II、III 圍巖光面爆破技術(shù)研究及提升

王新軍

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司， 天津 300133）

1 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-29 標(biāo)二工區(qū)起訖里程DK1627+467.08～DK1646+530，全長(zhǎng)19.063km。管段內(nèi)共有隧道18 座，總長(zhǎng)13622m，占線路總長(zhǎng)的71.5%。隧道穿越的地層主要以板巖、白云巖和花崗閃長(zhǎng)巖為主，其中II、III 圍巖地段共計(jì)5600m，光面爆破工作量較大，光面爆破效果提高將為項(xiàng)目帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文以張坊隧道出口為試驗(yàn)段，本試驗(yàn)段以花崗巖為主，巖石較硬，進(jìn)行理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，制定一套合理的爆破方案，不斷優(yōu)化。

2 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 制定炮眼間距

炮眼間距設(shè)計(jì)前提，最少爆破后能形成貫通裂縫，根據(jù)力學(xué)條件，必須使得炮孔間距E≤每單個(gè)炮孔爆生裂縫的長(zhǎng)度a 的2 倍，約束關(guān)系式可描述為E≤2am+b (am 為裂縫的最終長(zhǎng)度，b 為炸藥直徑，現(xiàn)場(chǎng)炸藥直徑32mm)，且按照理論公式近似地計(jì)算。

式（1） 中：Kp-巖石抗屈服系數(shù)，Kp=0.04f（巖石普氏系數(shù)），f=Rc（巖石的單向抗壓強(qiáng)度） /10，張坊隧道出口光爆段巖石為花崗巖，較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度情況，可確定巖石的普氏系數(shù)f＝5～8，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段為花崗巖中等硬巖f 可取5，所以巖石的抗屈服系數(shù)Kp＝0.04f＝0.2；b 為炸藥直徑（cm），現(xiàn)場(chǎng)施工采用32mm 炸藥，確定孔距的經(jīng)驗(yàn)公式為式（2） ：

E=（9～14） b，（b＜60mm）[2]（2）

由式（1） E＝54.2976Kp×b 計(jì)算得光爆孔孔距為E=34.7cm。由式（2） 計(jì)算周邊眼孔距為E＝28.8～44.8cm。一般隧道適當(dāng)減小炮眼間距或者預(yù)留不裝藥的空眼來作為導(dǎo)向裂隙，爆破效果都比較理想，所以張坊隧道出口現(xiàn)場(chǎng)按照炮眼間距E＝35cm 布置。

依據(jù)爆破中各個(gè)炮孔的作用，可將隧道爆破炮孔分為周邊眼、輔助孔、掏槽眼。根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃，炮孔深度為3.5m，現(xiàn)場(chǎng)鉆頭40cm，所以炮孔直徑d＝40mm,現(xiàn)場(chǎng)掏槽眼4m。

2.2 確定最小抵抗線

最小抵抗線（巖石阻力最小的方向且裝藥量心到自由面最短距離） 直接影響光爆面平整度，當(dāng)周邊眼最小抵抗線W較大時(shí)，爆破后巖體碴塊破碎的塊度過大，有可能造成欠挖；最小抵抗線過小時(shí)，會(huì)造成開挖輪廓線外圍巖的破壞與剝落，所以要合理確定最小抵抗線，減少超欠挖。

在施工中要盡量仔細(xì)觀察地質(zhì)情況，周邊眼布置與結(jié)構(gòu)面垂直時(shí)，其對(duì)光滑壁面的形成影響較小。當(dāng)與結(jié)構(gòu)面重合時(shí)，其反而有利于光滑壁面的形成。并且每排炮眼布置盡量滿足梅花形布置，減少應(yīng)力分散，避免圍巖受力不均。

對(duì)于光面爆破，最小抵抗線是指巖石阻力最小的方向且裝藥量心到自由面最短距離。光面爆破中的炮孔密集系數(shù)是光面爆破參數(shù)中一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，是指孔距E 與最小抵抗線W 的比值，即M=E/W。在工程中，一般情況下m＝0.8～1。當(dāng)m＞1 時(shí)，爆破后容易出現(xiàn)炮孔間裂隙而成偏斗爆破；當(dāng)m＝1時(shí)，爆破后光爆孔間容易形成比較好的貫通裂縫。m 的合理取值是0.7～1.13，最佳取值在0.8～1.13 之間。從工程實(shí)踐出發(fā)，m 的取值根據(jù)巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和開挖進(jìn)度等條件，現(xiàn)場(chǎng)花崗巖為中等硬巖，爆破試驗(yàn)確定m 取0.8。W=E/m=43.75，現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)一取45cm。

同時(shí)最小抵抗線可由理論公式（3）：

式（3） 中：ρ-裝藥系數(shù)為裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度之比，張坊隧道出口裝藥采用間隔裝藥，ρ=3/3.5=0.85；L-周邊眼炮孔深度，m，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)鉆桿長(zhǎng)度及進(jìn)度要求，施工炮孔深度為3.5m；Q-單孔周邊眼裝藥量（kg）。

因此，W=W/ρEL=45cm，Q=wρρE=0.468kg。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)施工方便，周邊眼單孔炸藥量Q=0.5kg。

2.3 優(yōu)化裝藥方式

不偶合系數(shù)是指炮孔直徑與裝藥直徑之比40cm/3.2cm=1.25，它反映了藥包與孔壁間的接觸情況。經(jīng)上面求得周邊眼單孔炸藥量0.5kg，現(xiàn)場(chǎng)炸藥每根長(zhǎng)度20cm，炸藥量0.2kg。研究表明，空氣耦合光面爆破效果優(yōu)于水耦合爆破[1]，同時(shí)空氣耦合采用間隔裝藥也有利用現(xiàn)場(chǎng)施工[3]，現(xiàn)場(chǎng)采用竹片進(jìn)行間隔裝藥。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)化

3.1 爆破連接方式

為提高光面爆破效果，現(xiàn)場(chǎng)炸藥采用導(dǎo)爆索連接，周邊眼裝藥方式如圖1 所示，隔孔采用雷管連接，雷管連接采用正向、反向交叉連接，如圖2 所示。

圖1 周邊眼裝藥方式

圖2 雷管采用正向、反向交叉連接

3.2 優(yōu)化施工工藝

由于開挖臺(tái)架影響，按照現(xiàn)場(chǎng)4m 鉆桿施工，炮眼外插角無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過觀察和實(shí)驗(yàn)，采用短鉆桿套長(zhǎng)鉆桿施工，確保了每個(gè)炮孔外插角的準(zhǔn)確度。

4 制定炮眼位置

按照理論數(shù)值制定炮眼布置圖，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)跟班作業(yè)，及時(shí)調(diào)整炮眼不合理位置，綜合考慮臺(tái)架和施工條件影響，將炮眼布置圖調(diào)整到最適合此段圍巖爆破，如圖3 和圖4 所示。

圖3 炮孔布置圖（單位：cm）

圖4 掏槽眼布置圖（單位：cm）

5 光面爆破成果

5.1 減少噴射混凝土消耗

隨著光面爆破效果的提高，最直接的變化就是噴射混凝土消耗量，統(tǒng)計(jì)了2016年11 月份到2017年6 月份噴射混凝土理論數(shù)量、實(shí)際消耗量及計(jì)算出超方率。如表1 所示。

表1 張坊隧道出口各月噴射混凝土超耗情況統(tǒng)計(jì)表（單位：m3）

根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可看出張坊隧道出口開始實(shí)施光面爆破之后，線性超欠挖得到明顯改善，噴射混凝土的超方情況得到明顯的遏制，超方率顯著降低，光面爆破效果提高，噴射混凝土實(shí)際消耗數(shù)量接近理想設(shè)計(jì)值。

5.2 經(jīng)濟(jì)分析

自光面爆破開始實(shí)施以來，隧道超欠挖得到了有效的控制，噴射混凝土超方情況得到明顯改觀，以合理超方量為基準(zhǔn)，經(jīng)初步測(cè)算，自2017年3 月開始進(jìn)行光面爆破試點(diǎn)開始，截止到2017年9 月30 日，張坊隧道出口在實(shí)施光面爆破階段累計(jì)節(jié)約噴射混凝土約1000m3，按噴射混凝土成本價(jià)420 元/m3 計(jì)算，僅節(jié)省噴射混凝土這一項(xiàng)就節(jié)約成本42萬元。再考慮噴射混凝土的時(shí)間減少，施工工效的提升，處理超欠挖的情況減少，施工進(jìn)度的加快，綜合考慮下來節(jié)省的費(fèi)用相當(dāng)可觀，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

張坊隧道出口光面爆破效果提高，直接提高了隧道施工進(jìn)度，同時(shí)好的光面爆破施工，質(zhì)量和安全也能得到保證，在經(jīng)濟(jì)和業(yè)主評(píng)價(jià)中，為企業(yè)創(chuàng)造了效益和榮譽(yù)。但是光面爆破設(shè)計(jì)不是一直不變的，需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況和施工條件及時(shí)更改基礎(chǔ)參數(shù)，保證光面爆破質(zhì)量不下滑。