隧道軟弱圍巖鉆爆施工方法

董明明

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

吉縣至河津高速公路西家塔隧道位于鄉(xiāng)寧縣昌寧鄉(xiāng)門(mén)家溝村與西交口鄉(xiāng)溝西村之間，設(shè)計(jì)為左右分離式，隧道左右線(xiàn)均屬于長(zhǎng)隧道，呈北南走向，兩洞中軸線(xiàn)最大間距約35 m，最小間距約20 m，其右線(xiàn)全長(zhǎng)2 120 m，左線(xiàn)全長(zhǎng)2 137 m。該合同段承建的為隧道的出口端，右線(xiàn)為 1 275 m，左線(xiàn)為1 290 m；出口端洞口里程樁號(hào)為K25+775（ZK25+790），洞體最大埋深161.93 m。

2 圍巖地質(zhì)情況

隧道位于采空區(qū)之上，采空區(qū)位于隧道底之下48～171 m。洞體圍巖由二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組泥巖、砂巖和石炭系上統(tǒng)山西組頁(yè)巖組成，巖層傾角約為12°，層理面清晰，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖巖體破碎，巖質(zhì)軟，抗風(fēng)化能力弱，圍巖穩(wěn)定性差，開(kāi)挖時(shí)易產(chǎn)生坍塌，成洞困難。

3 目的

西家塔隧道出口端主要為V2級(jí)圍巖，洞體圍巖主要為泥巖、砂巖，且?guī)r體破碎，若按常規(guī)的爆破施工方法，循環(huán)進(jìn)尺若相對(duì)較大，超欠、挖現(xiàn)象比較嚴(yán)重，同樣也將影響工程成本和工程質(zhì)量。由于本工程工期緊、任務(wù)重，能否按期完成施工，且保證工程質(zhì)量和工程成本的前提下，采用合理的鉆爆施工方法至關(guān)重要。

本文通過(guò)對(duì)鉆爆施工的炮眼布置、參數(shù)設(shè)置、裝藥量控制等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，即提高了循環(huán)進(jìn)尺，加快了進(jìn)度，又使超欠挖現(xiàn)象得到了有效的控制。

4 鉆爆參數(shù)

隧道開(kāi)挖嚴(yán)格遵循“新奧法”原理，采用光面爆破技術(shù)，利用電雷管導(dǎo)爆非電毫秒雷管，通過(guò)非電毫秒雷管微差爆破技術(shù)從而分層次引爆炸藥，最終形成隧道開(kāi)挖輪廓。

4.1 掏槽形式和參數(shù)

掏槽眼的作用主要是在掌子面上預(yù)先炸出一個(gè)槽口，為后段位的雷管爆破創(chuàng)造一個(gè)臨空面，這樣更好地發(fā)揮炸藥的爆破作用。但是選擇何種掏槽形式，直接關(guān)系到整個(gè)爆破施工的質(zhì)量。如果單一地采用

圖1 二級(jí)復(fù)式直眼楔形掏槽

圖2 炮眼布置剖面圖

直眼楔形掏槽的方式，由于爆破深度大、圍巖軟、裂隙多，爆破時(shí)產(chǎn)生的能量往往損失過(guò)多，難以達(dá)到良好的效果。針對(duì)本合同段圍巖的特點(diǎn)，采用復(fù)式直眼楔形掏槽，即淺掏槽與深掏槽相結(jié)合的方法。

4.2 炮眼直徑

炮眼直徑的選取對(duì)爆破后洞壁的平整度、平均耗藥量、炮眼數(shù)目多少和爆破效率均有影響。隧道的炮眼直徑通常取3～5 cm，藥卷與眼壁之間的間隙通常為炮眼直徑的0.1～0.15倍。

4.3 炮眼數(shù)量

炮眼數(shù)量的多少主要與炮眼直徑、爆破的斷面形式、炸藥性能和圍巖狀況有關(guān)，炮眼的多少直接影響爆破工作量[1]。

一般情況下炮眼數(shù)量計(jì)算公式采用N=qS αγ，式中：γ為藥卷的單位炸藥質(zhì)量，kg/m；q為每立方圍巖的炸藥消耗量，一般取q=0.7～2.9 kg/m3；S為需爆破的斷面面積，m2；N為炮眼數(shù)量，空眼數(shù)不計(jì)入；α為裝藥系數(shù)，裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度的比值。

4.4 裝藥量的計(jì)算公式

總裝藥量Q的計(jì)算公式為Q＝qV.

4.5 炮眼的布置順序

先布置掏槽眼，其次是周邊眼，最后是掘進(jìn)眼、輔助眼及底板眼。

4.6 周邊眼的設(shè)置

a）周邊眼炮眼間距E的取值在通常情況為10～18倍的炮眼直徑，當(dāng)炮眼直徑為3～5 cm時(shí)，E=30～90 cm。

b）光面層厚度就是周邊眼與最外層輔助眼之間的垂直距離，這個(gè)距離通常稱(chēng)為周邊眼的最小抵抗線(xiàn)W。

c）周邊眼的裝藥量以線(xiàn)裝藥密度表示，取值見(jiàn)表1。

表1 光面爆破一般參考數(shù)值

5 西家塔隧道鉆爆設(shè)計(jì)

西家塔隧道主要為Ⅴ2級(jí)圍巖，采用三臺(tái)階法施工鉆爆設(shè)計(jì)，每天1個(gè)循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)尺3 m，每月理論進(jìn)尺90 m。炮眼直徑為40 mm，炸藥選用2號(hào)巖石乳化炸藥，藥卷為φ35×200 kg。

5.1 上臺(tái)階鉆爆設(shè)計(jì)

總炮眼數(shù)量 N1＝qS/αγ=(1×102)/(0.6×1)=170 個(gè)，式中：q為每立方圍巖的炸藥消耗量，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)q值一般取0.7～2.9之間，現(xiàn)取1 kg/m3；S為需爆破的斷面面積為102 m2；α為裝藥系數(shù)，取0.6（裝藥長(zhǎng)度按2 m，炮眼全長(zhǎng)按3.35 m計(jì)算）；γ為藥卷的單位炸藥質(zhì)量，采用φ35藥卷單位質(zhì)量為1 kg/m。

因隧道開(kāi)挖采用光面爆破，周邊眼數(shù)量要比一般爆破多，取增加系數(shù)為1.3，因而總炮眼數(shù)量為N＝N1×1.3＝221 個(gè)。

a）上臺(tái)階炮眼數(shù)量：按照施工需要，上臺(tái)階布置101個(gè)炮眼。

b）掏槽眼采用二級(jí)復(fù)式直眼楔形掏槽。

c）各種炮眼深度計(jì)算。

（a）一級(jí)掏槽炮眼深度為：

式中：η為炮眼利用率，一般不低于0.85，本計(jì)算按0.9；L為每循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺；L1為炮眼垂直深度。

令a=75°，底眼距為0.25 m，則炮眼長(zhǎng)度L2=1.76/sin75°=1.82 m，取 L2=1.85 m，B=1.20 m。

二級(jí)掏槽炮眼深度為：

令b=75°，底眼距為0.25 m，則炮眼長(zhǎng)度L2=3.43/sin75°=3.55 m，取 L2=3.55 m，B=2.10 m。

（b）掘進(jìn)眼深度計(jì)算：

炮眼深度L1=L/η＋0.1=3/0.9＋0.1=3.43 m，

設(shè)c=80°，則炮眼長(zhǎng)度L2=3.43/sin80°=3.48 m，取L2=3.5 m。

（c）輔助眼深度計(jì)算：

炮眼深度 L1=L/η＝3/0.9＝3.33 m，

設(shè)d=90°，則炮眼長(zhǎng)度L2=3.33/sin90°=3.33 m，取L2=3.35 m。

（d）一級(jí)周邊眼深度計(jì)算：

炮眼深度L1=L/η＝1.5/0.9＝1.67 m，

二級(jí)周邊眼深度計(jì)算：

炮眼深度 L1=L／η＝3/0.9＝3.33 m，

d）每一循環(huán)裝藥量Q及炮眼裝藥量的計(jì)算：掏槽眼的裝藥系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.7，乳化炸藥每米質(zhì)量為1 kg/m。

一級(jí)掏槽眼每眼裝藥量為：

二級(jí)掏槽眼每眼裝藥量為：

掘進(jìn)眼根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.60，掘進(jìn)眼每眼裝藥量：

輔助眼根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.40，輔助眼每眼裝藥量：

底板眼根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.60，底板眼每眼裝藥量：

考慮到周邊眼的布置采用深淺結(jié)合的方式，所以周邊眼數(shù)量相對(duì)較多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取裝藥量集中度為0.1。

一級(jí)周邊眼每眼裝藥量：

一級(jí)周邊眼每眼裝藥量：

5.2 中臺(tái)階鉆爆設(shè)計(jì)（各系數(shù)取值同第一部分）

5.2.1 中臺(tái)階炮眼數(shù)量

中臺(tái)階布置炮眼數(shù)量55個(gè)。

5.2.2 各種炮眼裝藥量

根據(jù)計(jì)算，取掘進(jìn)眼每眼10.5卷，輔助眼每眼7卷，底板眼每眼10卷，一級(jí)周邊眼每眼1卷，二級(jí)周邊眼每眼2卷。

5.3 下臺(tái)階鉆爆設(shè)計(jì)（各系數(shù)取值同第一部分）

5.3.1 下臺(tái)階炮眼數(shù)量

下臺(tái)階布置炮眼數(shù)量65個(gè)。

5.3.2 各種炮眼裝藥量

根據(jù)計(jì)算，取掘進(jìn)眼每眼10.5卷，輔助眼每眼7卷，底板眼每眼10卷，一級(jí)周邊眼每眼1卷，二級(jí)周邊眼每眼2卷。

5.4 炮眼布置平面圖

圖3 炮眼布置平面圖

6 鉆爆施工注意事項(xiàng)

a）在鉆眼前由測(cè)工用全站儀及鋼尺繪制開(kāi)挖斷面輪廓線(xiàn)，然后按鉆爆設(shè)計(jì)畫(huà)出周邊眼位置。

b）炮眼布置必須按照設(shè)計(jì)按炮眼布置圖進(jìn)行布置。鉆眼完成后，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行成孔質(zhì)量檢查。檢查時(shí)做好記錄，有不符合要求的炮眼應(yīng)重鉆；經(jīng)檢查完全符合要求后，可進(jìn)行裝藥，但在裝藥前，必須用高壓風(fēng)將炮眼內(nèi)的雜物沖洗干凈。

c）裝藥時(shí)必須按照爆破設(shè)計(jì)圖計(jì)算后而確定的裝藥量由上而下進(jìn)行裝藥，雷管、炸藥需“對(duì)號(hào)入座”。為保證爆破效果，裝藥完成后，所有炮眼均用炮泥堵塞，堵塞長(zhǎng)度最好大于30 cm[2]。

d）為保證起爆的可靠性，起爆的網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)要特別注意導(dǎo)爆管的連接方向和連接點(diǎn)的牢固，導(dǎo)爆管不能打結(jié)，各炮眼雷管連接次數(shù)必須相同。

e）爆破前必須先進(jìn)行清場(chǎng)，保證所有人員撤離到安全區(qū)域后，才能引爆炸藥。炸藥引爆后，派專(zhuān)人進(jìn)行檢查，如有瞎炮，必須由原裝藥人員進(jìn)行特殊處理。

f）周邊眼位置必須布設(shè)在斷面輪廓線(xiàn)上，間距復(fù)核要求，允許誤差±5 cm。

g）鉆眼力求“準(zhǔn)、平、齊”確保鉆眼深度一致，深度允許誤差5 cm。

h）爆破工裝藥應(yīng)按鉆爆設(shè)計(jì)進(jìn)行，不得人為隨意增減藥量。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上方法在西家塔隧道中的鉆爆施工，取得了良好的施工效果，不僅滿(mǎn)足了隧道的施工工期，在隧道的超欠挖方面也得到了較好的控制，節(jié)約了施工成本，也保證了工程質(zhì)量，為后續(xù)的施工及類(lèi)似的隧道鉆爆施工總結(jié)了重要的經(jīng)驗(yàn)。