基于軟弱圍巖條件下的地鐵隧道爆破施工技術(shù)

于 濤 姜世斌 趙國良 張文明 楊海超

(1.青島第一市政工程有限公司，山東 青島 266000； 2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引言

在地鐵隧道的施工建設(shè)中，爆破施工是一個極其重要的環(huán)節(jié)。尤其是在穿越軟弱圍巖地帶的施工過程中，如何避免超欠挖的問題便成了難點。因此，對爆破參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整與控制，不僅可以降低出現(xiàn)超欠挖的可能性，也可以避免施工過程中出現(xiàn)坍塌等問題。

對隧道軟弱圍巖超欠挖控制技術(shù)的研究，王志賀[1]結(jié)合喬家坪隧道的施工案例，認(rèn)為采用三臺階法、三臺階七步流水法可以有效的避免超挖的問題，并提出隧道進(jìn)洞前做好陷穴及沖溝處理和準(zhǔn)確測放隧道開挖輪廓線等解決方案；劉洋[2]基于羊子嶺隧道的施工案例，提出圍巖地質(zhì)條件和鉆孔精度是產(chǎn)生超欠挖的原因，并從開挖方式、鋼筋綁扎、鋼筋焊接三個方面提出了應(yīng)對措施。目前關(guān)于如何在具體的爆破設(shè)計中控制隧道軟弱圍巖超欠挖的研究不多。

本文根據(jù)實際工程地質(zhì)情況，提出了一套完善的爆破設(shè)計方案。并通過實驗證實了此方案可在軟弱圍巖條件下的隧道施工建設(shè)中可行的實施。

1 工程概況

青島地鐵8號線工程觀濤站—科技館站區(qū)間線路出觀濤站，經(jīng)觀濤社區(qū)，下穿耕海路，經(jīng)溝角社區(qū)西北側(cè)向東敷設(shè)，后至岙東南路，沿岙東南路南行至科技館站。

區(qū)間位于耕海路北側(cè)20 m處，道路南側(cè)有自來水、熱力和燃?xì)夤芫€，豎井兼做聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)間隧道共有四個掌子面，分別是：右線小里程，圍巖等級為Ⅵ級；左線小里程，圍巖等級為Ⅳ級；右線大里程，圍巖等級為Ⅳ級；左線大里程，圍巖等級為Ⅳ級。

2 地質(zhì)影響

該區(qū)間下伏基巖為燕山晚期粗粒花崗巖(γ53)，白堊系萊陽群山寺組(KIl)、青山群石前莊組等相關(guān)的巖層。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘探資料研究發(fā)現(xiàn)，此斷裂北段和中段大部分被第四系所掩蓋，對應(yīng)的走向為北東40°～55°，北西方向的傾角區(qū)間為70°～88°，斷層寬度大約為3 m。此斷裂伴隨線路，存在小幅度的交叉，相應(yīng)的影響很明顯。

地鐵工程明顯受到以上該斷裂的影響，主要表現(xiàn)為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖的硬度存在明顯變化，同時在其中糜棱巖構(gòu)造巖發(fā)育區(qū)域，可發(fā)現(xiàn)很明顯巖體破碎現(xiàn)象，巖塊的結(jié)合力不強，洞身穿越此段過程中可能產(chǎn)生涌水、掉塊相關(guān)問題。

根據(jù)地質(zhì)條件和施工條件，觀濤站—科技館站礦山法施工段區(qū)間隧道采用臺階法施工。爆破施工過程中應(yīng)該適當(dāng)?shù)目刂蒲b藥量和進(jìn)尺，及時做好臨時支護(hù)，同時加強監(jiān)測。觀濤區(qū)間隧道爆破施工時存在以下難點：

1)區(qū)間隧道多次穿越圍巖破碎地帶，圍巖破碎帶隧道支護(hù)困難，處理不當(dāng)會導(dǎo)致塌方等事故。

2)區(qū)間隧道側(cè)居民社區(qū)，邊線距離社區(qū)最小凈距為20 m，爆破施工時應(yīng)該嚴(yán)格控制爆破振動，根據(jù)施工要求爆破振動控制在1.0 cm/s以內(nèi)。

3 隧道爆破施工技術(shù)

按照施工設(shè)計，區(qū)間隧道有SⅤ2-B，SⅣ2，SⅢ2-A，SⅢ2-B，SⅢ2五種斷面，以SⅢ2斷面方案為例。

在夏季爆破參數(shù)確定時綜合應(yīng)用了理論分析，工程類比與試爆相關(guān)方法，在確保爆破振動速度控制基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)奶嵘_挖成型質(zhì)量和速度。

1)炸藥單耗的選取。

根據(jù)圍巖狀況以及類似工程經(jīng)驗，確定出其SⅢ2斷面上臺階和下臺階的炸藥單耗為1.3 kg/m3，0.5 kg/m3。

2)炮眼深度與循環(huán)進(jìn)尺。

根據(jù)圍巖等級相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)置上臺階循環(huán)進(jìn)尺取0.75 m，炮眼深度區(qū)間為0.85 m～1.3 m。掏槽炮眼的長度設(shè)置為1.3 m，輔助眼和周邊炮眼深度都設(shè)置為0.85 m，外插角3°～5°；下臺階循環(huán)進(jìn)尺綜合分析設(shè)置為1.5 m，輔助眼和對應(yīng)周邊眼深度都設(shè)置為1.6 m。

3)炮眼直徑。

本設(shè)計選擇的風(fēng)動鑿巖機型號為YT-28，設(shè)置的炮眼直徑d=42 mm。

4)炮眼布置。

a.掏槽眼。

本設(shè)計采用斜眼掏槽形式，如圖1所示。

b.周邊眼。

周邊眼在布置過程中選擇沿隧道開挖輪廓線布置模式，具體炮孔間距根據(jù)經(jīng)驗公式和工程類比確定。周邊眼間距E與光爆層厚度W相關(guān)性主要是基于密集系數(shù)K進(jìn)行描述，存在關(guān)系式，K=E/W。實踐表明，K=0.8左右較為適宜。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于本設(shè)計，取周邊眼間距E=500 mm,W=600 mm,K=0.83。

c.輔助眼。

輔助眼的間距a、排距b應(yīng)該高于前者的最小抵抗線W，這兩個參數(shù)取值主要是基于炮眼的單孔裝藥量進(jìn)行分析而確定出，本設(shè)計取a=500 mm～600 mm,b=600 mm～700 mm。

掌子面炮眼布置如圖2所示，斷面爆破參數(shù)見表1。

表1 區(qū)間斷面SⅢ2爆破參數(shù)

5)單孔裝藥量。

a.掏槽眼。

此參數(shù)取值時應(yīng)滿足的要求為，爆破振速滿足要求基礎(chǔ)上應(yīng)達(dá)到爆破效果。在設(shè)計過程中根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗類比，且考慮到爆破振動情況進(jìn)行綜合分析，而設(shè)置掏槽眼單孔裝藥量0.9 kg。

b.周邊眼。

周邊眼的裝藥量在設(shè)計過程中應(yīng)該分析炮眼間距、裝藥集中度相關(guān)的參數(shù)而得到，在設(shè)計時根據(jù)經(jīng)驗且綜合分析開挖圍巖情況而確定出其單孔裝藥量為0.2 kg。

c.輔助眼。

其裝藥量的主要影響因素為圍炸藥單耗、炮眼長度和圍巖的硬度以及間距等，在分析時主要是基于如下表達(dá)式確定出其單孔裝藥量。

q=τ·γ·L

(1)

其中，q為輔助眼的單孔裝藥量，kg；τ為裝藥系數(shù)。主要和圍巖的硬度存在相關(guān)性；γ為單位長度的藥卷的炸藥質(zhì)量。可根據(jù)設(shè)計資料而確定出；L為炮眼長度，m。在長度為0.85 m條件下，計算得q=0.35×1×0.85=0.297 kg，取q=0.3 kg。

根據(jù)爆破設(shè)計炮孔數(shù)量，具體裝藥情況如下：

上臺階：

12個掏槽眼單孔裝藥0.9 kg；58個輔助眼的為0.3 kg；26個周邊眼的為0.2 kg。根據(jù)如下的表達(dá)式代入?yún)?shù)而得到其中每循環(huán)進(jìn)尺總裝藥量：

Q=12×0.9+58×0.3+26×0.2=25.1 kg。

炸藥單耗q單耗=Q/V=1.34 kg/m3，其中，V=24.8 m3。

下臺階：

47個輔助眼和20個周邊眼的單孔裝藥都為0.3 kg。每循環(huán)進(jìn)尺的總裝藥量為：

Q=47×0.3+20×0.3=20.1 kg。

炸藥單耗q單耗=Q/V=0.54 kg/m3，其中,V=24.4 m3。

4 爆破效果對比、分析

整體爆破效果良好，爆破振速控制較好。爆渣整體塊度均勻,掌子面輪廓較完整,未出現(xiàn)明顯的鋸齒形輪廓，基本不存在超欠挖。爆破前網(wǎng)路連接如圖3所示，爆破后效果如圖4所示。

5 結(jié)語

對于巖石硬度不大相對破碎的區(qū)間隧道爆破施工，隧道輪廓控制難度較大。為達(dá)到輪廓完整性的效果，降低超欠挖，打眼施工中要嚴(yán)格控制周邊眼的間距及單孔裝藥量。本次試驗裝藥連線總計用時約1 h，爆破后隧道輪廓線完整，未出現(xiàn)鋸齒形超挖，未出現(xiàn)補炮等問題。本次試驗同樣得到了業(yè)內(nèi)同行的認(rèn)可，但是炸藥單耗可進(jìn)一步優(yōu)化。通過多循環(huán)試驗，認(rèn)為本設(shè)計方法可在施工隊鉆孔及裝藥水平較高，同級別圍巖地質(zhì)下推廣。