砂質(zhì)板巖隧道光面爆破控制施工技術(shù)研究

張洪江 張曉鵬 羅鴻昌 譚一烜 藺忠平

(中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，為縮短鐵路里程、適應(yīng)山區(qū)地形、節(jié)省投資，減少耕地占用，隧道成為極為重要的一種穿越山嶺地區(qū)鐵路結(jié)構(gòu)形式。因此針對(duì)隧道開(kāi)挖施工需要解決的重要問(wèn)題，如光面爆破施工的工藝控制及效果成為當(dāng)前施工人員重大課題，而且針對(duì)不同圍巖類型，不同巖性的光面爆破控制更需進(jìn)一步挖掘及總結(jié)[1]。

萬(wàn)安隧道位于萬(wàn)安縣枧頭鎮(zhèn)和寶山鄉(xiāng)境內(nèi)，采用單洞雙線結(jié)構(gòu)形式，全長(zhǎng)13 927.78 m。針對(duì)萬(wàn)安隧道陳屋斜井圍巖主要類型為砂質(zhì)板巖，且以Ⅲ級(jí)圍巖居多的實(shí)際情況，決定對(duì)隧道開(kāi)挖采用光面爆破法進(jìn)行施工，這樣有利于開(kāi)挖質(zhì)量的控制及進(jìn)度保障。通過(guò)深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，詳細(xì)籌劃，制定實(shí)施了“砂質(zhì)板巖隧道光面爆破控制施工工法”。

1 工程概況

萬(wàn)安隧道陳屋斜井承建正洞全長(zhǎng)3 790 m，為單洞雙線隧道設(shè)計(jì)，開(kāi)挖斷面面積為139.1 m2～152.4 m2。屬于低中山區(qū)地貌，山巒疊嶂，地形險(xiǎn)峻，溝谷狹長(zhǎng)，隧道洞身地表沖溝發(fā)育山嶺及谷地被地表土覆蓋。洞身基巖主要為砂質(zhì)板巖、夾變質(zhì)砂巖、碳質(zhì)板巖，巖體堅(jiān)硬，成板狀結(jié)構(gòu)，層理及節(jié)理較發(fā)育，弱風(fēng)化，完整性較好，其中Ⅲ級(jí)圍巖2 710 m，占整個(gè)工點(diǎn)洞身圍巖的71%。

2 光面爆破設(shè)計(jì)

2.1 爆破設(shè)計(jì)概述

本隧道采取“合理進(jìn)尺，弱擾動(dòng)圍巖”的施工基本原則進(jìn)行光面爆破設(shè)計(jì)。針對(duì)本隧道Ⅲ級(jí)圍巖的巖性及工法采用上下臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階采用光面爆破施工，上臺(tái)階斷面開(kāi)挖高度7.2 m，寬度斷面面積81.4 m2。為了嚴(yán)格控制隧道周邊超、欠挖，減少浪費(fèi)，控制成本，保持圍巖的自身穩(wěn)定性，隧道周邊采取光面爆破，合理選擇周邊炮孔間距、最小抵抗線、裝藥結(jié)構(gòu)、不偶合系數(shù)、裝藥集中度等[2]。光面爆破數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 光面爆破數(shù)據(jù)表

2.2 爆破掘進(jìn)炮孔布置原則

結(jié)合理論計(jì)算法、工程類比法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合確定爆破參數(shù)：

1)炮孔深度L。

隧道選取3.5 m～3.7 m爆破循環(huán)進(jìn)尺，炮孔深度由爆破部位而定。采用雙楔形掏槽。第1掏槽深度為2.2 m,第2掏深度為3.9 m，其余炮孔深度設(shè)計(jì)為3.7 m。

2)炮孔數(shù)目N。

本爆破設(shè)計(jì)炮孔直徑采用42 mm，采用單位面積鉆孔數(shù)為1.5個(gè)～2.5個(gè)(未包括光面爆破炮孔)[3]。采用式(1)估算炮孔數(shù)：

(1)

其中，N為炮孔數(shù)目個(gè)數(shù)(光面爆破適當(dāng)增加6%～12%)；k為參數(shù)，1個(gè)自由面k=3～3.3；f為巖石堅(jiān)固系數(shù)；s為隧道爆破斷面面積。由于隧道周邊采取光面爆破，因此，根據(jù)布孔原則，可適當(dāng)增加10%～15%炮孔數(shù)目。巖石f=8，斷面面積81.4 m2，代入式(1)計(jì)算得到炮孔數(shù)N=124個(gè)，考慮到周邊采用了光面爆破，實(shí)際布置炮孔數(shù)為147個(gè)。

3)炮孔布置。

a.掏槽炮孔的布置原則。

掏槽炮孔主要針對(duì)工人習(xí)慣以及便于作業(yè)，一般選擇在斷面的中下部位，并盡量考慮掏槽以上的炮孔為壓頂炮。掏槽設(shè)為一、二級(jí)楔形掏槽形式，掏槽位置置于斷面的下部位置，距開(kāi)挖底面0.6 m～0.8 m。

b.周邊炮孔的布置原則。

為了控制超挖量，保證隧道輪廓形狀規(guī)整，進(jìn)行光面爆破。通過(guò)查閱資料，由實(shí)地巖質(zhì)和圍巖類別確定周邊炮孔孔距a。取值(8～12)d(d為炮孔直徑)，最小抵抗線W=a/(0.7～1.0)。周邊孔用直徑為42 mm，炮孔間距為50 cm，光爆層厚度取60 cm[4]。

c.輔助孔的布置原則。

輔助孔的布置根據(jù)掏槽和周邊眼及緩沖孔圈定范圍內(nèi)巖石情況盡量均勻分布?？紤]到空腔形成以后，上部巖石懸空，爆破更容易，炮孔布置應(yīng)遵循上疏下密的原則布置。

2.3 爆破掘進(jìn)循環(huán)火工品用量及分配

1)循環(huán)炸藥用量。

采用式(2)估算每個(gè)循環(huán)炸藥用量：

Q=klsη

(2)

其中，Q為爆破一次總裝藥量，kg；k為爆破1 m3巖石所需炸藥；l為設(shè)計(jì)炮孔深度,m；s為隧道開(kāi)挖斷面爆破面積(分臺(tái)階斷面)；η為炮孔利用率，η=0.8～0.95；本隧道斷面面積為81.4 m2。

(3)

其中，k為單位炸藥消耗量，kg/m3；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù);s為巷道掘進(jìn)斷面，m2；k0為考慮炸藥爆力的校正系數(shù)，k0=525/p，p為爆力(2號(hào)巖石乳化炸藥的爆力p=260 mL)。將f=8,s=81.4 m2,代入計(jì)算得到k=0.70 kg/m3；η按照最大值0.95確定，經(jīng)計(jì)算得：Q=200.3 kg。

2)雷管段位分配。

先起爆掏槽眼，再起爆輔助眼，最后起爆周邊眼、底眼。充分考慮起爆時(shí)差，選用毫秒雷管時(shí)一般隔段使用，即選用1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、15號(hào)等[5]。具體雷管段位示意圖如圖1所示。

3)炸藥分配。

按前式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行炮孔分配裝藥。

4)光面爆破炮孔藥量校核計(jì)算。

光面爆破每米炮孔裝藥量計(jì)算公式：

Q=B·K·m·K1·W

(4)

其中，Q為1 m深光面爆破炮孔裝藥量，g/m；B為光面爆破炮孔孔口填塞系數(shù)，取B=1.0；K為在光爆中，軟巖取0.5～0.7，中硬巖取0.75～0.95，堅(jiān)硬巖取1.0～1.5；m為炮孔密集系數(shù)，m=a/W；K1為根據(jù)炮孔密度而定的系數(shù)，取K1=0.5，但每加深1 m增加0.2；W為保護(hù)層(光爆層)厚度或最小抵抗線，m。根據(jù)同類隧道光面爆破經(jīng)驗(yàn)，中等堅(jiān)硬巖石中進(jìn)行光面爆破，每米炮孔(周邊炮孔)的裝藥量為200 g～250 g，軟巖石中進(jìn)行光面爆破，每米炮孔(周邊炮孔)的裝藥量為150 g～200 g，即線裝藥量q=0.15 kg/m～0.25 kg/m。

2.4 爆破器材選擇

炸藥：選用乳化炸藥，周邊炮孔選用φ25 mm小藥卷，重150 g，長(zhǎng)26 cm；掏槽孔、其余崩落孔均選用32 mm乳化炸藥，重200 g，長(zhǎng)20 cm；雷管：選用普通非電毫秒延期雷管；導(dǎo)爆索：導(dǎo)爆索單孔加工藥串傳爆[6]。

3 光面爆破設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)設(shè)開(kāi)挖輪廓及爆破孔位置

將隧道輪廓、隧道中線用油漆畫(huà)在掌子面上，并作高程標(biāo)識(shí)點(diǎn)，然后按照爆破方案的點(diǎn)位布置放出掏槽眼、輔助眼、周邊眼并用紅油漆做出標(biāo)記，標(biāo)記的點(diǎn)位偏差不得大于5 cm，周邊眼間距按50 cm進(jìn)行測(cè)設(shè)標(biāo)記，測(cè)設(shè)完畢選取其中3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)點(diǎn)位測(cè)設(shè)是否正確。

3.2 鉆孔及清孔

本隧道采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔時(shí)選用經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆工司鉆，固定司鉆人數(shù)，安排每人負(fù)責(zé)自己鉆孔的位置。鉆孔實(shí)際操作做到“穩(wěn)、平、直、齊”四個(gè)字，并由經(jīng)驗(yàn)豐富的工班長(zhǎng)指揮來(lái)確保鉆孔的精度。鉆孔過(guò)程需嚴(yán)格按照爆破參數(shù)執(zhí)行，精確控制鉆孔位置、方向和深度，特別是光爆層厚度和周邊眼的深度及外插角控制更為關(guān)鍵。鉆眼完畢，按照炮眼布置圖由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)炮眼的孔距、孔深、鉆設(shè)角度進(jìn)行驗(yàn)收，鉆孔深度允許誤差為±2 cm，開(kāi)孔中心允許誤差φ<3 cm，如鉆設(shè)參數(shù)不符合要求的需重新進(jìn)行鉆孔，確保鉆孔的質(zhì)量。

3.3 裝藥

裝藥前采用PVC管通孔，確認(rèn)孔深滿足要求，而后采用木桿按水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)裝藥。周邊眼使用空氣間隔、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)爆索起爆，將導(dǎo)爆索放入空底藥卷內(nèi)，把炸藥綁扎在竹片上或者PVC管壁上裝入炮孔內(nèi)。先在炮眼孔底裝入20 cm的水袋，再裝入2節(jié)水袋，最后進(jìn)行堵塞[7],如圖2所示。

采用連續(xù)耦合裝藥方式對(duì)掏槽眼、輔助眼、底邊眼進(jìn)行裝藥，將雷管裝入孔底藥卷，采用反向起爆裝藥結(jié)構(gòu)。在炮眼孔底裝入20 cm的水帶,再裝入4節(jié)水袋，用炮泥進(jìn)行堵塞。按爆破設(shè)計(jì)炮眼炸藥分配表確定裝藥量，所有炮眼應(yīng)堵塞炮泥,堵塞長(zhǎng)度不小于40 cm。圖3為其他孔眼水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖。

3.4 起爆網(wǎng)絡(luò)連接及起爆

起爆網(wǎng)絡(luò)采用簇連法，使用擊發(fā)針擊發(fā)導(dǎo)爆管傳爆[8]。傳爆雷管的聚能穴要反向，被起爆的導(dǎo)爆管盡量均勻分布在起爆雷管周圍。連接好網(wǎng)絡(luò)后，需仔細(xì)檢查連接網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)是否連接牢固，綁扎不牢的需及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。起爆前需先連通電源，檢查起爆網(wǎng)絡(luò)是否正常，待起爆網(wǎng)絡(luò)電流通暢穩(wěn)定后方可進(jìn)行起爆。

3.5 清理開(kāi)挖面危石及開(kāi)挖質(zhì)量檢查

通風(fēng)后，用挖掘機(jī)對(duì)開(kāi)挖面松動(dòng)未脫落的危石進(jìn)行清理排除，確保開(kāi)挖面安全。及時(shí)組織測(cè)量人員對(duì)開(kāi)挖輪廓面進(jìn)行超欠挖值測(cè)量及周邊眼炮眼痕跡保存率、兩茬炮之間的錯(cuò)臺(tái)值，以用于超欠挖統(tǒng)計(jì)分析，并作為本循環(huán)作業(yè)人員的獎(jiǎng)懲考核依據(jù)及下一循環(huán)改進(jìn)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)原施工段落對(duì)比分析隧道超欠挖情況，大大降低了超挖值，節(jié)省了隧道出渣方量及噴射混凝土回填方量、二襯混凝土回填方量等成本，保證了初支面的平整，有利于隧道防水施工質(zhì)量，同時(shí)能有效減少工序銜接時(shí)間，大大降低處理欠挖、超挖等額外作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)循環(huán)節(jié)奏，加快了施工進(jìn)度，帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2)采用兩級(jí)楔形掏槽及水壓爆破等成套光面爆破施工工法在本隧道進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)踐及調(diào)整，總結(jié)了以上光面爆破施工參數(shù)，取得了針對(duì)砂質(zhì)板巖隧道光爆施工的良好效果，具體效果良好的光面爆破施工。

3)通過(guò)對(duì)砂質(zhì)板巖隧道光面爆破工法的運(yùn)用，有效降低了工人作業(yè)的施工時(shí)間，提高了作業(yè)安全環(huán)境，同時(shí)通過(guò)水壓爆破施工，水袋的霧化起到了一定的洞內(nèi)降塵作業(yè)，減少爆破后通風(fēng)時(shí)間，有效提高了洞內(nèi)作業(yè)施工空氣質(zhì)量，保證了工人的身體健康，起到了較好的社會(huì)效益。

[1] 楊劍鋒,文飛宇.隧道快速開(kāi)挖及監(jiān)控量測(cè)施工技術(shù)研究[J].科技視界,2017(1):294-295,379.

[2] 李海港,齊 宏,張蔚博.水壓爆破在隧道施工中的應(yīng)用[J].公路,2016,61(6):280-283.

[3] 張 寶.水壓爆破在單線隧道施工中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(17):170-172.

[4] 劉俊杰.水壓光面爆破在老格山隧道開(kāi)挖中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2014,34(11):1087-1091.

[5] 譚慶令.光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2012(24):138-139,146.

[6] 李洪良,穆如意.引紅濟(jì)石引水隧洞主洞光面爆破設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2010,36(9):360-361.

[7] 劉民芳.淺談ZPW-2000A型站內(nèi)電碼化常見(jiàn)故障處理方法[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2009,6(4):52-54.

[8] 范宏柱.淺埋既有人防隧道擴(kuò)挖地鐵車站施工技術(shù)研究[D.北京：北京交通大學(xué),2009.