老龍山隧道光面爆破的設(shè)計(jì)應(yīng)用
張 磊
摘 要：本文介紹了光面爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用及參數(shù)的確定和施工過程的質(zhì)量控制。
關(guān)鍵詞：隧道；光面爆破；爆破參數(shù)；質(zhì)量控制
一、工程概況
老龍山隧道位于山西省靜樂縣赤泥洼鄉(xiāng)留仙村境內(nèi)，隧道左線長4978米，右線長4945米，是太原到佳縣高速公路東段的重點(diǎn)控制性工程。我單位承擔(dān)出口段施工：左線EZK56＋818- EZK58＋800，右線EYK56＋800- EYK58＋815，其中Ⅴ級(jí)圍巖215米，Ⅳ級(jí)圍巖560米，Ⅲ級(jí)圍巖1340米，Ⅱ級(jí)圍巖1882米。Ⅱ級(jí)圍巖開挖面積為82.7m2,采用全斷面開挖和光面爆破，非電毫秒雷管起爆，減少了超欠挖，減弱了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高開挖質(zhì)量確保了施工安全。
二、光面爆破
光面爆破是按隧道斷面的設(shè)計(jì)輪廓線合理布置周邊眼而采取的一種控制爆破，實(shí)質(zhì)就是爆破光面層，實(shí)施爆破后，在隧道周邊形成一個(gè)光滑平整的邊壁，使隧道斷面既符合設(shè)計(jì)輪廓要求，又能保證孔壁巖石不產(chǎn)生或少產(chǎn)生破壞，形成光滑的表面和一定的斷面形狀。
在隧道掘進(jìn)中采用光面爆破有以下優(yōu)點(diǎn)：
（一）能有效減少超挖和挖運(yùn)巖石量，能夠加快隧道掘進(jìn)速度，降低成本；
（二）圍巖輪廓外裂隙區(qū)范圍小，對(duì)圍巖強(qiáng)度破壞不大，能顯著提高隧道穩(wěn)定性和輪廓質(zhì)量，減少支護(hù)工作量和支護(hù)材料的消耗，確保隧道施工安全；
(三)做好光面爆破能保證防水板與襯砌混凝土和圍巖緊密貼合，不產(chǎn)生空洞，保證施工質(zhì)量。
三、施工方法和機(jī)具
老龍山隧道Ⅱ級(jí)圍巖段采用全斷面開挖光面控制爆破，鉆孔采用自制簡易臺(tái)車，YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，鉆頭直徑42mm。采用ZLB50B側(cè)卸式裝載機(jī)和反鏟挖掘機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)輸至洞外。
四、光面爆破的設(shè)計(jì)
（一）進(jìn)尺與炮眼深度的選擇
一般隨著眼深的增加,單循環(huán)的進(jìn)尺也越高。但鉆眼的深度與鉆眼機(jī)械有關(guān),隨著眼深的增加,鉆眼效率降低,而且眼孔易出現(xiàn)彎曲,孔間誤差過大影響爆破效果。通過實(shí)踐證明,老龍山隧道在Ⅱ級(jí)圍巖條件下,每循環(huán)進(jìn)尺3.0m,炮眼深度在3.2～3.4m比較合適。
（二）爆破器材及起爆順序
選擇2號(hào)巖石硝銨**,規(guī)格為φ32×200(0.15kg/卷)和φ25×200(0.12kg/卷),塑料導(dǎo)爆管采用1:15段非電毫秒雷管。光面爆破時(shí),從掏槽眼開始,一層一層從截面中心往外進(jìn)行,最后是周邊眼爆破。布置雷管段號(hào)時(shí)應(yīng)注意,安排合理的段間隔時(shí)間,前一段的起爆要盡量為后一段爆破創(chuàng)造良好的臨空面。
（三）掏槽眼
掏槽效果的好壞直接影響掘進(jìn)效果和炮孔利用率。老龍山隧道鉆爆施工中采用斜眼掏槽。
（四）爆破參數(shù)選擇
影響光面爆破效果的主要參數(shù)是:周邊炮眼間距E、周邊眼密集系數(shù)m、最小抵抗線W、不偶合系數(shù)D、裝藥集中度q。實(shí)踐證明這些參數(shù)是共同起作用的,只有這些參數(shù)都在正確的范圍內(nèi)時(shí),爆破效果才是最理想的。各種參數(shù)中周邊眼裝藥集中度q,是最重要的參數(shù)。所以對(duì)光面爆破來講,根據(jù)地質(zhì)條件、**品種、性能等因素,正確設(shè)計(jì)裝藥集中度q是最為重要的。影響光面爆破參數(shù)變化的因素很多,主要有巖石的爆破性能、**品種、一次爆破的斷面大小、斷面形狀、鑿巖設(shè)備性能、地質(zhì)條件等。其中最主要的是地質(zhì)條件的變化。
1.周邊眼間距a0
周邊眼間距和最小抵抗線是光面爆破的2個(gè)重要參數(shù)。一般原則是:軟巖和層理節(jié)理發(fā)育的巖層上,眼距應(yīng)小而抵抗線應(yīng)大,在堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層上,眼距應(yīng)大些,抵抗線應(yīng)小些。隧道跨度較大時(shí),眼距適當(dāng)加大。隧道開挖施工爆破可按下式確定周邊眼間距a0。
a0=(12～16)d1
式中:d1為炮眼直徑;mm。
對(duì)于隧道光面爆破的周邊眼間距可取600～700mm,若開挖面曲率較大,巖石對(duì)爆破的夾制作用較強(qiáng),炮眼間距可縮小至450～500mm,導(dǎo)向空眼和裝藥眼之間的間距一般不小于400mm。以理論為依據(jù),通過反復(fù)試驗(yàn)和綜合分析論證,老龍山隧道Ⅱ級(jí)圍巖可取a0=60cm。
2.炮眼密集系數(shù)m
炮眼密集系數(shù)也稱炮眼鄰近系數(shù),它表達(dá)了炮眼間距a0與最小抵抗線W 之間的關(guān)系即m= a0/W,是光面爆破參數(shù)確定中的一個(gè)關(guān)鍵值。目前,在工程施工中,光面層厚度的確定,一般情況下,周邊眼間距a0與光面層厚度W 的比值為:
m= a0/W=0.8～1.0
當(dāng)m>1時(shí),說明a0值偏大,W 值偏小,爆破時(shí)易出現(xiàn)眼間裂縫,周邊眼尚未溝通前應(yīng)力波已傳到二圈眼,這樣光面眼就變成偏斗爆破。當(dāng)a0=W 時(shí), m=1。爆破時(shí)光面眼之間的裂縫形成較好;當(dāng)m=0.5時(shí),即2a0=W,光面層不易爆下來,實(shí)踐表明m=0.8～1.0時(shí)較好。
3.光面爆破的最小抵抗線
理論和實(shí)踐證明,光面爆破炮眼間距與最小抵抗線之比取0.8為好,即: E/W=0.8,W=1.25E
當(dāng)巖石堅(jiān)韌時(shí),抵抗線W 應(yīng)減小;巖石破碎時(shí),在節(jié)理裂隙發(fā)育處,抵抗線W 應(yīng)增大。
4.不耦合系數(shù)D
炮眼直徑與藥包直徑的比值稱為不耦合系數(shù)。當(dāng)不耦合系數(shù)D=1時(shí),表示藥包與孔壁緊密接觸。當(dāng)D>1時(shí),表示藥包與孔壁之間存在著空氣間隙。當(dāng)藥包與孔隙之間存在著空氣間隙時(shí),爆破將在間隙中衰減很多,導(dǎo)致作用于孔壁的沖擊壓力大為減小,從而減小了傳遞給巖面的爆炸能量。因此,在實(shí)際施工中,主要采用耦合裝藥改變裝藥結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制爆破。
研究表明,不耦合系數(shù)的大小與炮壁上的最大切向應(yīng)力之間呈指數(shù)關(guān)系。因此,當(dāng)炮眼直徑為32～45mm時(shí),不耦合系數(shù)D=1.5～2.0。
5.裝藥集中度q
(1)循環(huán)耗藥量的計(jì)算
Q=k×S×L
式中:k為爆破1m3巖石的用藥量,kg/m3;S為導(dǎo)坑斷面面積;L為炮眼深度。
(2)**量的分配
爆破隧道不同部位的炮眼所起的作用不同,因而各部位炮眼的裝藥量也不同。
q=k×a0×ω×L×λ
式中:q為單眼裝藥量,kg;k為單位**消耗量,kg/m3;ω為炮眼爆破方向的抵抗線,m; a0
為炮眼間距,m;L為炮眼深度,m;λ為炮眼的部位系數(shù),掏槽炮眼λ=2～3,擴(kuò)槽炮眼λ=2,掘進(jìn)槽土λ=0.8,掘進(jìn)槽側(cè)λ=1,內(nèi)圈炮眼λ=0.6,底眼λ=1.5。
6.裝藥結(jié)構(gòu)
(1)周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)
將每卷乳化**剖成4等分間隔裝藥,并在各卷藥間串聯(lián)導(dǎo)爆線,讓藥卷架空于鉆孔中間,適當(dāng)采用孔底集中裝藥以提高炮眼利用率,為了充分利用**能量,使**威力均勻作用在兩炮眼的巖石中,相鄰藥卷錯(cuò)開,使峒壁爆裂光滑整齊,提高光爆效果。
(2)掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)
掏槽眼采用正向裝藥起爆。
7.輔助眼參數(shù)的確定
內(nèi)圈眼孔所在的位置即是光爆抵抗線的外邊緣,內(nèi)圈眼孔爆破質(zhì)量好壞,直接影響著周邊孔的光爆質(zhì)量。實(shí)踐表明,內(nèi)圈眼孔距E'=1.5～2.0ω,掏槽眼擴(kuò)大孔既是掏槽眼的輔助炮眼,又是對(duì)掏槽炮所在爆槽口起擴(kuò)大“戰(zhàn)果”的作用,因而它的炮孔底部與掏槽孔底部距離應(yīng)比其他擴(kuò)大炮小一些,才便于保證槽口順利地向外擴(kuò)展,其孔底間距視巖石堅(jiān)硬程度而定,一般在50～100cm。擴(kuò)大炮孔間距需視巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度而定,擴(kuò)大孔孔口間距為周邊孔距的
1.5～2.0倍,并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整。
8.合理段間隔時(shí)間的選擇
爆破時(shí)產(chǎn)生超挖,主要有兩個(gè)原因,一是由于爆轟波的相互疊加而加劇了對(duì)圍巖的破壞;二是各段間隔秒差過小而使爆破中未能充分形成自由面。經(jīng)過多次試驗(yàn)得出周邊眼用導(dǎo)爆索,老龍山隧道掏槽眼和輔助眼采用1、2、3、4、5、6段,周邊眼采用7、8段雷管串聯(lián)導(dǎo)爆線起爆效果最好。底板眼的爆破,習(xí)慣的做法是加大裝藥量,并且最后同時(shí)起爆,以達(dá)到翻渣的目的,便于出渣。但是隧道爆破振動(dòng)觀測(cè)表明,隧道爆破產(chǎn)生的地震動(dòng)強(qiáng)度,除掏槽眼最大外,其次是底板眼的爆破,有時(shí)底板眼爆破產(chǎn)生的地震動(dòng)強(qiáng)度最大,從保護(hù)圍巖的角度來看,顯然是不合理的。所以我們改變了傳統(tǒng)的習(xí)慣做法,將底板眼分成兩段分開起爆,底板眼同段起爆,共同作用的**量,改變了底板眼抵抗線的方向,實(shí)際上是縮小了底板眼的抵抗線,從而減小底板眼爆破產(chǎn)生的地震動(dòng)強(qiáng)度。
五、隧道開挖質(zhì)量的控制
隧道施工最主要的原則是要像保護(hù)眼睛那樣地保護(hù)圍巖，要想方設(shè)法地加強(qiáng)圍巖的自支護(hù)能力。保護(hù)圍巖的措施視圍巖性質(zhì)、圍巖固有的自支護(hù)能力而定,對(duì)堅(jiān)硬圍巖主要是控制對(duì)遺留巖體的損傷,對(duì)軟弱破碎巖體則是如何防止圍巖的松弛,提高圍巖的自支護(hù)能力。為了控制好隧道的開挖質(zhì)量,應(yīng)做好以下幾項(xiàng)工作。
（一）改變“寧超勿欠”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)
在控制隧道超欠挖的施工中，首先要對(duì)司鉆人員進(jìn)行崗前培訓(xùn),必須改變“寧超勿欠”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，樹立“少欠少超”的觀點(diǎn)，應(yīng)熟練掌握炮眼的角度、眼口位置的選擇、眼底位置的控制等, 施工人員要有很強(qiáng)的責(zé)任心。
（二）提高鉆孔技術(shù)水平
鉆眼對(duì)隧道超欠挖(h)主要受周邊炮眼的外插角θ、開口位置e和鉆眼深度L的影響,四者之間的關(guān)系如下:h=e+Ltanθ。隨著外插角θ和鉆眼深度L的增大,h值也相應(yīng)增大。為了減少因鉆眼誤差而引起的超欠挖,必須做到:
1.周邊炮眼的開口位置應(yīng)盡量在開挖輪廓線上,即e=0;
2.周邊炮眼的外插角根據(jù)鉆眼深度和允許超欠挖計(jì)算,一般應(yīng)控制在30以內(nèi)(當(dāng)L=3m時(shí),h=15.7cm);
3.所有炮眼(掏槽眼除外)的眼底位置應(yīng)盡可能的在同一垂直面上。
（三）選擇合理的爆破參數(shù)。
隧道爆破質(zhì)量的好壞主要在于爆破參數(shù)的合理選定。在光面爆破中,主要的技術(shù)參數(shù)包括:周邊炮眼的布置、掏槽炮眼的布置、炮眼裝藥結(jié)構(gòu)、單位巖石**消耗量和起爆順序等。
（四）提高測(cè)量放線精度。
控制超欠挖主要是控制好開挖輪廓線(或周邊孔線)的精度。為此，首先要保證中線和高程的準(zhǔn)確，其次是要通過正確的方法來確保設(shè)計(jì)開挖斷面各部位的尺寸的正確。每次測(cè)量放線時(shí),對(duì)上次爆破斷面進(jìn)行檢查,并及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),以達(dá)最佳的爆破效果。
（五）根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整施工方法。
地質(zhì)條件是客觀條件，它是確定爆破參數(shù)的基本依據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中,應(yīng)緊跟開挖面對(duì)圍巖進(jìn)行觀測(cè)描述,并對(duì)圍巖的節(jié)理裂隙狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),據(jù)此調(diào)整爆破參數(shù)和施工方法或采取局部內(nèi)炮眼、局部空孔不裝藥、加密炮眼、局部調(diào)整起爆順序等輔助措施。如遇到斷層破碎帶時(shí),采取預(yù)裂爆破或預(yù)留光爆層的方法施工。
（六）采取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ā?br /> 臺(tái)階法與全斷面開挖，有軌運(yùn)輸與無軌運(yùn)輸,以及不同的出渣方式,都影響光爆參數(shù)的選擇,效果相應(yīng)就有所改變。
（七）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的施工組織管理。
在控制隧道超欠挖中,需要建立一個(gè)比較完善、系統(tǒng)的質(zhì)量保證體系,對(duì)作業(yè)全過程及相關(guān)因素實(shí)行嚴(yán)格的科學(xué)管理。現(xiàn)場(chǎng)的組織管理是指人員組織、作業(yè)安排、技術(shù)交底與指導(dǎo)、質(zhì)量檢測(cè)及相應(yīng)的規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定等。管理的目的就是要把眾多的因素置于可控狀態(tài),達(dá)到爆破設(shè)計(jì)的基本要求。
六、應(yīng)用效果
施工中根據(jù)圍巖的不同情況,及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),選擇合理的鉆爆參數(shù),不斷完善爆破設(shè)計(jì)，提高了開挖質(zhì)量,不僅有效地發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力,而且還提高了經(jīng)濟(jì)效益。在老龍山隧道快速掘進(jìn)過程中,光爆施工效果良好,爆破后炮眼保存率達(dá)85%-95%,兩茬炮銜接臺(tái)階最大尺寸為8cm,超欠挖量僅為5%左右；巖渣塊體較小且均勻，利于裝渣，節(jié)省裝運(yùn)時(shí)間；減少支護(hù)工作量，降低工程造價(jià)。

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