(kuò)展速率，最終相鄰炮孔間貫穿成縫；起爆時(shí)差的選擇也是光面爆破成縫的重要因素，瞬發(fā)電雷管或同段別的雷管同時(shí)起爆在生產(chǎn)上是很難保證的，畢竟存在著一定的微小時(shí)差，對于光面爆破，周邊眼同時(shí)起爆或極短時(shí)差起爆效果最好，成縫較明顯。對于長時(shí)差起爆，由于先爆炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波逐漸衰弱，爆生氣體逸散，相鄰炮孔間的動(dòng)、靜應(yīng)力場失去疊加作用，不能達(dá)到光爆效果。因此光面爆破成縫機(jī)理上分析要注意爆破參數(shù)的合理選擇和設(shè)計(jì)，方能達(dá)到較好的爆破效果。3光面爆破施工工藝洞子崖隧道Ⅲ級水平圍巖段采用光面爆破開挖，嚴(yán)格控制裝藥量及按照光面爆破設(shè)計(jì)施工，減少爆轟波對圍巖的擾動(dòng)，達(dá)到愛護(hù)圍巖的目的。隧道開挖采用加工臺(tái)架人工用風(fēng)槍鉆眼，非電毫秒雷管微差起爆，分多段起爆。起爆順序：先掏槽后擴(kuò)槽、從低段到高段逐段起爆，周邊眼最后起爆。3.1工藝流程光面爆破受多種因素影響，包括圍巖強(qiáng)度、整體性、節(jié)理、層理等地質(zhì)因素，現(xiàn)場圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整。同一類圍巖經(jīng)試爆取得的技術(shù)參數(shù)，做為初步依據(jù)，每一循環(huán)爆破作業(yè)都由有經(jīng)驗(yàn)的爆破工程師根據(jù)上一循環(huán)爆破效果，以及本循環(huán)圍巖特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，選擇一組最佳技術(shù)參數(shù)。上一循環(huán)是下一循環(huán)的預(yù)設(shè)計(jì)和試爆破。光面爆破設(shè)計(jì)工藝流程見下圖。圖1光面爆破設(shè)計(jì)流程圖測定圍巖參數(shù)爆破參數(shù)預(yù)設(shè)計(jì)圖1光面爆破設(shè)計(jì)流程圖測定圍巖參數(shù)爆破參數(shù)預(yù)設(shè)計(jì)試爆破確定爆破參數(shù)爆破效果評判結(jié)合圍巖具體特征調(diào)整參數(shù)調(diào)整爆破參數(shù)不理想鉆爆作業(yè)理想合理設(shè)計(jì)起爆順序，搞好周邊眼的參數(shù)設(shè)計(jì)，提高光爆效果；在保證安全的前提下，盡可能提高掘進(jìn)速度、縮短工期。炮孔布置間距要適合風(fēng)槍鉆孔和炮孔成孔；盡量提高炸藥能量利用率，采用間隔裝藥或不耦合裝藥，以減少炸藥用量；采用光面爆破，減少對圍巖的破壞，控制好開挖輪廓線，確保炮孔的半爆率。3.3爆破器材選用炸藥采用乳化炸藥，選用Φ25規(guī)格藥卷，周邊眼采用導(dǎo)爆索起爆。在炸藥的選擇上，光面爆破要選定低密度、低爆速、低猛度的炸藥，采用合理裝藥結(jié)構(gòu)。3.4光面爆破參數(shù)的選擇爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)是爆破成功的關(guān)鍵，合理的爆破參數(shù)不但能滿足施工的實(shí)際要求，而且使爆破效果達(dá)到良好的爆破效果，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。影響光面爆破的因素很多，參數(shù)選擇是其中的一個(gè)重要方面，因此在全面考慮影響因素的前提下，以理論計(jì)算為依據(jù)，以工程類比作參考，綜合確定爆破參數(shù)。3.4.1不耦合裝藥系數(shù)：合理的不耦合裝藥系數(shù)使炮孔壓力低于孔壁巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度而高于動(dòng)抗拉強(qiáng)度。在這里不耦合系數(shù)取2.0～2.3較好。3.4.2光爆孔間距E：光爆孔間距一般為孔眼直徑的10～14倍。對于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石可以取小值，這里取10倍（為水平巖層且節(jié)理發(fā)育）。3.4.3最小抵抗線W：光爆層厚度或周邊眼至相鄰輔助眼的距離就是光面爆破的最小抵抗線，應(yīng)大于光爆孔的間距。抵抗線不應(yīng)過大。3.4.4炮孔密集系數(shù)E/W：炮孔密集系數(shù)在0.8～1.0時(shí)，光面爆破效果較好，對于軟巖，取小值。3.4.5裝藥集中度q：指單位長度炮孔中裝藥量的多少，單位采用g/m或kg/m。為了控制裂縫的發(fā)展，保持新壁面的完整穩(wěn)固，在保證沿炮孔連接線破裂的前提下，盡量減少裝藥量。對于軟巖來說，一般采用70～120g/m，中硬巖為100～150g/m，硬巖150～250g/m。3.4.6起爆間隔時(shí)間：齊發(fā)起爆的裂縫表面最平整，微差起爆次之，而秒延期起爆最差。齊發(fā)起爆時(shí)，炮孔貫通裂縫較長，可以抑制其他方向裂隙的發(fā)展，有利于減少炮孔周圍裂隙的產(chǎn)生并形成平整的表面。對于光面爆破來說，合理進(jìn)行炮孔布置，搞好裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理選擇起爆順序，做好爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，是隧道光面爆破施工的關(guān)鍵。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定參數(shù)的設(shè)計(jì)（參數(shù)選擇可參照下表）。表1光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)參考表圍巖情況E(cm)W(cm)E/WQ(kg/m)硬巖50-7060-800.7-1.00.30-0.35中硬巖40-6560-800.7-1.00.20-0.30軟巖35-5045-600.5-0.80.07-0.12炮眼深度L：根據(jù)該隧道圍巖的實(shí)際情況：石質(zhì)以砂巖夾頁巖、砂巖夾泥巖、頁巖夾砂巖為主，圍巖軟硬相間，巖層近水平，傾角3～10°，進(jìn)行爆破預(yù)設(shè)計(jì)，確定炮眼深度為3.0m，周邊眼間距E取40cm；抵抗線W：根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)取W=E/0.8，取50cm。施工中根據(jù)爆破效果和圍巖變化情況及時(shí)調(diào)整鉆爆參數(shù)，以達(dá)到最佳光爆效果。堵塞長度：堵塞長度不小于20cm。掏槽眼形式：掏槽眼采用楔形掏槽，開口角度控制在60～70°，掏槽眼間距1.6m，距底板線0.8～1m處。3.4.7施工有關(guān)要求：在鉆孔施工時(shí)要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求，對其位置（眼距誤差小于50mm）、方向（外偏斜小于50mm/W）、深度（誤差不大于100mm）均在誤差范圍內(nèi)。嚴(yán)格按光面爆破的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制，超欠挖應(yīng)符合規(guī)范要求。根據(jù)不同巖石條件，超挖量不超過10-15cm，而且不得欠挖；要有較高的炮眼殘留率，炮痕不留明顯的爆破痕跡。3.5正確確定開挖尺寸：正確地確定開挖輪廓線，嚴(yán)格控制開挖斷面，不允許欠挖、超挖超過允許值。目前我們配備了激光斷面儀，可以更方便的檢測開挖斷面，避免欠挖；另外，圍巖變形失控也可造成欠挖，若圍巖變形趨勢能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可以采用增設(shè)錨桿，加厚噴層等及時(shí)封閉仰拱，形成封閉圓環(huán)等方法，使變形得以控制，不致侵入界限。3.6開挖過程中的防坍塌問題：開挖過程周圍巖石松動(dòng)、落石、局部坍塌，大的坍方冒頂，這些都是開挖過程中的安全問題，也往往是隧道超挖的原因。坍塌是周圍的巖石不穩(wěn)定造成的，屬于一種地質(zhì)災(zāi)害，但是“誘導(dǎo)因素”主要是人為造成的。（1）開挖過程中，不注意開挖面的地質(zhì)記錄，開挖不當(dāng)造成超挖。事實(shí)上，從實(shí)測地質(zhì)描述中可以預(yù)測前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題，有條件的可以對工作面前方用儀器進(jìn)行地質(zhì)掃描。隧道開挖過程中要做好地質(zhì)記錄，充分利用對上一循環(huán)的爆破效果評判，優(yōu)化本循環(huán)的爆破參數(shù)，減少超、欠挖。（2）一個(gè)高水平的光面爆破不但開挖輪廓規(guī)整圓順，而且對周圍巖石擾動(dòng)很小。爆破參數(shù)確定后，也嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，否則即使設(shè)計(jì)是正確的，施工不按炮眼設(shè)計(jì)位置鉆孔，周邊孔少打眼、多裝藥，好巖石炸松動(dòng)了，也將造成落石坍方。3.7周邊炮眼裝藥結(jié)構(gòu)：周邊炮眼采用不耦合系數(shù)小于1.8不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，φ40孔采用φ25小直徑藥卷間隔裝藥；導(dǎo)爆管、竹片用電工膠布與炸藥卷綁在一起。3.8光面爆破設(shè)計(jì)：光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不僅要考慮周邊眼，還必須同時(shí)嚴(yán)格控制靠近周邊眼的主炮孔的裝藥情況，任何主炮孔爆破產(chǎn)生的裂隙破壞區(qū)均不得超過周邊眼的裂隙破壞區(qū)。爆破振動(dòng)速度計(jì)算的振速范圍可參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：v=70Q0.7/R1.5，其中v為振速（cm/s）,Q為單孔裝藥量（kg），R為孔距（m），對周邊眼產(chǎn)生危險(xiǎn)的振速范圍為70-100cm/s，對于3米的炮孔，周邊孔的線裝藥密度及與周邊眼相距1米的炮孔的裝藥量，對光面爆破的質(zhì)量影響有很大關(guān)系。因此，光面爆破的爆破參數(shù)主要考慮孔徑φ、藥徑d、線裝藥密度q，最小抵抗線W和孔間距a等.根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì),該爆破光面爆破參數(shù)見下表2表2雙線Ⅲ級圍巖光面爆破參數(shù)周邊眼布置孔徑孔間距線裝藥密度（g/m）最小抵抗線藥卷直徑裝藥結(jié)構(gòu)雷管段別備注上臺(tái)階40mm40cm21050cm25mm不耦合裝藥12段中臺(tái)階40mm45cm22055cm25mm不耦合裝藥12段下臺(tái)階40mm45cm23058cm25mm不耦合裝藥12段仰拱40mm50cm25060cm25cm不耦合裝藥11段3.9爆破施工控制要點(diǎn)：嚴(yán)格控制裝藥量和段間延期時(shí)差，達(dá)到控制爆破振速的目的，最大限度地減小對周邊圍巖的擾動(dòng)和破壞；每個(gè)開挖循環(huán)都要進(jìn)行施工測量，控制開挖斷面，在掌子面上用紅油漆畫出隧道開挖輪廓線及標(biāo)定周邊炮眼位置，誤差不超過1cm。鉆眼必須按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。鉆眼時(shí)掘進(jìn)眼保持與隧道軸線平行，除底眼外，其它炮眼口比孔底低5cm，以便鉆孔時(shí)的巖粉自然流出，周邊眼外插角控制在3°以內(nèi)，保持最大超挖量小于7cm。掏槽眼嚴(yán)禁互相打穿相交，底眼比其它炮眼深20cm。裝藥前炮眼用高壓風(fēng)吹干凈，檢查炮眼數(shù)量。裝藥時(shí)，由爆破員分好毫秒雷管段別，按爆破設(shè)計(jì)順序裝藥，裝藥作業(yè)分組分片進(jìn)行，定人定位，確保裝藥作業(yè)有序進(jìn)行，防止雷管段別混亂，影響爆破效果。每眼裝藥后用炮泥堵塞20cm。起爆采用電雷管--塑料導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)，雷管聯(lián)接好后爆破員進(jìn)行檢查，檢查雷管的連接質(zhì)量及是否有漏聯(lián)雷管，檢查無誤后發(fā)出起爆信號(hào)。雙線Ⅲ級圍巖光面爆破炮眼布置見圖；3.10光面爆破技術(shù)措施：提高測量放樣精度，確保周邊眼的定位誤差在3cm以內(nèi)；周邊眼鉆孔精度的控制，周邊眼鉆孔誤差在2cm以內(nèi)；鉆孔外插角控制在2°以內(nèi)，控制每循環(huán)爆破進(jìn)尺，確保眼底和孔口之間最大偏距不超過10cm；根據(jù)本工程地質(zhì)資料，進(jìn)行了論證和爆破試驗(yàn)，選擇了與本工程地質(zhì)特性、圍巖巖性相匹配的炸藥品種，提高了爆破效果；根據(jù)圍巖巖性，選擇確定光面爆破周邊眼間距、抵抗線、不偶合裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、堵塞長度等爆破參數(shù)，確定各主爆孔特別是掏槽眼的爆破參數(shù)，確保光面爆破達(dá)到預(yù)期效果，洞身段采用光面爆破，嚴(yán)格控制周邊眼裝藥量，最大限度地減小爆破對周邊圍巖的擾動(dòng)和破壞；4結(jié)束語Ⅲ級水平巖層雖易發(fā)生坍塌、掉塊等現(xiàn)象，但如果根據(jù)圍巖情況，認(rèn)真進(jìn)行掌子面的地質(zhì)素描，并做出準(zhǔn)確判斷，適當(dāng)調(diào)整光爆參數(shù)，隧道的超欠挖是可以得到有效控制的。通過實(shí)踐，可總結(jié)如下幾點(diǎn)啟示：4.1光面爆破的周邊眼炮孔布置要求嚴(yán)格，鉆孔時(shí)做到孔位準(zhǔn)確，長度整齊，方位準(zhǔn)確，開孔位置偏差滿足設(shè)計(jì)要求；4.2嚴(yán)格控制裝藥量，保證合理的裝藥結(jié)構(gòu)，是光面爆破取得成功的關(guān)鍵；4.3合理設(shè)計(jì)光面爆破的參數(shù)，正確組織施工，是保證施工效果的前提；4.4對于節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖，特別是水平分層圍巖，選擇合適的炮孔間距，能取得較好的質(zhì)量效果；4.5通過實(shí)踐和參數(shù)調(diào)整，光面爆破質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)，可以從爆破半爆率、超欠挖質(zhì)量和兩次爆破的銜接臺(tái)階尺寸上判斷，為今后類似的施工提供參考。參考文獻(xiàn)：[1]于書翰《隧