隧道施工光面爆破參數(shù)的確定

【摘 要】近年來，隨著我國城市化建設(shè)的加快，鐵路、公路、地鐵隧道“數(shù)量多、長度大、大埋深、大斷面”是21世紀(jì)我國以及世界隧道工程發(fā)展的總趨勢[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經(jīng)成為我國推廣應(yīng)用新奧法中公認(rèn)的三大技術(shù)措施之一。本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)和工程實踐，歸納出光面爆破參數(shù)的計算公式和一些經(jīng)驗參考值；目的在于提高確定光面爆破參數(shù)工作的精度和效率。

【關(guān)鍵詞】隧道施工 光面爆破 參數(shù)的確定

1引言

近年來，隨著我國城市化建設(shè)的加快，鐵路、公路、地鐵隧道“數(shù)量多、長度大、大埋深、大斷面”是21世紀(jì)我國以及世界隧道工程發(fā)展的總趨勢[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經(jīng)成為我國推廣應(yīng)用新奧法中公認(rèn)的三大技術(shù)措施之一。

如果光爆參數(shù)確定不當(dāng)，爆破中將出現(xiàn)超欠挖情況，所以，精確、合理地確定光爆參數(shù)是控制隧道施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全的關(guān)鍵。

2光面爆破參數(shù)的選擇

首先，光爆參數(shù)的取值均應(yīng)以設(shè)計規(guī)定的施工及驗收規(guī)范為指導(dǎo)。例如：公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中所列的參數(shù)表，規(guī)范中只規(guī)定了參數(shù)的取值范圍，具體數(shù)值可按以下國內(nèi)外普遍采用的方法和步驟確定。

2.1 炮眼直徑

因為標(biāo)準(zhǔn)小藥卷直徑為32mm；在光面爆破中，進(jìn)行不耦合裝藥，最小藥卷直徑為20mm。所以，隧道開挖現(xiàn)場常用的炮眼直徑為32～50 mm。

2.2 周邊眼間距E

（1）由光面爆破參數(shù)表確定。周邊眼間距等參數(shù)的確定應(yīng)以設(shè)計規(guī)定的施工及驗收規(guī)范為指導(dǎo)。例如：公路隧道施工技術(shù)規(guī)范。

（2）根據(jù)爆生氣體膨脹作用理論確定。光面爆破的周邊眼間距一般比普通爆破小，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，建議：E=（12～20） db（其中db為炮孔直徑），日本《新奧法設(shè)計施工細(xì)則》推薦E=15db。

一般認(rèn)為炮孔間的裂縫是應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果，但沖擊波作用的能量只占炸藥爆炸總能量5﹪～10﹪，而爆生氣體生成物的作用能量超50﹪。所以，巖石沿炮孔連線形成貫穿裂縫主要由爆生氣體準(zhǔn)靜壓力控制。根據(jù)此理論推導(dǎo)出公式：E=k1f1/3rb 式中f為巖石堅固性系數(shù)；k1為調(diào)整系數(shù)，k1=10～16；巖石堅硬取大值，巖石較軟取小值。

2.3 最小抵抗線W

最小抵抗線即光面層厚度，W過大，光面層巖石將得不到適當(dāng)?shù)钠扑?，甚至不能使其沿炮眼底部切割下來；W過小，在反射波作用下，圍巖內(nèi)產(chǎn)生較多較長的裂隙，影響圍巖穩(wěn)定，造成超挖和巷道壁面不平整。

經(jīng)驗表明：最小抵抗線與隧道斷面大小有關(guān)，大斷面隧道拱頂跨度大，周邊眼所受到的夾制作用小，巖體比較容易崩落，光爆層厚度可適當(dāng)放大一些；小斷面周邊眼受到的夾制作用大，其厚度宜小一些。最小抵抗線與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造也有關(guān)，堅硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石可大些；頂部應(yīng)比邊墻大些。

（1）根據(jù)炸藥單耗確定。

根據(jù)下式計算W：

式中： rc為藥卷半徑；k為裝藥系數(shù)； d0為裝藥密度；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；

（2）根據(jù)豪柔公式確定。

光面層巖石崩落類似于露天臺階爆破，故可用豪柔公式確定最小抵抗線： 式中： QG為光面炮眼的裝藥量；E為炮眼間距；lb炮眼長度； Cq為爆破系數(shù)，相當(dāng)于單位炸藥消耗量，對于f= 4～10的巖層， Cq值變化范圍為0.2 ～0.5kg/m3。

2.4 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)了周邊眼（光爆眼）間距E與光面層厚度（最小抵抗線）W之間的比值，即：m=E/W，這是光面爆破參數(shù)中的一個關(guān)鍵值。

確定炮眼密集系數(shù)的一般原則：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。隧道跨度較小時，眼距適當(dāng)減小，反之適當(dāng)加大。

炮眼密集系數(shù)過大，爆破后可能在光爆眼間留下巖埂，造成欠挖，達(dá)不到光面爆破效果，反之則可能出現(xiàn)超挖。實踐表明m=0.8～1.0時較好?？墒狗瓷淅觳◤淖钚〉挚咕€方向折回之前造成貫穿裂縫，隔斷反射拉伸波向圍巖傳播的可能，減少圍巖破壞。

2.5 炮眼深度L

（1）按月進(jìn)度計劃估算炮眼深度。公式如下：

式中 L—炮眼平均深度，m。

Lj—月進(jìn)度計劃指標(biāo)，m。

N—每月實際用于掘進(jìn)的作業(yè)天數(shù)。

n—每月可能完成的掘進(jìn)循環(huán)數(shù)。

?1—正循環(huán)率，一般取0.85～0.9。

?—炮眼利用率，一般取0.85～0.85。

（2）按開挖斷面跨度確定。對于斜孔掏槽，由于巖石的夾制作用，一般最大炮孔深度取斷面寬度（或高度）B的0.5～0.7倍。 L=（0.5～0.7）B

2.6 裝藥量Q1

2.7 裝藥系數(shù)k和不藕合系數(shù)B

裝藥系數(shù)k是裝藥總長度與炮孔長度的比。即：k=l0/lb。

不耦合系數(shù)B是炮眼直徑與藥包直徑的比值。即：B=db/dc

不耦合系數(shù)的選擇，既要能克服較大的巖石抵抗，眼壁周圍巖石少受或不受破壞，還要能保證炸藥的穩(wěn)定傳爆，在井巷施工時，主要采用軸向不偶合裝藥，即空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。軸向不偶合裝藥采用3種不同的裝藥結(jié)構(gòu)：（a）偏心不藕合、（b）中心不藕合、（c）護(hù)壁不藕合。如圖2。

圖2 光面爆破不同裝藥結(jié)構(gòu)

通過聲波對比檢測試驗：對不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在同等條件下的聲波測試，測試爆前爆后聲速的變化，作為評判巖石損傷程度的依據(jù)。測試結(jié)果表明：偏心不藕合裝藥光面爆破除了宏觀上每個炮孔爆破后均有不同長度的裂紋外，聲速降低率為11.68%，比護(hù)壁光面爆破聲速降低10倍左右，比普通光面爆破降低3～4倍，沒有起到光面爆破的實質(zhì)作用[2]，光面爆破中不宜采用，而宜采用后兩種。通過理論和試驗研究表明：就裝藥結(jié)構(gòu)而言，軸向間隔徑向不藕合裝藥，適用于周邊孔。護(hù)壁光面爆破對邊坡保留巖體的損傷最小，光爆效果最好，值得推廣。

理論公式計算B馬秉智等人得出計算公式：

1/6 式中，n為氣體與孔壁碰撞時的壓力增大系數(shù)，一般取n=8～11；ρ0為炸藥密度，g/cm3； DH為炸藥爆速，m/s；kb為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，巖石抗壓增大系數(shù)一般取kb=10 ； SC為對應(yīng)f抗壓強(qiáng)度，m/s。

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 ～45 mm時，不耦合系數(shù)B = 1.5～2.0。B值應(yīng)在工程實踐中應(yīng)不斷調(diào)整，可采用LS-DYNA數(shù)值模擬驗證。

2.8 光面爆破炮眼數(shù)目的計算

（1）分別計算周邊眼、掏槽眼、輔助眼、底眼數(shù)目，然后相加。

由于光面爆破的周邊眼距小，周邊眼裝藥量少，因此，根據(jù)這一特點先求出周邊眼數(shù)目，然后按平均裝藥量原則計算出其它炮眼數(shù)目。

1）周邊眼數(shù)目N1：

（1）

式（1）中B為隧道掘進(jìn)寬度，m；E為周邊眼平均間距，m；B：為隧道掘進(jìn)周長，m； BL可按式（6）近似計算。

（2）

式（2）中S為隧道掘進(jìn)斷面面積 ；c為斷面形狀系數(shù)，

對于拱形隧道。C=3.86。

2）掏槽眼、輔助眼和底眼數(shù)目N2：

N2值按一次爆破所需要的總裝藥量減去周邊眼裝藥量，使剩余的藥量平均分配在N2內(nèi)來計算。 （3）

式（3）中Q為按定額確定的一茬炮所需的總裝藥量，kg ；Q = qSL?；qL為周邊眼每米裝藥量，kg/m；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；?為炮眼利用率；Q0為除周邊眼外，每個炮眼內(nèi)的平均裝藥量，kg。

（2）根據(jù)隧道掘進(jìn)斷面計算。

式中N：鉆孔數(shù)目，個；f：巖石堅固性系數(shù)； S：掘進(jìn)斷面積，m?。

（3）根據(jù)炸藥單耗量計算。

N=q·s/rk 式中：q為單位炸藥消耗量；s為開挖面積；k為炮眼裝藥系數(shù)； r為每米長度炸藥的重量。

3 結(jié)語

（1）光爆參數(shù)確定后，爆破效果可能不理想，應(yīng)針對圍巖變化情況對光爆參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通常經(jīng)過二三個鉆爆循環(huán)作業(yè)參數(shù)的調(diào)整，才能達(dá)到最佳效果。

（2）目前光面爆破機(jī)制落后于工程實踐、爆破參數(shù)受人為因素影響且主要依賴經(jīng)驗公式法和工程類比經(jīng)驗確定、光面爆破控制管理理論指標(biāo)體系單一等是參數(shù)不當(dāng)?shù)闹饕颉?/p>

（3）今后提高確定光爆參數(shù)工作的精度和效率的主要途徑：模型試驗結(jié)合現(xiàn)場試驗，從理論上探討圍巖與光面爆破參數(shù)等因素對光面爆破效果的影響規(guī)律，理論結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)總結(jié)分析各影響因素對爆破效果的影響，基于試驗總結(jié)經(jīng)驗規(guī)律，深入探索光面爆破機(jī)制，提出光面爆破參數(shù)優(yōu)化方法。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1]王夢恕.準(zhǔn)設(shè)計，21世紀(jì)山嶺隧道修建的趨勢[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2004，（9）：38-40.

[2]張志呈，蒲傳金，史瑾瑾.不同裝藥結(jié)構(gòu)光面爆破對巖石的損傷研究[J].爆破，2006，1（23）：37-38.

[3] 王建秀，鄒寶平，胡力繩.隧道及地下工程光面爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，9（4）：804.

作者簡介：趙亮（1971—），男，漢族，山東牟平縣人，本科，工程師，國家一級建造師，項目技術(shù)負(fù)責(zé)人，從事隧道、土石方開挖爆破、工民建施工技術(shù)和管理方面的研究。