光面爆破技術(shù)在熊沖隧道的研究與應(yīng)用

杜國輝 張欣 蘇木林 張一兵

摘要：熊沖隧道屬于梧州市環(huán)城高速建設(shè)隧道之一，開挖掘進(jìn)爆破工藝為光面爆破。隧道全長1500m左右，設(shè)計(jì)遂址區(qū)位于巖層斷層區(qū)段，巖體比較破碎節(jié)理裂隙發(fā)育，受圍巖巖性影響，爆破效果并不理想。為了優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益，在現(xiàn)場做多次對比試驗(yàn)，對破碎性圍巖隧道光面爆破技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。爆破后超欠挖控制在10～20cm以內(nèi)，半孔率達(dá)到68%以上，試驗(yàn)效果顯著。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了合理的孔網(wǎng)參數(shù)，合理周邊孔距為50～55cm。

Abstract： Xiong-Chong tunnel belongs to Wuzhou city high speed construction of tunnel. The blasting process is smooth blasting. The length of the tunnel is about 1500m. Affected by surrounding rock lithology， the blasting effect is not ideal. In order to optimize the parameters of blasting hole net， improve production efficiency and economic benefits， several contrast tests are done on the spot， and experimental study on broken rock tunnel smooth blasting technology is carried out. The control of over and under excavation after blasting is within 10 ～ 20cm. The half hole rate is more than 68%. The effect is remarkable. Through analysis of the test data， reasonable hole net parameter is obtained. The reasonable perimeter distance is 50～55cm.

關(guān)鍵詞：光面爆破；半孔率；節(jié)理裂隙

Key words： smooth blasting；half-hole rate；joint fissure

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0135-03

0 引言

光面爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于路橋工程及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中。在人口密度大的南方城市此類工程偏多，受南方地區(qū)丘陵地貌影響，公路工程的建設(shè)往往要修建隧道。由于隧道工程在整個(gè)項(xiàng)目中占的產(chǎn)值百分比往往偏高，隧道工程的質(zhì)量好壞對整個(gè)工程影響很大。采用光面爆破技術(shù)對隧道圍巖進(jìn)行開挖，可以大幅度減小爆破對圍巖的擾動(dòng)，保證隧道圍巖的完整性和承載能力，并形成光滑的輪廓面，符合巖石力學(xué)理論新奧法的要求。達(dá)到即保證施工進(jìn)度，改善作業(yè)環(huán)境，又保證施工質(zhì)量，并節(jié)約成本的目的[1]。熊沖隧道圍巖情況復(fù)雜，需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)來指導(dǎo)爆破施工。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，光面爆破一般采用兩種方式，即預(yù)留光爆層法和全斷面開挖法，全斷面開挖法一般用于斷面積較小的中小型隧道的開挖，預(yù)留光爆層法則一般用于大斷面隧道開挖[2]。熊沖隧道采用全斷面開挖法，周邊眼采用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制爆破作業(yè)對隧道圍巖的擾動(dòng)，控制爆破超欠挖，形成光滑的隧道輪廓。針對不同的圍巖情況，通過改變孔網(wǎng)參數(shù)來反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化鉆爆參數(shù)。

1 工程概況

熊沖隧道屬于梧州市環(huán)城公路No3工程項(xiàng)目需要修建隧道之一，熊沖隧道右洞設(shè)計(jì)長度1536m，左洞設(shè)計(jì)長度1495m。隧道位于城郊，離村莊有一段距離，周圍無需要保護(hù)的建筑物。遂址區(qū)屬丘陵地貌，地形起伏較大，沿隧道走向地表由殘積層覆蓋，隧址下伏基巖為寒武系上亞群中組砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂及鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理呈不規(guī)則狀交錯(cuò)分布，存在斷層或斷層影響破碎帶，裂隙集中發(fā)育，對爆破作業(yè)有影響，需要通過試驗(yàn)探索合理的孔網(wǎng)參數(shù)，用數(shù)據(jù)指導(dǎo)爆破開挖施工，熊沖隧道破碎帶情況如表1所示。

從熊沖隧道圍巖斷層情況來看，圍巖節(jié)理裂隙整體情況為較發(fā)育，節(jié)理密度大，破碎程度高，抗震能力弱，爆破作業(yè)易對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)。

2 隧道光面爆破技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化

2.1 周邊眼爆破時(shí)的破巖機(jī)制

光面爆破是一種廣泛用于隧道開挖的控制爆破技術(shù)，為了減少爆破對隧道的圍巖的影響，在周邊眼處采用低威力低爆速的小藥卷炸藥，嚴(yán)格控制周邊眼之間起爆時(shí)間，區(qū)別于漏斗爆破的破壞形式，在周邊眼爆破時(shí)保證應(yīng)力波主要作用于周邊炮孔之間，此時(shí)爆炸應(yīng)力波疊加達(dá)到峰值，應(yīng)力波進(jìn)行疊加造成對巖石的破壞作用，使炸藥的爆炸能量大部分集中作用與炮孔之間的圍巖，因而有利于爆破后隧道的成型，形成光滑的輪廓線。

2.2 隧道爆破技術(shù)選擇

根據(jù)熊沖隧道圍巖的特點(diǎn)，結(jié)合施工目標(biāo)的需求，即要達(dá)到設(shè)計(jì)高程，又要保證隧道整體輪廓的平整。隧道的開挖爆破采用上下臺(tái)階法進(jìn)行爆破施工，以弱爆破、短進(jìn)尺的原則指導(dǎo)爆破施工，周邊眼按光面爆破技術(shù)要求選擇參數(shù)。

施工目標(biāo)要求：

①爆破后半孔率達(dá)到50%以上，隧道輪廓線基本光滑，超欠挖控制在一定范圍內(nèi)。

②對圍巖的擾動(dòng)小，爆破后續(xù)施工環(huán)節(jié)安全。

③經(jīng)濟(jì)效益明顯，能如期完成工程任務(wù)。

2.3 掌子面炮孔布置

掏槽孔分布于掌子面的中央，為楔形掏槽，在爆破時(shí)將開挖面中心的巖石拋出，為輔助孔形成自由面，一般裝藥量較大；輔助孔分布于周邊孔和掏槽孔之間，在掏槽孔爆破后，輔助孔爆破，將更多巖石崩落下來；周邊孔分布于隧道輪廓線上，采用較小孔距，少量炸藥進(jìn)行爆破，以控制超欠挖；底孔則用于將隧道底部巖石拋出，一般孔距和裝藥量較大。鉆孔器械采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，采用φ40的鉆桿，鉆桿長度為5m。如圖1所示。

2.4 裝藥量選取

2.4.1 炮孔裝藥量計(jì)算

應(yīng)用于隧道爆破的炸藥為φ32巖石乳化炸藥，為了達(dá)到良好的爆破效果，采用合理的裝是十分關(guān)鍵的[3]爆破一次總裝藥量計(jì)算：Q=K·s·L·η，kg；

式中：Q——爆破一次總裝藥量（kg）；

K——爆破每巖石所需炸藥消耗量（kg/m3）；

L——炮眼深度，m；

s——隧道斷面積，m2；

η——炮眼利用率，η=0.8-0.95。

2.4.2 掏槽孔、輔助孔、底孔裝藥量的確定

掌子面炮孔裝藥量與炮孔深度、孔距等因素有關(guān)，其裝藥量的確定依靠經(jīng)驗(yàn)公式確定，如下式所示：

2.4.3 周邊孔裝藥量計(jì)算

周邊孔采用光面爆破技術(shù)，以多打孔少裝藥為原則進(jìn)行炮孔裝藥量設(shè)計(jì)，每孔裝藥量計(jì)算公式為：Q孔=q線·L

其中：q線為光爆孔線裝藥密度；L為周邊孔深度。

2.5 孔網(wǎng)參數(shù)選取

2.5.1 炮孔間距

掌子面炮孔數(shù)量的選取主要按照經(jīng)驗(yàn)公式選取：N=K（f·s）/2，依據(jù)設(shè)計(jì)的炮孔數(shù)量設(shè)計(jì)掏槽孔、輔助孔和底孔的間距和排距，熊沖隧道炮孔參數(shù)如表2所示。

光爆層指周邊眼到最近一圈輔助眼的距離，即周邊眼的最小抵抗線W，它對爆破效果有較大的影響，選擇合理的光爆層厚度，可以控制超欠挖，提高光爆效果。光爆層厚度的選擇與巖石性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，圍巖松軟和節(jié)理裂隙較多的圍巖隧道，光爆層厚度選取較大值，圍巖堅(jiān)固的則選取小一些。周邊眼距與光爆層厚度的比值m[3]（炮孔密集系數(shù)），計(jì)算公式如下：

m=（1）

2.5.2 炮孔排距

隧道掘進(jìn)爆破屬于拋擲爆破，起爆后掏槽孔最先起爆，產(chǎn)生自由面，為其余炮孔的起爆創(chuàng)造條件，隨后逐排炮孔先后起爆，炮孔排距略小于炮孔間距。

2.6 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序

為了減少爆破對圍巖的擾動(dòng)，周邊眼采用分散裝藥的裝藥結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)將周邊眼內(nèi)藥卷分為3部分。各部分藥卷及各個(gè)炮孔（周邊眼）之間用導(dǎo)爆索連接。

雷管選用Ms1、3、5、7、9、11、13段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行起爆，炮孔起爆先后順序?yàn)椋禾筒垩?、輔助眼、周邊眼和底眼。并合理的選擇雷管延期間隔，為獲得較好的光爆效果，軟巖一般采用100～200ms，硬巖100ms[4]，炮孔起爆順序及網(wǎng)路圖如圖2所示。

3 爆破效果分析

結(jié)合熊沖隧道圍巖的地質(zhì)條件，采用上述參數(shù)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，隧道拱頂?shù)?0個(gè)左右周邊孔敷設(shè)導(dǎo)爆索，采用光面爆破技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要調(diào)整，來控制隧道輪廓的超欠挖，取得了良好的試驗(yàn)效果，部分試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)見表3。爆破效果圖見圖3。

第2組試驗(yàn)半孔率為78%，平均超欠挖為11～15cm，達(dá)到了良好的試驗(yàn)效果，孔距50～55cm為合理周邊孔距；從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一定范圍內(nèi)減小周邊眼間距、減少單孔裝藥量能提高爆破效果，爆破后隧道輪廓較平整，超欠挖量≤20cm；炮眼利用率高，炮眼殘留率約為70%～80%，達(dá)到光面爆破的要求。

4 結(jié)論

在熊沖隧道應(yīng)用光面爆破技術(shù)，根據(jù)隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育特點(diǎn)，加密周邊眼，減少裝藥量并優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并取得了成功，有效的提高了施工質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益明顯，形成了一套合理的孔網(wǎng)參數(shù)。通過改善爆破方法降低了因爆破而產(chǎn)生的對圍巖的擾動(dòng)，提高了穩(wěn)定性和安全性，達(dá)到安全施工的目標(biāo)。另外注意提高鉆孔質(zhì)量，填塞質(zhì)量等，對爆破效果的好壞也具有影響，因?yàn)殂@孔質(zhì)量的好壞決定著光面爆破的效果[5]，填塞炮泥可以增加炸藥爆炸時(shí)爆生氣體對孔壁的作用時(shí)間。本隧道的光面爆破試驗(yàn)取得的成果，為國內(nèi)類似隧道開挖工程提供參考。

①在隧道掘進(jìn)初期，使用一般控制爆破方法進(jìn)行施工，爆破后超欠挖大，大大增加二襯噴漿工作量，據(jù)前期統(tǒng)計(jì)因爆破引起的超欠挖造成二襯噴漿量將近翻倍。與一般控制爆破方法相比，采用光面爆破的方法進(jìn)行隧道開挖具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，降低了成本，在改變孔距、裝藥量的基礎(chǔ)上試驗(yàn)將爆破效果得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

②通過改善爆破方法降低了因爆破而產(chǎn)生的對圍巖的擾動(dòng)，提高了穩(wěn)定性和安全性，達(dá)到安全施工的目標(biāo)。將超欠挖控制在較小范圍內(nèi)，提高了工程質(zhì)量，保證了施工進(jìn)度。

③注意提高鉆孔質(zhì)量，填塞質(zhì)量等，鉆孔質(zhì)量的好壞決定著光面爆破的效果，填塞炮泥可以增加炸藥爆炸時(shí)爆生氣體對孔壁的作用時(shí)間，強(qiáng)化現(xiàn)場管理和驗(yàn)收。

參考文獻(xiàn)：

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