過緩傾煤層隧道施工爆破控制技術(shù)

摘 要：以畢都高速雞公山隧道為例，采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究了爆破開挖存在于上覆緩傾煤層區(qū)段隧道時(shí)，爆破振動(dòng)作用下隧道噴射混凝土支護(hù)的動(dòng)力響應(yīng)。據(jù)此提出了過緩傾煤層隧道爆破開挖安全控制技術(shù)，以“增加空孔、錯(cuò)峰爆破、精控微差”為核心思想，保證了雞公山隧道過緩傾煤層的施工安全，取得了良好的效果，這對(duì)類似工程施工有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道施工；緩傾煤層；爆破方案；振動(dòng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.031

西部山區(qū)建設(shè)高速公路和鐵路工程橋隧的比例比較高，部分線路甚至超過了90%，煤層、斷層、巖溶等不良地質(zhì)條件十分常見，屬隧道施工控制性工程。

畢都高速雞公山隧道區(qū)位于納雍縣龍場(chǎng)鎮(zhèn)與勺窩鄉(xiāng)交界地段，右線起訖里程YK131+310～YK134+295，長(zhǎng)2 985 m，其中，Ⅲ級(jí)圍巖80 m、Ⅳ圍巖1 790 m、Ⅴ級(jí)圍巖1 120 m。隧道在V級(jí)圍巖段穿越的梁山組地層中含薄煤層，煤層厚度0.8～1.5 m，梁山組地層夾于灰?guī)r層中，梁山組地層走向?yàn)?85°∠23°，與隧道軸線夾角約為84°，隧道與煤層縱向剖面位置關(guān)系如圖1所示。

過煤層隧道是隧道施工的重難點(diǎn)部分。由于煤層與周圍地層的力學(xué)性質(zhì)差異，導(dǎo)致接近煤層隧道區(qū)段容易出現(xiàn)各種施工問題，比如大變形、塌方、高瓦斯等。由圖1可知，煤層和隧道相交隧道區(qū)段上部形成了局部楔形體，爆破開挖過程中會(huì)導(dǎo)致圍巖局部損傷，我們將其稱之為“松動(dòng)圈”。由于煤層傾角比較小，隧道開挖時(shí)形成的楔形體存在厚度小、長(zhǎng)度比較大的問題，極易導(dǎo)致楔形體垮塌，進(jìn)而形成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致上覆煤層垮塌。為此，在施工過程中，必須科學(xué)、合理地控制該區(qū)段的爆破施工，減小楔形體圍巖損傷，確保施工安全。

1 爆破方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 爆破方案設(shè)計(jì)

該隧道上導(dǎo)坑開挖斷面為四心圓隧道，單循環(huán)爆破進(jìn)尺在1.5 m左右。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)常規(guī)施工機(jī)械條件，采用手風(fēng)鉆機(jī)進(jìn)行炮孔打眼，直徑分別為42 mm和30 mm，采用楔形掏槽和周邊間隔不藕合裝藥光面爆破技術(shù)。按照隧道爆破施工設(shè)計(jì)方案，IV圍巖區(qū)段的爆破網(wǎng)絡(luò)和炮孔分布如圖2所示。

上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺不低于1.5 m，下臺(tái)階不低于2 m，所以，上臺(tái)階周邊孔L為1.6 m，掘進(jìn)主炮孔L為1.6 m，掏槽眼采用L為2 m；下臺(tái)階周邊孔L為2.1 m，掘進(jìn)主炮孔L為2.1m，掏槽眼采用L為2.5 m。周邊孔采用小直徑間隔裝藥，孔外網(wǎng)路采用復(fù)式網(wǎng)路聯(lián)接。IV級(jí)圍巖區(qū)段采用上下臺(tái)階法施工，具體工藝流程為：鉆爆法開挖上臺(tái)階→上部初期支護(hù)→鉆爆法開挖下臺(tái)階→下部初期支護(hù)→量測(cè)→灌注仰拱混凝土→量測(cè)→防水層施工→二次襯砌。

1.2 原爆破設(shè)計(jì)方案下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

隧道圍巖在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)是檢驗(yàn)爆破方案合理性的可靠依據(jù)，為了確定過煤層區(qū)段隧道的合理爆破方案，先在正常IV圍巖區(qū)段進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖和傳感器實(shí)地安裝如圖3所示。

按照設(shè)計(jì)方案，普通IV圍巖區(qū)段爆破振動(dòng)波形如圖4所示。

從圖4中可以看出，掏槽爆破單響藥量與周邊炮眼的單響藥量接近，但是，掏槽爆破受到的周圍巖體夾制作用更為強(qiáng)烈，從波形上表現(xiàn)出掏槽爆破引起的振動(dòng)更為強(qiáng)烈。雖然采用毫秒微差爆破的方法可以有效利用錯(cuò)時(shí)達(dá)到削峰的目的，值得注意的是，一級(jí)掏槽爆破的振動(dòng)峰值仍然偏大。按照原設(shè)計(jì)方案得到的爆破振動(dòng)速度沒有超過《爆破安全規(guī)程》的限制，但是，在后續(xù)過煤層區(qū)段施工時(shí)，煤層與梁山組地層之間的界面反射波更為強(qiáng)烈，容易導(dǎo)致隧道拱頂?shù)男ㄐ误w圍巖出現(xiàn)更為強(qiáng)烈的振動(dòng)。因此，施工時(shí)，必須優(yōu)化原爆破設(shè)計(jì)方案，以便更好地控制爆破振動(dòng)的效果。

1.3 優(yōu)化后的爆破振動(dòng)方案和結(jié)果分析

解決掏槽爆破引起的振動(dòng)過強(qiáng)問題的方法一般分為2大類，即減小爆破進(jìn)尺、空孔掏槽。在優(yōu)化爆破振動(dòng)方案時(shí)，參考逐孔起爆原理，通過增加空孔體積量來(lái)降低掏槽爆破的單響藥量。第一種方法已經(jīng)不適用于該隧道，原因在于爆破進(jìn)尺僅為1.5 m，過度降低進(jìn)尺會(huì)嚴(yán)重影響施工效率，因此，主要優(yōu)化措施將從增加空孔入手?？紤]到原爆破設(shè)計(jì)方案中僅有2個(gè)空孔，且掏槽孔起爆段數(shù)設(shè)置有部分集中的情況，所以，將爆破方案進(jìn)行如圖5所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由原爆破方案測(cè)試結(jié)果（圖4）可知，掏槽爆破引起的振動(dòng)最為強(qiáng)烈，一方面是其臨空面少，破巖時(shí)受到周圍巖體夾制作用強(qiáng)烈；另一方面是掏槽孔比較少，導(dǎo)致單響藥量比較大，且分段數(shù)量不足。本優(yōu)化方案從這3個(gè)方面著手：①增加4個(gè)空孔，盡管掏槽體積非常有限，但能大大改善下級(jí)掏槽的臨空條件，周圍巖體在破巖時(shí)的夾制作用大幅削弱，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)也隨之降低。②增設(shè)部分炮孔，并優(yōu)化掏槽孔的起爆段位，原設(shè)計(jì)方案中第6段位的炮孔數(shù)量過多，容易導(dǎo)致強(qiáng)烈振動(dòng)。本方案將炮孔位置進(jìn)行優(yōu)化布置，減少了同時(shí)起爆的炮孔數(shù)量，從而更好地降低爆破振動(dòng)峰值。同時(shí)，由于增設(shè)了1個(gè)炮孔，原設(shè)計(jì)的10個(gè)炮孔裝藥量也降低至90%，減少單孔藥量，削減爆破振動(dòng)峰值。③精確控制起爆時(shí)間。根據(jù)相關(guān)研究，采用成排對(duì)稱斜孔同時(shí)起爆可以獲得更好的掏槽效果，V型斜眼起爆時(shí)差控制在10 ms以內(nèi)時(shí)，對(duì)稱掏槽孔的效果不會(huì)受到影響，但是，峰值已經(jīng)明顯錯(cuò)開，削峰效果明顯。

本優(yōu)化方案的主要目的是增加掏槽爆破的臨空面，增加起爆段數(shù)，減小集中起爆藥量。為了驗(yàn)證本優(yōu)化方案的實(shí)際效果，按照?qǐng)D3所示的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案，對(duì)采用優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行破巖施工的單個(gè)循環(huán)進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行破巖施工時(shí)，振動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)間不再對(duì)應(yīng)掏槽孔爆破時(shí)間，同一位置的振動(dòng)波形相對(duì)于原爆破方案的振動(dòng)區(qū)間增加，但每個(gè)區(qū)間的局部峰值減小。這表明，優(yōu)化方案通過三步優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠起到良好的爆破振動(dòng)削減作用。

2 過煤層區(qū)段隧道爆破振動(dòng)測(cè)試

由爆破優(yōu)化方案和相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果可知，本優(yōu)化方案能夠較好地降低爆破引起的振動(dòng)峰值，“增加空孔、錯(cuò)峰爆破、精控微差”方法的應(yīng)用，在正常IV級(jí)圍巖區(qū)段隧道的爆破開挖過程中取得了良好的效果。下面，筆者簡(jiǎn)要分析過緩傾煤層區(qū)段的減震效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案，雞公山隧道采用雙向掘進(jìn)施工，在靠近緩傾煤層時(shí)，一側(cè)停止鉆爆施工，改為單側(cè)掘進(jìn)，另一側(cè)保持20 m以上的距離，即隧道從與上覆煤層豎向距離由大慢慢減小的方向逐漸穿過煤層。具體施工掘工作面與煤層相對(duì)關(guān)系如圖7所示。

10 m和5 m時(shí)的爆破振動(dòng)曲線

如圖7所示，在隧道右側(cè)掌子面距離拱頂延長(zhǎng)線與煤層相交處20 m以上時(shí)，停止右側(cè)掌子面爆破掘進(jìn)施工，改為左側(cè)單向掘進(jìn)。在左側(cè)拱頂與煤層豎向距離分別為10 m、5 m和1 m時(shí)，對(duì)后方初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。鑒于施工的原因，在左側(cè)拱頂與煤層豎向距離為1 m時(shí)，未能測(cè)得有效數(shù)據(jù)，僅能分析距離為10 m和5 m時(shí)的結(jié)果，最終測(cè)得的爆破振動(dòng)時(shí)程曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，在掌子面拱頂與煤層豎向距離逐漸減小的過程中，同一位置的爆破振動(dòng)速度曲線明顯增大，且振速曲線變化規(guī)律雜亂。當(dāng)掌子面拱頂與煤層豎向距離為10 m時(shí)，振速曲線尚可見到與微差分段爆破存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的局部峰值。但當(dāng)掌子面拱頂與煤層豎向距離縮短至5 m時(shí)，振速局部峰值與起爆段基本沒有任何對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可見，由于上覆煤層的松散結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致振動(dòng)波傳播過程中多次受到煤層與巖體交界面的影響，振動(dòng)波的反射和折射導(dǎo)致掌子面后方測(cè)得的振動(dòng)波形呈現(xiàn)出雜亂的形態(tài)。此外，當(dāng)豎向距離從10 m縮短至5 m時(shí)，掌子面后方監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振速峰值從3.6 cm/s增加至4.8 cm/s。所以，越靠近煤層，爆破振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響越大。在施工過程中，采取本優(yōu)化方案爆破施工，仍然能大幅降低爆破振動(dòng)在掌子面后方引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的安全性具有非常重要的意義。

3 結(jié)論

過緩傾煤層隧道施工是雞公山隧道的技術(shù)難點(diǎn)，尤其是隧道與煤層交界處出現(xiàn)了比較長(zhǎng)的楔形體，在爆破振動(dòng)作用下容易出現(xiàn)損傷乃至整體垮塌，引發(fā)災(zāi)難性的后果。本文通過現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)合原有的爆破方案設(shè)計(jì)，提出了以“增加空孔、錯(cuò)峰爆破、精控微差”為理念的優(yōu)化爆破方案。在正常IV級(jí)段進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證了所提出方案的合理性，并將其應(yīng)用于過緩傾煤層段，得出了以下結(jié)論：①雞公山隧道過緩傾煤層區(qū)段在拱頂形成了長(zhǎng)度大、厚度小的楔形體圍巖。這給隧道爆破施工提出了新的挑戰(zhàn)，特是該隧道工程施工的重難點(diǎn)工作。采取本文提出的方案能夠較好地解決這一問題，能夠大幅降低隧道施工爆破在初支結(jié)構(gòu)中引起的爆破振動(dòng)。②隧道掌子面拱頂與緩傾煤層的距離對(duì)爆破振動(dòng)強(qiáng)度有較為明顯的影響。當(dāng)距離較小時(shí)，爆破振動(dòng)強(qiáng)度明顯增大，且振動(dòng)波形呈現(xiàn)出一定的雜亂性。這表明，煤層會(huì)對(duì)爆破振動(dòng)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利的影響。③一般條件下，隧道掏槽爆破時(shí)引起的結(jié)構(gòu)振速最大，有較為明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在施工過程中，采取增設(shè)掏槽空孔、掏槽孔精確微差控制和對(duì)稱掏槽的方法，可以大幅度削減爆破振動(dòng)強(qiáng)度。其原理在于增加了掏槽臨空面，消除了掏槽爆破振動(dòng)疊加效應(yīng)。這種做法具有良好的應(yīng)用價(jià)值，而且施工成本也比較低。

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作者簡(jiǎn)介：冀榮華（1983—），遼寧建昌人，大學(xué)本科，副總經(jīng)濟(jì)師，主要從事公路、市政項(xiàng)目管理工作。

〔編輯：白潔〕

文章編號(hào)：2095-6835（2017）08-0034-01