栗木山隧道層狀硬巖掘進(jìn)控制爆破技術(shù)

陳雪峰，趙孝學(xué)，馬 浪，張 龍，汪海波

(1. 貴州省公路工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，貴州 貴陽 550008；2. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

鉆爆法是我國山嶺隧道的主要施工方法，爆破效率的高低決定了隧道施工進(jìn)度，因此隧道工程爆破一直是交通線路建設(shè)的關(guān)鍵[1-2]。特別是在節(jié)理發(fā)育、軟弱圍巖地層中，由于節(jié)理、裂隙面的存在，破壞了巖體的完整性、將巖體分割開來，造成炸藥爆炸后爆炸應(yīng)力波在多種介質(zhì)中傳播，節(jié)理面處爆炸應(yīng)力波發(fā)生反射拉伸現(xiàn)象、爆生氣體會從中泄露，從而造成巖體內(nèi)爆炸能量分布的不均勻，出現(xiàn)超欠挖的問題，增加材料消耗、帶來安全和質(zhì)量隱患[3]?；诖耍蒲泻凸こ碳夹g(shù)人員進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，文獻(xiàn)[4-6]分析了水平層狀圍巖隧道掘進(jìn)爆破超欠挖的原因，結(jié)合各自現(xiàn)場工程實(shí)際情況對爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并取得了良好的爆破效果。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值模擬的方法研究了薄基巖頂板條件下爆破施工對圍巖的損傷情況。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為軟弱圍巖的物理性能和隧道洞口偏壓淺埋是影響洞口爆破開挖效果的關(guān)鍵，提出采用小間距、弱裝藥的優(yōu)化原則，進(jìn)行爆破參數(shù)和施工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了爆破效率和周邊成型、控制了飛石和振動強(qiáng)度。文獻(xiàn)[9]以佛嶺長大公路隧道施工為依托，引入遺傳算法和支持向量回歸耦合算法，在大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了山嶺隧道鉆爆施工參數(shù)、圍巖地質(zhì)條件及爆破后隧道拱頂下沉與圍巖松動圈深度之間的非線性支持向量回歸智能模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]結(jié)合重慶南涪高速公路鴨江隧道，開展了常規(guī)掘進(jìn)爆破和減振掘進(jìn)爆破技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究，提出了層狀圍巖小凈距隧道中掏槽炮孔采用間隔裝藥并采取孔內(nèi)分段毫秒延遲起爆的減振掘進(jìn)爆破技術(shù)。文獻(xiàn)[11]根據(jù)彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，建立了既有層狀圍巖隧道計(jì)算模型，研究了爆破動載作用下層狀圍巖隧道響應(yīng)特征。文獻(xiàn)[12]提出采用孔底空氣柱間隔裝藥以減小隧道掘進(jìn)方向的爆破振動、改善爆破破巖效果，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)予以驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]提出一種巖巷掘進(jìn)方法，在爆破前后通過詳盡的勘測資料和取巖芯，評價(jià)開挖階段引起的欠/超開挖、隧道輪廓質(zhì)量指數(shù)和巖體損傷。文獻(xiàn)[14]通過對印度喜馬拉雅的五條不同隧道現(xiàn)場調(diào)查，研究大范圍巖體質(zhì)量與爆破損傷，建立隧道周圍巖體損傷的經(jīng)驗(yàn)公式，以降低爆破對圍巖的影響。文獻(xiàn)[15]采用收斂-約束曲線方法分析了不同巖性巖體的爆破開挖特征，結(jié)果表明，巖體質(zhì)量對隧道塑性半徑和開挖最大位移的影響比爆破損傷大，尤其是在較差的巖體中。文獻(xiàn)[16]根據(jù)常用的平行直眼掏槽和傾斜眼掏槽，提出了隧道斷面與特定鉆孔和特定炸藥消耗之間的一般關(guān)系曲線，為隧道爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供支持。

貴州省新建平塘至羅甸高速栗木山隧道以白云質(zhì)灰?guī)r為主，水平層狀裂隙極為發(fā)育，且有泥質(zhì)充填。受節(jié)理影響，前期施工時(shí)4m深炮孔爆破后進(jìn)尺3～3.5m左右，炮孔利用率僅75%～87.5%；且周邊成形效果差，斷面底部呈平板狀。根據(jù)現(xiàn)場巖性特征，針對掏槽爆破和周邊孔爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)對掏槽形式、周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)和間距、單孔裝藥量等進(jìn)行設(shè)計(jì)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

圖1 隧道進(jìn)口段揭露巖體

左線隧道長1 845m，隧道最大埋深約132m；右線隧道長1 833m，隧道最大埋深約162m。隧道為雙向四車道，主洞建筑凈寬10.25m、凈高5.0m；Ⅲ級圍巖段開挖寬度12.10m、高度8.55m。受節(jié)理、裂隙影響，施工過程中易出現(xiàn)超欠挖、炮孔利用率低的問題。

2 施工方案

參照相關(guān)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合栗木山隧道實(shí)際情況和施工機(jī)械設(shè)備，對于Ⅲ、Ⅳ級圍巖段隧道采用臺階法分部開挖，臺階長度控制在10～15m，一次爆破炮孔深度3.5～4.0m；Ⅴ級圍巖段隧道采用短臺階分步開挖，一次爆破炮孔深度1.5～2.0 m。

鉆孔采用YT-29型氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，炮孔直徑φ38mm；矸石采用裝載機(jī)裝載、汽車運(yùn)輸。初次支護(hù)采用鋼拱架、噴錨掛網(wǎng)，二次襯砌采用液壓模板臺車、澆筑混凝土。

炸藥采用2號巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格φ32mm×200mm×200g，雷管為非電塑料導(dǎo)爆管雷管。為提高掘進(jìn)爆破效率和隧道成型質(zhì)量，周邊孔采用導(dǎo)爆索起爆。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 掏槽爆破參數(shù)

掏槽爆破為后續(xù)崩落眼爆破提供自由面，決定了爆破進(jìn)尺，選用槽腔體積大的楔形掏槽，共布置4對楔形掏槽眼，施工時(shí)每對孔底距離不能大于40cm，掏槽眼垂直深度比其它炮孔深度大40～50cm。在Ⅲ級圍巖段，為了加強(qiáng)槽腔底部的裝藥量，當(dāng)炮孔深度大于3.0 m時(shí)在槽腔中部布置3～4個(gè)中心直眼，采用楔形掏槽與中心直眼組合成的混合掏槽形式。不同等級圍巖掏槽孔布置與裝藥參數(shù)如表1所示。

表1 掏槽爆破參數(shù)

3.2 炮孔間排距

炮孔布置按照“先兩頭、后中間”的原則，即先布置好掏槽孔和周邊孔，再均勻布置崩落孔。周邊孔布置在隧道設(shè)計(jì)開挖輪廓線上，間距控制在35～60cm； 鉆孔時(shí)適當(dāng)外偏斜， 眼底控制在輪廓線外10～15cm，Ⅴ級圍巖段可在輪廓線上。崩落眼間距和排距控制在75～100cm，并盡可能的均勻布置，炮眼密集系數(shù)控制在m=0.8～1.2，圍巖較差時(shí)可適當(dāng)增大。具體不同等級圍巖時(shí)周邊孔布置參數(shù)如表2所示。

表2 周邊孔爆破參數(shù)

3.3 裝藥集中度

裝藥集中度指單位長度炮孔中的炸藥量，周邊孔裝藥集中度的大小是保證隧道輪廓線上貫通裂縫形成、孔壁不受粉碎性破壞和能否克服光爆層抵抗線的重要因素。為了控制裂縫的發(fā)展，保持壁面的完整穩(wěn)固，在保證沿炮孔連接線破裂的前提下，盡量減少裝藥量。

根據(jù)栗木山隧道現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，確定光面爆破裝藥集中度如表2所示。

3.4 裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方式

為保證爆破破巖效果和周邊成型質(zhì)量，掏槽孔和崩落孔采用正向連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，中心直眼采用反向起爆裝藥結(jié)構(gòu)，中心直眼、頂眼、幫眼采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

當(dāng)采用混合掏槽時(shí)，傾斜掏槽眼用MS1導(dǎo)爆管雷管起爆，中心直眼用MS4導(dǎo)爆管雷管起爆，為避免傾斜掏槽眼起爆對中心直眼裝藥造成不利影響，中心直眼裝藥后直接堵塞不少于50cm，再留空氣柱，如圖2(a)所示。頂眼、幫眼裝藥時(shí)，先將炸藥藥卷捆綁于竹片上，間隔30～50cm，各藥卷間用導(dǎo)爆索相連，各孔導(dǎo)爆索與主爆索相連，主爆索綁上MS13段導(dǎo)爆管雷管起爆，如圖2(b)所示。

圖2 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 改善爆破效果的措施

栗木山隧道爆破效果不理想的原因主要有：

1)Ⅲ級圍巖段巖石堅(jiān)硬、炸藥單耗大。

2)層狀節(jié)理的存在爆炸能量的傳播在節(jié)理面處形成反射拉伸波，加劇節(jié)理面處巖體的破壞，同時(shí)爆炸能量在節(jié)理充填物處泄露，造成周邊成形超挖。

針對節(jié)理面的影響，通過調(diào)整炮孔間距、裝藥結(jié)構(gòu)與線裝藥密度、最小抵抗線等措施，使得炸藥爆炸的能量在巖體內(nèi)盡可能均勻分布，實(shí)現(xiàn)巖體破碎均勻。采用的措施有：

1)炮孔布置在堅(jiān)硬巖體內(nèi)、避開節(jié)理面，盡可能位于上下節(jié)理面的中部。現(xiàn)場實(shí)際揭露的節(jié)理面間距在30～50cm，周邊孔在每層巖體內(nèi)均布置，并減小裝藥量，避免超挖。

2)增大掏槽爆破藥量，在槽腔中央布置3～4個(gè)直眼，在楔形掏槽眼起爆后起爆，加強(qiáng)槽腔巖體的拋擲。

3)控制二圈眼的間距和藥量。由于崩落眼是爆破巖石的主要炮眼，裝藥量大、產(chǎn)生的破壞作用強(qiáng)，爆炸能量會進(jìn)入節(jié)理面，而節(jié)理充填物強(qiáng)度低，在爆破動載作用下易造成光爆層超挖。

4)周邊眼采用導(dǎo)爆索空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，使爆炸能量沿炮孔長度分布更均勻，避免孔底超挖而孔口欠挖的出現(xiàn)。

4.2 爆破參數(shù)

根據(jù)栗木山隧道現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，確定Ⅲ級圍巖上臺階爆破炮孔布置如圖3所示，具體參數(shù)見表3。

圖3 III級圍巖段炮孔布置圖(上臺階)

炮眼名稱眼數(shù)/個(gè)眼深/m眼距/cm圈距/cm裝藥量kg/孔kg起爆順序中心直眼33.4500.92.74楔形掏槽眼82.4501.5121 崩落眼① 123.0801.5185 崩落眼② 143.080、85801.5217 崩落眼③173.076、85801.525.59 崩落眼④203.078、85801.53011 頂 眼353.052600.931.513 底 眼163.080、852.54011 合 計(jì)133197.2

通過合理布置炮孔、降低單孔裝藥量、合理延遲時(shí)間、空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)措施；現(xiàn)場施工加強(qiáng)管理，提高鉆孔精度、控制裝藥量，炮孔利用率達(dá)92%以上；光面爆破效果也大大改善，超挖量控制在允許范圍內(nèi)，頂眼半孔率達(dá)90%以上，如圖4所示，減小了初次支護(hù)工作量，節(jié)約了施工成本。

圖4 Ⅲ級圍巖段光面爆破效果

5 結(jié)論

根據(jù)栗木山隧道施工過程存在爆破效率低、光面爆破周邊成形差的問題，通過調(diào)整炮孔間距、增加掏槽爆破裝藥量、降低周邊孔裝藥量、采用合理的延遲時(shí)間和周邊孔空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)措施，并加強(qiáng)現(xiàn)場管理，提高了爆破效率和周邊成形效果，節(jié)約了施工材料成本和工期。