將軍山隧道光面爆破技術(shù)與參數(shù)的選擇

顏長(zhǎng)明 毛靜民 張吉祥 張自強(qiáng)

(1.浙江省臺(tái)州市鴻泰爆破工程有限公司 浙江 臺(tái)州:318000; 2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢:430080)

1 工程概況

將軍山隧道凈寬 10m,凈高 5m,隧道全長(zhǎng)748m,其中明挖部分長(zhǎng)度58m,V級(jí)圍巖區(qū)域長(zhǎng)度75m,掘進(jìn)斷面積 97.55m2,IV級(jí)圍巖區(qū)域長(zhǎng)度95m,掘進(jìn)斷面積 88.06m2,Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域長(zhǎng)度520m,掘進(jìn)斷面積75.37m2,隧道開(kāi)挖量約4.9萬(wàn)m3。將軍山隧道進(jìn)洞口段位于溝谷地帶,自然坡度約8°,地形等高線與隧道軸線近正交,上覆坡洪積層含碎石,厚約9.6m,坡面植被較發(fā)育;下部中風(fēng)化凝灰?guī)r節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,穩(wěn)定性較差,邊坡大部分為含粘性土碎石組成,穩(wěn)定性較差。出口段位于緩坡地帶,自然坡度約12°,地形等高線與隧道軸線呈大角度斜交,坡面植被較發(fā)育,表部坡洪積含粘性土碎石,厚約9.2m;下伏中風(fēng)化凝灰?guī)r節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,穩(wěn)定性較差。

將軍山隧道出入口處西南方向80m、東南方向50m處有民房(圖1)。隧道開(kāi)挖段環(huán)境比較良好。周邊爆破環(huán)境一般,環(huán)境復(fù)雜的爆破開(kāi)挖量較少。

2 隧道開(kāi)挖爆破方案

2.1 開(kāi)挖方案

圖1 將軍山隧道及環(huán)境平面圖

隧道爆破施工中普遍存在兩個(gè)問(wèn)題,一是如何充分發(fā)揮炸藥能量,提高炮眼利用效率;二是如何控制開(kāi)挖輪廓和爆破對(duì)圍巖的有害擾動(dòng)。由于開(kāi)挖對(duì)象、環(huán)境的復(fù)雜性和開(kāi)挖目的、用途的多樣性,爆破開(kāi)挖并沒(méi)有一成不變的模式,設(shè)計(jì)的目的就是要采用適用的技術(shù)解決開(kāi)挖中的問(wèn)題。

從隧道進(jìn)口向隧道出口方向獨(dú)頭掘進(jìn),Ⅳ、V級(jí)圍巖穩(wěn)定性較差,局部會(huì)產(chǎn)生塑性變形,開(kāi)挖面允許暴露時(shí)間短,超前小導(dǎo)管注漿后可提高圍巖穩(wěn)定性,采用正臺(tái)階開(kāi)挖法能有效減少爆破對(duì)圍巖的破壞。Ⅲ級(jí)圍巖基本穩(wěn)定的,可以采用全斷面開(kāi)挖,但考慮到它的橫斷面積大等不利因素,仍采用正臺(tái)階法開(kāi)挖。上部4m超前一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖,再開(kāi)挖下部臺(tái)階,在隧道開(kāi)挖作業(yè)時(shí),必須采取微差、光面等控制爆破,以確保施工效果和安全。

2.2 隧道施工方法與措施

采用YT-24型氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔(Φ40mm)、直眼掏槽的爆破作業(yè)方式掘進(jìn)。干燥炮孔采用Φ32mm的2#巖石硝銨炸藥,有水地段用Φ32mm的乳化炸藥,掏槽眼和輔助眼采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),周邊眼采用Φ25mm的乳化炸藥和連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光面爆破。非電毫秒微差導(dǎo)爆雷管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微差起爆。隧道上臺(tái)階裝巖采用PC60型小型號(hào)挖機(jī),下臺(tái)階裝巖采用ZL-50裝載機(jī),5t自卸式汽車(chē)直接運(yùn)至業(yè)主指定的棄碴場(chǎng)。

微差、光面爆破具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)爆破后巖面平整,減少超欠挖,減少炸藥用量,減少支護(hù)混凝土用量;

(2)巖碴塊度均勻適中,有利于裝碴,為后期鋪掛防水板及二次襯砌施工縮短時(shí)間;

(3)微差爆破減少了對(duì)圍巖的沖擊、振動(dòng),減少支護(hù)投入,節(jié)約施工成本,增加效益。

2.3 噴錨支護(hù)

以新奧法理論指導(dǎo)開(kāi)挖、支護(hù)施工,隧洞在開(kāi)挖施工中,必須對(duì)圍巖進(jìn)行位移量測(cè)、數(shù)據(jù)分析,及時(shí)采取相應(yīng)的措施,盡量保持圍巖的整體性和穩(wěn)定性,確保施工安全。

Ⅳ級(jí)和V級(jí)圍巖穩(wěn)定性較差,局部會(huì)產(chǎn)生塑性變形,開(kāi)挖前先打超前小導(dǎo)管,注漿穩(wěn)固圍巖,開(kāi)挖后再掛網(wǎng)錨噴支護(hù);Ⅲ圍巖基本穩(wěn)定,開(kāi)挖后采取掛網(wǎng)噴砼支護(hù),必要時(shí)安裝先錨后灌式注漿錨桿。

3 隧道爆破設(shè)計(jì)

3.1 炮眼參數(shù)選用和計(jì)算

隧道爆破參數(shù)的種類(lèi)有:正臺(tái)階的斷面布置;掏槽方式;光面爆破參數(shù)(最小抵抗線、炮眼間距、密集系數(shù)、不偶合系數(shù)、裝藥集中度);炮眼參數(shù)(炮眼直徑、深度、間距、抵抗線、孔數(shù));藥量參數(shù)(炸藥單耗、單孔藥量、段藥量、總藥量、延米藥量);裝藥結(jié)構(gòu);起爆參數(shù)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件,按經(jīng)驗(yàn)初選參數(shù),再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試爆確定下來(lái)。下面以將軍山隧道V級(jí)圍巖為例,對(duì)爆破開(kāi)挖中主要參數(shù)選用進(jìn)行計(jì)算。

隧道實(shí)際開(kāi)挖寬度12.20m,高9.8m,選用正臺(tái)階爆破開(kāi)挖的方法。上臺(tái)階(4m以上)面積33.43 m2,類(lèi)比其它工程單耗取1.4kg/m3,鉆孔孔徑40mm,設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺1.5m,由工程類(lèi)比可取炮眼平均深度L為1.65m,其中直眼掏槽的孔深為1.8m,輔助孔和周邊孔孔深1.65m。下臺(tái)階5.8m的開(kāi)挖面積64.12,由于增加了一個(gè)自由面,單耗取1.1kg/m3,鉆孔孔徑40mm,設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺2.0m,由工程類(lèi)比可取炮眼平均深度L為2.2m,其中直眼掏槽的孔深為2.3m,輔助孔和周邊孔孔深2.2m。

炮孔數(shù)N(不包括未裝藥的空眼數(shù)),按式(1)計(jì)算,上、下臺(tái)階孔數(shù)計(jì)算見(jiàn)表1。

式中:q——單位炸藥消耗量;s——開(kāi)挖面積; r——每米長(zhǎng)度炸藥的重量;n——炮孔裝藥系數(shù)。

表1 上、下臺(tái)階孔數(shù)計(jì)算表

3.2 單孔藥量的計(jì)算

每個(gè)炮孔的裝藥量按式(2)計(jì)算,上、下臺(tái)階單孔裝藥量計(jì)算見(jiàn)表2。

Q=n·L·r (2)

式中:n——炮孔裝藥系數(shù);L——孔深;r——每米長(zhǎng)度炸藥量。

表2 上、下臺(tái)階單孔裝藥量Q計(jì)算值、實(shí)際值表

3.3 控制光面的參數(shù)

周邊眼間距適當(dāng)縮小,可以控制爆破輪廓,避免超欠挖,又不致過(guò)大地增加鉆眼工作量,孔間距 E的大小與巖石性質(zhì)、炸藥種類(lèi)、炮眼直徑 d有關(guān),一般為 E=(8～18)d,本斷面選用 E=60cm。

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層,光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W,為80cm。

周邊眼的間距 E與光面爆破層厚度W有密切關(guān)系,E/W表示為周邊眼密集系數(shù) K。本例 K= 0.75。

炮眼直徑與藥卷直徑之比稱(chēng)為不偶合系數(shù),周邊眼不偶合系數(shù)為1.6。

3.4 爆破參數(shù)的確定

3.4.1 上部臺(tái)階爆破參數(shù)

隧道V級(jí)圍巖地段上部臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺1.5 m,循環(huán)方量50.15 m3,炸藥單耗1.4kg/m3,具體藥量可根據(jù)實(shí)際巖性調(diào)整,周邊眼采用Φ25mm小藥卷,其余炮眼采用Φ32mm藥卷,有水炮眼采用乳化炸藥,根據(jù)同類(lèi)隧道施工經(jīng)驗(yàn),掏槽眼孔排距取30cm×30cm;周邊孔距取600mm。

掏槽孔、輔助孔、周邊孔爆破參數(shù)列入表3,每循環(huán)藥量為71.55 kg(4.8+45.0+21.75),與按進(jìn)尺計(jì)算的每循環(huán)約量 Q=33.43＊1.5＊1.4= 70.2kg基本相符,參數(shù)選取可行,實(shí)際施工中可根據(jù)效果適當(dāng)調(diào)整。

表3 隧道V級(jí)圍巖地段上部爆破參數(shù)表

3.4.2 下部臺(tái)階爆破參數(shù)

下部臺(tái)階設(shè)計(jì)每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m,循環(huán)方量128.24 m3,炸藥單耗1.1kg/m3,具體藥量可根據(jù)實(shí)際巖性調(diào)整,周邊眼采用Φ25mm小藥卷,其余炮眼采用Φ32mm藥卷,有水炮眼采用乳化炸藥,根據(jù)同類(lèi)隧道施工經(jīng)驗(yàn),掏槽眼孔排距取15cm×15cm;周邊孔距取600mm。詳見(jiàn)爆破參數(shù)表4。

按進(jìn)尺計(jì)算的每循環(huán)約量Q=64.12＊2.0＊1.1=141.0kg與掏槽孔、輔助孔及周邊孔裝藥量之和(6.0+83.2+45=134.2kg)基本相符,參數(shù)選取可行,實(shí)際施工中可根據(jù)效果適當(dāng)調(diào)整。

表4 隧道V級(jí)圍巖地段隧道下部爆破參數(shù)表

4 起爆網(wǎng)路

采用孔內(nèi)毫秒微差起爆網(wǎng)路,雷管段別見(jiàn)起爆網(wǎng)絡(luò)圖,四通聯(lián)接,最后用導(dǎo)爆管引至安全起爆點(diǎn)施爆。根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的類(lèi)別、允許振速v、爆距 R、振動(dòng)衰減系數(shù)α與爆源性質(zhì)系數(shù) K計(jì)算出每一遲發(fā)段的限定藥量Q,用于校正最大段發(fā)藥量。計(jì)算公式如下,

式中,需要考慮洞口民房和洞內(nèi)圍巖兩處被保護(hù)對(duì)象,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)洞口民房,K=150,α=1.5, R=50m,v=1.5cm/s,相應(yīng)的最大段發(fā)藥量Q為12.5kg;對(duì)洞內(nèi)圍巖,K=16.23,α=1.29,R=5m, v=5cm/s[4],相應(yīng)的最大段發(fā)藥量Q為8.1kg。

圖2 V級(jí)圍巖地段上、下臺(tái)階工作面孔位及起爆網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),類(lèi)似V級(jí)圍巖地段隧道爆破振動(dòng)頻率均在100ms以下,為避免振動(dòng)強(qiáng)度的疊加作用,必須跳段使用雷管,特別是1～5段的雷管,由此設(shè)計(jì)如圖2所示起爆網(wǎng)絡(luò)。

5 爆破效果及結(jié)論

對(duì)浙江省三門(mén)縣將軍山隧道采用正臺(tái)階法開(kāi)挖方法和微差、光面爆破技術(shù),爆破后經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)收,周邊輪廓基本符合設(shè)計(jì)要求,巖石壁面基本平整,起伏度在15cm以內(nèi)。爆破后巖面保留有半眼孔痕,整體性好的圍巖半眼率大于85%。爆破后,在圍巖壁面上無(wú)粉碎損傷,無(wú)明顯新生裂隙,對(duì)圍巖破壞輕微。爆破后圍巖穩(wěn)定,基本無(wú)剝落現(xiàn)象,大的危石浮石少。循環(huán)進(jìn)尺理想。當(dāng)炮眼深度達(dá)3.0m時(shí),每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到2.7m以上。石碴最大塊40cm,碴堆集中,拋距30m。取得了比較理想的爆破效果。

[1] 東兆星.爆破工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 劉殿中.工程爆破實(shí)用手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

[3] J TJ042-94.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 齊景嶽.隧道爆破現(xiàn)代技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995.