玉渡山隧道爆破關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

李建旺

摘 要：本文將以玉渡山隧道工程為背景，對針對玉渡山復(fù)雜且條件較差的隧道圍巖和對周圍環(huán)境的保護(hù)等重難點(diǎn)問題運(yùn)用的爆破技術(shù)進(jìn)行研究，包括開挖方法，掏槽形式，炮孔布置和光面爆破等參數(shù)的選擇。通過合理的爆破技術(shù)應(yīng)用和參數(shù)選擇，有效的控制了爆破震動對隧道圍巖和周圍環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了圍巖復(fù)雜且條件較差情況下，隧道的安全掘進(jìn)、施工進(jìn)度和對周圍環(huán)境的保護(hù)。

關(guān)鍵詞：隧道爆破;爆破技術(shù);應(yīng)用研究

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0112-02

0 引言

延崇高速公路作為京津冀一體化西北高速通道之一，是連接北京城區(qū)、延慶新城和河北張北地區(qū)的快速交通干道，未來將服務(wù)于2022年冬奧會，工程將于2019年年底建成通車。高速公路作為保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，其公路隧道施工技術(shù)較為復(fù)雜，影響因素較多，現(xiàn)場的施工難度較大。因此，準(zhǔn)確的爆破技術(shù)和參數(shù)選擇是保證公路隧道工程順利爆破和安全的重要基礎(chǔ)。本文針對玉渡山隧道爆破工程實(shí)踐對爆破技術(shù)及參數(shù)選擇進(jìn)行研究。

1 工程概況

延崇高速公路（北京段）工程起點(diǎn)為北京市延慶區(qū)大浮坨村西側(cè)，與正在施工的興延高速公路相接，終點(diǎn)在市界處與延崇高速公路河北段相接，全長約33.7km。全線設(shè)計(jì)等級為高速公路，雙向4車道。第6標(biāo)段位于延慶西部的張山營鎮(zhèn)境內(nèi)，地勢北高南低、西高東低，穿越松山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，工作區(qū)南部為山前平原地帶，北部為延慶最高峰-海坨山，海拔2241m，沿線地形起伏大，山高谷深，植被較茂密，地下水豐富。

玉渡山隧道為重難點(diǎn)工程，該隧道進(jìn)京段起止樁號為K16+330～K21+030，全長4700m，出京段起止樁號為K16+230～K20+975，全長4645m。工程分布范圍大，沿線分布巖性較多，沉積巖、變質(zhì)巖、火山巖等，部分地段巖溶嚴(yán)重，隧道穿過淺埋破碎富水帶，地質(zhì)斷層破碎段，鐵礦采空區(qū)等不良地質(zhì)。出、進(jìn)京線的Ⅲ級圍巖總長80m，出京線Ⅳ級圍巖總長為3220m，進(jìn)京線為3395m，出京線Ⅴ級圍巖總長為1400m，進(jìn)京線為1170m。由于Ⅲ級圍巖巖石相對較穩(wěn)定施工距離較短，故采用全斷面法進(jìn)行掘進(jìn)，所以對爆破的關(guān)鍵技術(shù)研究主要針對于Ⅳ～Ⅴ級圍巖。鉆爆法對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，開挖成本低，工序較為簡單，目前仍是隧道工程的常用施工方法，本工程正洞運(yùn)用鉆爆法施工，炸藥使用Φ32mm的2號巖石乳化炸藥進(jìn)行爆破施工，雷管使用塑料導(dǎo)爆管雷管，對于玉渡山隧道爆破振動影響敏感區(qū)域，采用目前最為先進(jìn)的電子雷管精準(zhǔn)控制爆破，銥缽控制系統(tǒng)起爆，精確控制爆破振動對居民區(qū)和風(fēng)景區(qū)的影響。

2 爆破關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開挖方法

隧道工程的基本開挖方法一般有全斷面開挖、半斷面開挖以及分部開挖3中方法[3]。本工程Ⅳ～Ⅴ級圍巖情況復(fù)雜有節(jié)理發(fā)育，考慮到爆破方式對開挖安全性的影響，爆后圍巖的穩(wěn)定性以及爆破效果等因素，需采用較為合理的開挖方式。從安全和圍巖穩(wěn)定情況看，全斷面法無法進(jìn)行局部支護(hù)，可能產(chǎn)生圍巖失穩(wěn)導(dǎo)致隧道塌方;而分臺階開挖則可以進(jìn)行局部支護(hù)，在巖石條件更差的情況下，也可以進(jìn)行超前支護(hù)，增強(qiáng)了圍巖的相對穩(wěn)定性。從效果上看，全斷面法的施工效率較高，分臺階開挖法可以隨現(xiàn)場復(fù)雜多變的情況進(jìn)行有針對性的施工，加快掘進(jìn)速度[4]。因此根據(jù)本工程的情況，全斷面沒有另外兩種方式的安全和效果好，只少量的Ⅲ級段采用全斷面法，Ⅳ級段采用兩臺階法，Ⅴ級段采用三臺階臨時(shí)橫撐。Ⅳ～Ⅴ級分多個(gè)斷面立體交叉施工，邊開挖邊支護(hù)，上斷面和下斷面相距約50m。

2.2 掏槽形式

掏槽爆破是隧道開挖成敗的關(guān)鍵技術(shù)，成功與否直接影響隧道爆破效果，掏槽深度直接影響隧道的循環(huán)進(jìn)尺，如果掏槽效果好能在掏槽區(qū)形成良好的空腔，為后續(xù)的擴(kuò)槽爆破提供良好的自由面，則爆破的進(jìn)尺率將達(dá)到90%以上，解決好掏槽爆破才能成功的進(jìn)行掘進(jìn)。掏槽眼的深度通常要比其他的炮眼深200-300mm，一般布置在隧道斷面的中心偏下的位置[2]，為達(dá)到最佳效果掏槽孔可以根據(jù)巖層的變化做一定的調(diào)整，最下面一排炮孔距地面1.5-2m為宜，這樣可以減少地面巖石的夾制作用。

掏槽形式一般分為直孔和斜孔掏槽，直孔掏槽需要設(shè)置中空孔和增加炸藥的單耗來確保掏槽效果，斜孔掏槽比直孔掏槽更容易形成自由面，對鉆孔的要求相對較低，炮孔的數(shù)量也較少，其中的楔形掏槽具有爆力較為集中，掏槽體積大，爆破效果好，適用于各種堅(jiān)硬程度不同的巖層?？紤]到本工程的開挖斷面大小，循環(huán)進(jìn)尺要求，鉆孔機(jī)具為手持風(fēng)鉆等因素，對循環(huán)進(jìn)尺要求在1-4m的淺、中深孔爆破時(shí)采用斜孔掏槽中的楔形掏槽形式，對于循環(huán)進(jìn)尺要求在4-5m的深孔爆破，為了加大掏槽深度，采用二級復(fù)式楔形掏槽爆破方式。

2.3 光面爆破

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，保證隧道圍巖的完整性和承載能力，并形成光滑的輪廓面，能夠保證正常的施工進(jìn)度和質(zhì)量，節(jié)約成本。通過正確選擇爆破參數(shù)和合理的施工方法，分區(qū)分段微差爆破，爆后能夠達(dá)到輪廓線的設(shè)計(jì)要求，臨空面平整規(guī)則。

2.3.1 光面爆破參數(shù)

（1）炮孔間距：由Langefors給出的確定孔距的經(jīng)驗(yàn)公式[1]如公式（1）所示：

E=（8～12）d，（d>60mm）

E=（9～14）d，（d<60mm） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：E為孔距;d為裝藥直徑。

本工程中d=42mm，因此孔距E取50cm。

（2）線裝藥密度：光面爆破線裝藥密度計(jì)算如公式（2）所示：

q0=d12Δ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：q0為線裝藥密度（kg/m）;d1為藥卷直徑（m）[1];Δ為炸藥密度（kg/m）;對于不耦合、空氣間隔裝藥，炮孔直徑在35-45mm情況下，線裝藥密度通常在0.1-0.3kg/m，本工程選取0.3kg/m。

（3）最小抵抗線：最小抵抗線也即光爆層的厚度，對不同巖石的性質(zhì)，最小抵抗線計(jì)算公式如公式（3）所示：

W=（10～20）d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：d為裝藥直徑（mm）;選取中間。

本工程中W=0.63m。

（4）炮孔密集系數(shù)：炮孔密集系數(shù)是周邊孔間距與光爆層厚度的比值，是影響光爆效果的重要因素。其計(jì)算公式如公式（4）所示：

（4）

式中：E為周邊孔間距（cm），W為光爆層厚度（cm）;m取值一般在0.7～1之間，計(jì)算可得m=0.8。

（5）不耦合系數(shù)：不耦合系數(shù)是炮孔直徑與藥卷直徑的比值，反應(yīng)出了裝藥與孔壁的間隙情況。其計(jì)算公式如公式（5）所示：

D= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：d為炮孔直徑（mm），d1為藥卷直徑（mm），計(jì)算可得D=1.31。

以上參數(shù)均需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果做相應(yīng)的調(diào)整。

2.3.2 光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)

隧道的光面爆孔一般采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)通常為1.2～2.0。由于工程采用φ32mm藥卷和手持風(fēng)鉆鉆孔孔徑為42mm，因此光爆孔不耦合系數(shù)為1.31，滿足光爆要求，由線裝藥量計(jì)算得出裝藥量通常為4根藥卷，其余炮孔都采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，藥卷之間采用導(dǎo)爆索連接齊發(fā)爆破[1]。

3 施工要點(diǎn)

3.1 炮孔布置

炮眼的數(shù)量和位置決定隧道開挖進(jìn)尺、隧道開挖成型效果和火工品材料使用的多少。上臺階炮孔按照由里到外的原則，從掏槽孔，擴(kuò)槽孔，輔助孔，光爆孔，到底排孔進(jìn)行布置，雷管使用MS1-MS15段位，避免爆破震動強(qiáng)度疊加作用，MS1-MS13段需跳段使用，起爆順序?yàn)樘筒劭?擴(kuò)槽孔-輔助孔-光爆孔-底排孔。炮孔裝藥系數(shù)分別為Ⅳ級圍巖的掏槽孔0.6，輔助孔0.5，周邊孔0.3。Ⅴ級圍巖的掏槽孔0.55，輔助孔0.4，周邊孔0.2。下臺階炮孔按照從上到下進(jìn)行布置，依次起爆。

3.2 起爆網(wǎng)路

采用孔內(nèi)分段控制的方法進(jìn)行起爆，起爆網(wǎng)路局部簇連，各局部并聯(lián)的復(fù)式聯(lián)接網(wǎng)路。Ⅳ級圍巖先爆破上臺階，后爆破下臺階;Ⅴ級圍巖按上、中、下臺階依次爆破[4]。

3.3 爆破效果

根據(jù)巖石性質(zhì)所采用的開挖方式保證了隧道施工的整體安全和施工進(jìn)度，在選用楔形掏槽形式情況下，使炮孔利用率達(dá)到90%左右，對于淺、中深孔的爆破，循環(huán)進(jìn)尺能達(dá)到0.9-3.6m左右，而對于深孔的爆破，循環(huán)的進(jìn)尺也能達(dá)到3.6-4.5m左右，整體進(jìn)尺效率較高。隧道輪廓線運(yùn)用的光面爆破技術(shù)很好的保證了周邊圍巖的穩(wěn)定性，半孔率達(dá)到50-70%，平均超欠挖在10-25cm左右。經(jīng)實(shí)際檢測，所采用的炸藥的性能、布孔方式和和運(yùn)用的毫秒跳段延時(shí)的微差控制爆破技術(shù)有效的降低了爆破震動對周邊居民區(qū)和風(fēng)景區(qū)的影響，爆破產(chǎn)生的巖渣大塊率低，便于運(yùn)輸和后續(xù)工序的開展。

4 結(jié)語

（1）少部分隧道周邊光爆效果不佳。在巖石條件極差的情況下，承包鉆孔的作業(yè)隊(duì)，可能只考慮進(jìn)尺和爆破方量，并沒有考慮超欠挖等指標(biāo)，導(dǎo)致鉆孔不符合設(shè)計(jì)要求，效果不佳。如果改善管理方法和制度，將光爆半孔率納入施工人員的考核指標(biāo)，與其經(jīng)濟(jì)收入掛鉤，或許會得到改善。（2）由于隧道每天需要隔一定時(shí)間進(jìn)行重復(fù)作業(yè)，碰到的巖石情況較設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際施工與設(shè)計(jì)存在一定程度的脫節(jié)，設(shè)計(jì)與實(shí)際施工需找到合適的契合點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹琴，吳戰(zhàn)，田新邦，葉新.光面爆破技術(shù)及其在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2015，17（04）：105-109.

[2] 李檜祥.隧道爆破施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)漫談[A].中國鐵道學(xué)會工程分會.爆破工程技術(shù)交流論文集[C].中國鐵道學(xué)會工程分會：中國鐵道學(xué)會，2018：8.

[3] 于亞倫.工程爆破理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[4] 王建龍，唐海，易帥，等.裂隙巖體大斷面隧道爆破方案設(shè)計(jì)[J].采礦技術(shù)，2018，18（05）：203-205+208.