光面爆破在高速隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

鐘 云，方 義

（1.江西高端爆破工程有限公司，江西 吉安3430091；2.安徽地礦局327地質(zhì)隊(duì)，合肥230011）

1 引言

光面爆破常應(yīng)用于高速隧道的掘進(jìn)施工［1］，相較于其他爆破光面爆破通過計(jì)算選擇合理的爆破參數(shù)可以達(dá)到控制圍巖擾動(dòng)［2］，一次爆破成型隧道斷面的效果。使用光面爆破一次成型隧道斷面減少了施工成本，減少了對(duì)山體圍巖的破壞，降價(jià)后期支護(hù)難度［3－4］。現(xiàn)就具體的爆破施工案例對(duì)光面爆破進(jìn)行研究。

2 工程概況

南昌至寧都高速公路第C8合同段位于永豐縣上溪鄉(xiāng)雙嶺村境內(nèi)，所屬區(qū)內(nèi)為低山地貌，地形起伏較大，山勢(shì)較陡，山體自然坡度在35°～60°之間。西面為沙溪到水漿自然保護(hù)區(qū)公路，較平坦，東面石馬鎮(zhèn)經(jīng)上溪鄉(xiāng)到工地為盤山公路，起伏較大。

該隧道設(shè)計(jì)為分離式雙車道結(jié)構(gòu)，凈高5.0m。主洞內(nèi)輪廓高度8.906m，寬度11.4 m，截面積82.88m2；緊急停車帶隧道內(nèi)輪廓高度9.723m，寬度13.9m，截面積111.05 m2。雙向隧道總長(zhǎng)4 490m。Ⅳ級(jí)圍巖4 001 m 占總長(zhǎng)的89.1%。軸向北西為一近東西走向，略向南彎曲的弧形向斜。其延伸約40 km，東西兩端均揚(yáng)起消失。巖層產(chǎn)狀正常，傾角一般20°～30°，少數(shù)為45°～50°。此路段灰?guī)r發(fā)育。

3 光爆參數(shù)設(shè)計(jì)

選擇合理的爆破參數(shù)是控制光面爆破效果的關(guān)鍵，根據(jù)Ⅳ級(jí)圍巖性質(zhì)，以及高速隧道成型要求，采用中長(zhǎng)臺(tái)階法施工，平行中空孔直眼掏槽，循環(huán)進(jìn)尺2.5m，為便于機(jī)械展開，臺(tái)階長(zhǎng)度約20m，先進(jìn)行超前錨管支護(hù)，采用爆破法及機(jī)械配合開挖，開挖一段支護(hù)襯砌一段，及時(shí)封閉頂拱。開挖示意圖如圖1所示。

圖1 開挖示意圖

3.1 爆破參數(shù)選擇

本工程Ⅳ級(jí)圍巖占隧道開挖全部工程量的89%，Ⅴ級(jí)圍巖占11%，Ⅴ級(jí)圍巖采用超前小導(dǎo)管支護(hù)［5］，人工與機(jī)械相配合開挖，Ⅳ級(jí)圍巖在整個(gè)工程量中占有較大比重，對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖爆破施工研究有較大意義。

炮眼直徑采用d＝42mm。

循環(huán)進(jìn)尺為2.5m，炮眼利用率0.9%。

炮眼數(shù)目的多少直接影響每一循環(huán)鑿巖工作量、爆破效果、循環(huán)進(jìn)尺、隧洞成型的好壞。巷道炮眼數(shù)目N，按下式計(jì)算：

炮眼數(shù)目與巖石的堅(jiān)固系數(shù)f有直接關(guān)系，巖石的堅(jiān)固系數(shù)f直接影響炮眼數(shù)量，及炸藥單耗，f系數(shù)越大炮眼布置越多，不同的f系數(shù)等級(jí)根據(jù)公式（1）計(jì)算，取f＝8試算。

（1）式中N為炮眼數(shù)目；f為巖石堅(jiān)固系數(shù)；S為開挖面積，82.88 m2。經(jīng)計(jì)算：N＝125個(gè)。

掏槽眼。掏槽眼的作用是將開挖面上適當(dāng)部位先掏出一個(gè)小型槽口，以形成新的臨空面，為后爆輔助炮增創(chuàng)更有利的臨空面，提高爆破效率。為保證掏槽眼能有效地將石渣拋出槽口，常將掏槽眼比設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺加深20cm（鉆孔誤差不大于3cm），并采用孔底反向連續(xù)裝藥，上臺(tái)階采用大直徑4個(gè)空孔直眼掏槽，下臺(tái)階不設(shè)掏槽眼。掏槽形式及裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掏槽及裝藥結(jié)構(gòu)

輔助眼。由于輔助眼的作用是為了進(jìn)一步擴(kuò)大槽口體積和爆破量，為周邊眼創(chuàng)造有利的爆破條件，所以輔助眼的布置應(yīng)由內(nèi)向外，逐層布置，逐層起爆，逐步接近開挖輪廓線。孔距取70～90cm（鉆孔誤差不大于5 cm），眼深2.5m，填塞長(zhǎng)度不少于最小抵抗線的80%。

周邊眼。周邊眼開孔在輪廓線內(nèi)5cm，外插角1°～2°，鉆孔誤差環(huán)向不大于5cm，徑向不大于3cm。周邊孔間距（E）是影響開挖輪廓面平整度的主要因素，一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式確定［7］。

（2）式中：d為炮孔直徑，d＝42mm。

本工程掘進(jìn)過程中，遇到的主要是Ⅳ級(jí)圍巖。對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖參照有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，取E為40～50cm。

最小抵抗線即光面層厚度，光面層厚度不僅影響周邊眼間裂紋的形成，而且還影響光面層的破碎和開挖后隧道圍巖的穩(wěn)定?？捎霉剑?）來計(jì)算。

（3）式中Q為光面炮眼的裝藥量；E為炮眼間距；L為炮眼深度；Cp為爆破系數(shù)，相當(dāng)于單位耗藥量，對(duì)于f＝4～10的巖層，Cp值變化范圍為0.2～0.5kg／m3。Ⅳ級(jí)圍巖最小抵抗線取50～70cm。

裝藥集中度q可用經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算：

式中：q為裝藥集中度，g／m；Rb為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。可得周邊眼裝藥集中度0.15～0.25kg／m。

底板眼的布置。底板眼的眼底也須落在設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)5cm，并與輔助眼、周邊眼的眼底落在同一垂直面上，而且采取較大的炸藥單耗，有利于克服上覆石碴的壓制并起到翻碴作用。底板眼眼間距取60cm，眼深2.5 m，填塞長(zhǎng)度不少于最小抵抗線的80%。

隧道開挖參數(shù)。隧道上下臺(tái)階炮眼布置如圖3所示。

圖3 隧道上下臺(tái)階炮眼布置圖

以下是正常隧道開挖參數(shù)，緊急停車帶隧道開挖斷面稍大（110m2），布孔時(shí)參照正常隧道開挖參數(shù)見表1、表2、表3。

表1 光面爆破參數(shù)

表2 上臺(tái)階開挖裝藥參數(shù)

表3 下臺(tái)階開挖裝藥參數(shù)

3.2 起爆網(wǎng)絡(luò)

為使巖石能夠充分的破碎并使由其產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)降到最低，網(wǎng)路采取微差爆破技術(shù)，采用1～19段的導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)連接。限制最大單段起爆藥量，以降低爆破震動(dòng)，減小沖擊波的影響。起爆網(wǎng)絡(luò)：采用簇并聯(lián)網(wǎng)路如圖4所示，每組雷管數(shù)量不超過15發(fā)。

4 爆破安全設(shè)計(jì)

4.1 爆破地震速度計(jì)算

（5）式中：K為相關(guān)系數(shù)，取170；Q為單段用藥量＝25.5kg；R為爆區(qū)最近保護(hù)物距離，取200 m；a為相關(guān)系數(shù)，取1.7。經(jīng)計(jì)算：V＝0.13cm／s，見表4。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

表4 爆區(qū)不同巖性的K、a值與巖性關(guān)系

經(jīng)計(jì)算得出的V＝0.13cm／s遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全振速范圍，按照此爆破設(shè)計(jì)施工是安全有效的。

4.2 爆破沖擊波

（6）式中RK為空氣沖擊波對(duì)掩體人員的最小允許距離m，RK＝73.6m，為確保安全，沖擊波安全距離設(shè)計(jì)不得少于100m。

4.3 爆破飛散物安全距離計(jì)算

爆破的飛石距離可按下式估算（參照露天爆破飛石估算）

式中：RFmax為飛石的飛散距離m；K為安全系數(shù)，取40；D為藥孔直徑cm。為確保安全，飛石安全距離設(shè)置為300m。

5 結(jié)語

通過對(duì)昌寧高速隧道光面爆破施工應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究，我們可以得到以下結(jié)論。使用臺(tái)階爆破的方法對(duì)大斷面的隧道掘進(jìn)施工是安全有效的施工方法；上臺(tái)階爆破是爆破設(shè)計(jì)施工的重點(diǎn)，Ⅳ級(jí)圍巖使用光面爆破的方法在施工過程中利用導(dǎo)爆管雷管的延期效果達(dá)到微差起爆的效果，可以減少炸藥爆炸對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞，大大加強(qiáng)了施工以及后期使用的安全性；光面爆破在應(yīng)力波和爆生氣體的作用下沿周邊眼產(chǎn)生貫穿裂縫，形成光滑表面。Ⅳ級(jí)圍巖半孔率保證在90%以上，炮孔利用率超過90%。爆破斷面一次成型，在合理的設(shè)計(jì)下減少了超欠挖現(xiàn)象的產(chǎn)生。加快了工程進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量，降低了施工成本；合理的設(shè)計(jì)以及較高的鉆眼質(zhì)量是保證光面爆破效果的關(guān)鍵因素，施工中應(yīng)加強(qiáng)管控，及時(shí)反饋信息，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工。

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