光面爆破技術(shù)在淺埋大斷面隧道掘進(jìn)中的研究與應(yīng)用

阮　楠,欒龍發(fā),張智宇,李祥龍,鄧詩(shī)泉

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明　650093)

?

光面爆破技術(shù)在淺埋大斷面隧道掘進(jìn)中的研究與應(yīng)用

阮楠,欒龍發(fā),張智宇,李祥龍,鄧詩(shī)泉

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明650093)

摘要昆滬高速黃連山隧道為淺埋、超大斷面的高鐵雙線隧道,地質(zhì)圍巖條件復(fù)雜,整體穩(wěn)定性較差,工程質(zhì)量要求高。從爆破效果與施工安全角度出發(fā),采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)黃連山隧道的光面爆破進(jìn)行了系統(tǒng)研究,得出了一套較好的爆破方案,特別對(duì)周邊孔的爆破參數(shù)作出了詳細(xì)地分析與優(yōu)化,最終使得炮孔利用率為95%左右,平均超挖量控制在6~10 cm,半孔率為75%左右,隧道的開挖質(zhì)量全部達(dá)到了鐵路隧道的質(zhì)量和安全要求。研究結(jié)果對(duì)類似環(huán)境條件下的淺埋大斷面隧道掘進(jìn)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞光面爆破;大斷面;周邊孔;淺埋

1工程概況

黃連山隧道是滬昆高鐵在昆明附近的一座隧道,設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h,設(shè)計(jì)為雙線隧道,入口位于DK1169+680處,出口位于DK1170+525處,全長(zhǎng)840 m。隧道位于昆明市呈貢新區(qū),距離昆明主城區(qū)25 km處,隧道的斷面形狀為馬蹄形,設(shè)計(jì)開挖凈高是11.5 m,跨度為14.4 m。根據(jù)《黃連山隧道地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告》,結(jié)合物探檢測(cè)等檢測(cè)與實(shí)驗(yàn),得到隧道內(nèi)巖層有570 m,主要為硅質(zhì)砂巖和粉砂巖,屬于Ⅲ級(jí)次堅(jiān)石,見表1。

2爆破方案與爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破是沿著要求開挖限界面鉆一排齊整的孔眼,在孔內(nèi)進(jìn)行弱性裝藥,在主要開挖工程完成或爆破孔起爆以后,再起爆炮孔,爆落最后一層巖石,形成光滑的開挖界限面的一種控制爆破技術(shù)[1]。黃連山隧道最大埋深33.8 m,平均埋深14.4 m,掘進(jìn)開挖的斷面高度為11.5 m,最大埋深與掘進(jìn)斷面高度的比值α為3.0,又因黃連山隧道掘進(jìn)面積約為125 m2,故根據(jù)隧道埋深的劃分方案與國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)對(duì)隧道斷面的劃分標(biāo)準(zhǔn)[2],當(dāng)α<5時(shí)隧道屬于淺埋隧道,掘進(jìn)斷面積>100 m2為超大斷面,故黃連山隧道屬于超大斷面淺埋隧道。

表1　黃連山隧道圍巖

2.1爆破方案

黃連山隧道斷面為超大斷面,開挖量大,如果采用全斷面開挖的方法,每一次起爆藥量過大,爆破震動(dòng)等一系列爆破損害效應(yīng)不滿足安全需求,加之工程現(xiàn)場(chǎng)沒有大型鑿巖設(shè)備,故綜合研究決定該隧道選用單臺(tái)階光面爆破施工法進(jìn)行開挖掘進(jìn)[3],上斷面凈高7.3 m,下斷面凈高4.2 m,如圖1所示。

圖1　黃連山隧道臺(tái)階劃分情況Fig.1　Bench demarcation condition of tunnelof Huanglianshan Mountain

2.2光面爆破參數(shù)

在充分了解黃連山隧道的地質(zhì)情況與施工條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合光面爆破現(xiàn)有理論知識(shí),對(duì)隧道進(jìn)行了光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)[4].隧道周邊眼選用藥徑32 mm、每卷質(zhì)量150 g的巖石膨化硝胺炸藥,在掏槽孔和其他輔助孔選用藥徑35 mm、每卷質(zhì)量200 g的巖石高威力乳化炸藥。

雷管段數(shù)選用毫秒系列導(dǎo)爆管雷管和瞬發(fā)電雷管,導(dǎo)爆索選用棉質(zhì)導(dǎo)爆索和塑料導(dǎo)爆索。采用YT-29氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔,有直徑為38 mm的一字型釬頭和直徑為50 mm的十字型釬頭兩種。爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如下:

(1)炮孔深度L的確定:取L=2.0 m;

(2)周邊孔間距:用較為經(jīng)典和使用量比較多的斷裂力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行周邊孔間距的計(jì)算[5],即

(1)

表2　周邊孔密集系數(shù)的選擇范圍

(6)光面層厚度:運(yùn)用歐豪公式結(jié)算光面層的厚度為[7]

(2)

(7)掏槽:掏槽形式是影響爆破效率和爆破質(zhì)量的重要因素之一,每一次循環(huán)炮孔利用率很大程度上決定了掏槽的質(zhì)量。掏槽孔參數(shù)如表3所列。

表3　掏槽孔參數(shù)

(8)炮孔裝藥結(jié)構(gòu):間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)是在徑向炸藥和炮孔壁之間存在一定厚度的空氣層,在軸向炸藥之間不連續(xù),各卷炸藥之間存在間隔[8]。本次黃連山隧道光面爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的周邊孔選用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu),如圖2所示。裝藥方式為正向裝藥,周邊孔填塞長(zhǎng)度為0.4 m。

圖2　周邊孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu) Fig.2　Uncoupled explosive loading of peripheral hole

2.3起爆時(shí)間間隔和起爆順序

(1)周邊孔起爆時(shí)間黃連山隧道開挖斷面大,周邊孔的數(shù)量多,裝藥量達(dá)到了21.6 kg。為了降低單段起爆藥量,周邊孔選用12段和13段毫秒雷管起爆,如圖3所示。

(2)周邊孔和崩落孔起爆時(shí)間間隔周邊孔和崩落孔(最外層輔助孔)的起爆時(shí)間間隔選擇合適,可以提高光面爆破效果。由于崩落孔的裝藥量為28 kg,爆破振動(dòng)大,因此崩落孔選用10段和11段毫秒雷管起爆,理論上與周邊孔起爆時(shí)間間隔達(dá)到170 ms和190 ms,如圖3所示。

(3)起爆順序本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)上半斷面采用一次分段延期起爆法,采用簇聯(lián)起爆網(wǎng)路,用瞬發(fā)電雷管引爆導(dǎo)爆管雷管,導(dǎo)爆管雷管引爆各炮孔的炸藥,起爆順序?yàn)樘筒劭住o助孔—周邊孔,如圖3所示。

圖3　光面爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工圖Fig.3　Construction diagram for field testof smooth blasting

周邊孔參數(shù)如表4所列,輔助孔參數(shù)如表5所列,上斷面爆破參數(shù)如表6所列。

根據(jù)光面爆破原理和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)周邊孔參數(shù),為了增強(qiáng)爆破效果,周邊孔采用間隔不耦合裝藥和反向裝藥,用砂子和粉質(zhì)粘土制作而成的炮泥填塞0.4 m,選用12段和13段毫秒雷管起爆,與相鄰崩落孔起爆時(shí)間間隔達(dá)到170 ms和190 ms。

3成洞質(zhì)量和爆破效果

在工程應(yīng)用的過程中,隧道開挖面沒有出現(xiàn)掉塊、脫幫以及冒頂?shù)痊F(xiàn)象[3]。大部分隧道不需要進(jìn)行超前支護(hù)就可以進(jìn)行施工,開挖成型后及時(shí)進(jìn)行初次支護(hù),隧道的開挖質(zhì)量全部達(dá)到了鐵路隧道的質(zhì)量要求,爆破效果如圖4所示,爆破效果統(tǒng)計(jì)見表7。

表4　周邊孔參數(shù)參考值

表5　輔助孔參數(shù)

表6　上斷面爆破參數(shù)

圖4　工程應(yīng)用爆破效果Fig.4　Pictorial drawing in blasting of engineering application

序號(hào)炮孔深度/m炮孔利用率/%循環(huán)進(jìn)尺/m半孔率/%超挖量/cm1294.51.9076.37.22295.51.9173.48.03296.51.9378.36.44292.01.8476.47.55293.51.8775.76.96295.01.9072.86.27294.41.8876.57.88292.51.8577.48.49292.11.8475.26.210291.51.8378.67.311295.01.9072.56.812292.51.8574.57.113295.51.9172.86.7

續(xù)表7

序號(hào)炮孔深度/m炮孔利用率/%循環(huán)進(jìn)尺/m半孔率/%超挖量/cm14294.51.8975.47.615295.51.9172.67.116292.01.8473.86.417293.51.8775.77.318295.61.9175.47.519292.01.8474.38.320293.01.8676.47.3平均294.51.8975.27.2

爆破效果總結(jié):截至2014年6月22日工作結(jié)束,根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,上斷面一共掘進(jìn)了37.52 m,炮孔率為95%左右,隧道輪廓面的成型質(zhì)量很高,平均超挖量控制在6~10 cm,最大超挖量基本控制在15 cm以內(nèi),沒有出現(xiàn)欠挖的現(xiàn)象,隧道壁面殘留了大量的半孔,半孔率為75%左右。

參考文獻(xiàn):

[1]姜彥忠.爆破技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.

[2]陳豪雄.隧道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995.

[3]朱彥鵬,宋曉蕊,李忠.大斷面公路隧道扁平率及圍巖狀況受力分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2014,26(3):129-133.

[4]汪旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

[5]田建勝,劉剛,周同嶺.光面爆破合理周邊眼間距的理論計(jì)算[J].建井技術(shù),1997,18(S1):74-76.

[6]廟延剛,欒龍發(fā).爆破工程與安全技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[7]祝樹枝,吳森康,楊昌森.近代爆破理論與實(shí)踐[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.

[8]凌偉明,楊永琦.爆生氣體在光面爆破中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),1990,15(1):73-82.

Study and Application of Smooth Blasting Technology in Piercing Shallow Tunnel with Large Cross Section

Ruan Nan,Luan Longfa,Zhang Zhiyu,Li Xianglong,Deng Shiquan

(SchoolofLandandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

AbstractThe tunnel of Huanglianshan mountain of Shanghai-Kunming high-speed railway involves the shallow double-track tunnel of high-speed railway with oversized cross section,with complicated surrounding rock in geologic conditions,poor integral stability and high requirement to engineering quality. One set of better blasting scheme was acquired through systematic study of the smooth blasting of the tunnel of Huanglianshan Mountain by using the method of theoretical analysis and field test from the aspects of blasting effect and construction safety;especially,the hole utilization ratio was about 95%,the average volume of overbreak was controlled within 6~10cm,the semi hole ratio was controlled at about 75%,and the excavation quality of the tunnel achieved the quality and safety requirements of the railway tunnel completely after detailed analysis and optimization of the blasting parameters for the peripheral hole. Moreover,the research result has certain significance of reference for piercing shallow tunnel with large cross section under the similar environmental condition.

Key wordsSmooth blasting;Large cross section;Peripheral hole;Shallow

中圖分類號(hào):U455.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0144-05

作者簡(jiǎn)介:阮楠(1989-)，男，云南大理人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ瘫?E-mail:394346262@qq.com.

收稿日期:2015-01-26;修回日期:2015-03-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.031.

引用格式:Ruan Nan,Luan Longfa,Zhang Zhiyu,etal.Study and Application of Smooth Blasting Technology in Piercing Shallow Tunnel with Large Cross Section[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):144-148.[阮楠,欒龍發(fā),張智宇,等.光面爆破技術(shù)在淺埋大斷面隧道掘進(jìn)中的研究與應(yīng)用[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):144-148.]