楔形掏槽爆破進(jìn)尺影響因素探究①

鄭 靜， 李啟月， 趙新浩， 張建秋， 邊志偉

（1.中交一公局第五工程有限公司，新疆 哈密839000； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

隧道爆破是在有限空間下進(jìn)行的，自由面僅有一個，因此隧道爆破需要掏槽以創(chuàng)造第二自由面和補(bǔ)償空間［1-2］。 常見的掏槽方式有直眼掏槽與斜眼掏槽。直眼掏槽較斜眼掏槽存在炮孔數(shù)目多、所需雷管段別多、炸藥單耗高、鉆孔難度大等系列問題［3-5］，在隧道爆破掘進(jìn)施工中，應(yīng)用不及斜眼掏槽廣泛，其中楔形掏槽應(yīng)用最為普遍［6］。 以往的工程實(shí)踐表明，隧道爆破進(jìn)尺大都在2.5 m 以下，其主要原因是：鉆孔使用的氣腿式鑿巖機(jī)，鉆孔速度隨鉆孔深度增大而降低，當(dāng)達(dá)到某一孔深后鉆孔速度會大幅度降低，因而鉆孔深度普遍在1.6～2.5 m［7］。 但是隨著隧道斷面加大以及機(jī)械化水平提高，鑿巖臺車在隧道爆破掘進(jìn)施工中的應(yīng)用愈加廣泛［8-11］，不同于氣腿式鑿巖機(jī)，鑿巖臺車的鉆孔速度受鉆孔深度的影響較小，可鉆孔深一般為5 m 左右，這為提高楔形掏槽爆破進(jìn)尺提供了可能性。 在機(jī)械化水平日益提高的今天，爆破進(jìn)尺越大，越有利于提高施工效率、降低經(jīng)濟(jì)成本。 因而，提高楔形掏槽隧道爆破進(jìn)尺具有極重要的現(xiàn)實(shí)意義。 但在實(shí)際施工過程中，往往難以取得理想的爆破進(jìn)尺。 基于此，本文以東天山隧道工程為背景，對影響楔形掏槽爆破進(jìn)尺的因素進(jìn)行分析，并針對性地提出增加爆破進(jìn)尺的技術(shù)措施，研究結(jié)果對類似工程有指導(dǎo)借鑒意義。

1 楔形掏槽爆破進(jìn)尺影響因素分析

在裝藥結(jié)構(gòu)合理、起爆順序合理、炸藥性能與圍巖力學(xué)特性相匹配的前提下，將影響楔形掏槽循環(huán)進(jìn)尺的因素歸為兩類，一是掏槽角度，二是輔助掏槽孔底部抵抗線。 輔助掏槽孔是指在掏槽區(qū)兩側(cè)與掌子面夾角小于90°的炮孔。 炮孔分區(qū)如圖1 所示。

圖1 炮孔分區(qū)圖

1.1 掏槽角度對楔形掏槽爆破進(jìn)尺的影響

掏槽角度是指主要掏槽區(qū)主要掏槽孔與掌子面的夾角，該角度對循環(huán)進(jìn)尺的影響主要體現(xiàn)在如下兩個方面：一是掏槽角度決定了掏槽深度，角度越大，深度越深，而掏槽深度直接決定了爆破進(jìn)尺的極限值，如果掏槽部分的巖石沒有崩落下來，輔助掏槽區(qū)及其他區(qū)域的巖石便沒有了被崩落的可能性；二是掏槽角度決定了掏槽效果，良好的掏槽效果應(yīng)保證掏槽孔底部裂隙貫通，破碎巖石被有效拋擲，同時實(shí)際掏槽深度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)深度的90%以上。 為了達(dá)到該效果，兩排掏槽孔孔底夾角需達(dá)到60°以上［12］，亦即掏槽角度應(yīng)小于等于60°。 工程實(shí)踐中，掏槽角度受斷面寬度和鑿巖臺車推進(jìn)梁長度的影響。

1.1.1 斷面寬度對掏槽角度的影響

斷面寬度直接決定了掏槽角度。 若斷面寬度較小，則掏槽孔無法滿足角度要求，其拋擲效果一般，這也是小斷面隧道、巷道多采用直眼掏槽的主要原因。若斷面過大，雖能夠滿足角度要求，亦可取得良好的掏槽效果，但掏槽深度較小，同時后續(xù)起爆孔的底部抵抗線過大，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)爆破深度，這也是為什么大斷面、超大斷面隧道全斷面一次爆破采用楔形掏槽進(jìn)尺低的主要原因。

斷面寬度對掏槽孔角度的影響如圖2 所示。 從中可以看出：在相對兩排掏槽孔孔口距相同、孔底距相同的情況下，斷面越大，掏槽孔角度越小，掏槽深度越淺；斷面越小，掏槽孔角度越大，掏槽深度越深。 但是其相對兩排掏槽孔夾角越小，其最終崩落的掏槽深度可能是最小的。 圖中α1、α2、α3為掏槽孔與掌子面的最小夾角。

圖2 隧道斷面寬度對掏槽孔角度的影響

1.1.2 鑿巖臺車推進(jìn)梁長度對掏槽角度的影響

不管是氣腿式鑿巖機(jī)還是鑿巖臺車，在空間受限的隧道內(nèi)鉆鑿炮孔，往往鉆不了機(jī)械本身可以鉆鑿的設(shè)計(jì)角度，因?yàn)闅馔仁借弾r機(jī)的釬桿長度、鑿巖臺車的推進(jìn)梁長度均會影響鉆孔角度。 但對于氣腿式鑿巖機(jī)而言，其影響較小，甚至可以忽略不計(jì)，究其原因：氣腿式鑿巖機(jī)在鉆鑿炮孔時可以通過不斷地更換不同長度的釬桿來滿足鉆孔角度要求。 但鑿巖臺車的推進(jìn)梁長度較長，一般可達(dá)7 m，而且長度不可調(diào)，因此，一旦開眼位置和斷面寬度確定，則鉆孔角度也被確定了。 圖3為鑿巖臺車推進(jìn)梁對鉆孔角度的影響，其中α為鑿巖臺車所能鉆鑿炮孔的最小角度，可用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖3 鑿巖臺車推進(jìn)梁對掏槽孔角度的影響

式中B1＝min｛B11，B12，…，B1n｝，為掏槽孔開眼位置至初支輪廓線水平距離的最短距離，B1n為不同掏槽孔開眼位置至初支輪廓線的水平距離；L1為鑿巖臺車推進(jìn)梁長度。 同時α要滿足：一級掏槽α≤60°，二級掏槽α＝65°～70°。

結(jié)合以上對影響掏槽角度的因素分析，可以推導(dǎo)出楔形掏槽爆破進(jìn)尺的極限值為：

同時必須滿足：

式中l(wèi)為設(shè)計(jì)爆破進(jìn)尺；B2為相對兩排掏槽孔孔口距，由施工條件決定；B3為相對兩排掏槽孔孔底距，取值0.2～0.4 m；α為掏槽孔與掌子面夾角，可用式（1）進(jìn)行計(jì)算；η為炮孔利用率，η≥90%；L為掏槽孔孔長；L′為鉆桿可鉆孔深。 考慮到掏槽孔一般是炮孔中最深的炮孔，因此在計(jì)算極限掏槽深度時，可取孔深為鉆機(jī)最大鉆孔深度，則式（2）～（3）可簡化為：

圖4 為掏槽孔俯視圖，其中l(wèi)′為掏槽孔孔深。

圖4 掏槽孔俯視圖

1.2 輔助掏槽孔底部抵抗線對爆破進(jìn)尺的影響

施工中，作業(yè)人員往往只意識到掏槽對于爆破進(jìn)尺的重要性，而忽略了輔助掏槽孔的影響，實(shí)際上輔助掏槽孔對進(jìn)尺的影響亦不容小覷，甚至在某些條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懕七M(jìn)尺的主控因素。 具體影響為：若實(shí)際抵抗線大于可爆破抵抗線，則巖石無法按預(yù)計(jì)部位崩落，造成循環(huán)進(jìn)尺低下。 由于輔助掏槽孔與掌子面有一定夾角，炮孔底部抵抗線是最大的，因此該影響主要體現(xiàn)在底部抵抗線上，輔助掏槽底部抵抗線對爆破進(jìn)尺的影響受兩個因素制約：

1） 底部抵抗線設(shè)計(jì)值大小。 如果底部抵抗線設(shè)計(jì)值W1過大，則炮孔底部夾制作用大，炮孔將不能按照預(yù)計(jì)位置爆落下來，只會從實(shí)際可爆破抵抗線W2爆落下來，由此造就爆破進(jìn)尺“前移”（如圖5 所示）。此種情況為爆破進(jìn)尺小于掏槽爆破深度，亦即后續(xù)崩落孔的利用率不高。

圖5 底部抵抗線對爆破進(jìn)尺的影響

表1 不同炮孔長度下偏斜角度對擴(kuò)大底部抵抗線的影響

圖6 孔偏引起的底部抵抗線增大對爆破進(jìn)尺的影響

2） 孔偏。 鉆孔偏斜會導(dǎo)致炮孔底部的抵抗線發(fā)生變化，如表1 所示，當(dāng)偏斜角度相同時，炮孔長度越長，孔偏引起的抵抗線增大值越大。 當(dāng)炮孔長度相同時，偏斜角度越大，孔偏引起的抵抗線增大值越大。 當(dāng)實(shí)際抵抗線大于炸藥可崩落抵抗線時，該處巖石不會被有效崩落、拋擲，只會將處在可崩落抵抗線范圍內(nèi)的巖石崩落、拋擲，最終影響爆破進(jìn)尺，其影響如圖6 所示。 表1 中給出的數(shù)據(jù)僅考慮了炮孔“外偏”一種情況，實(shí)際鉆孔時會有“內(nèi)偏”現(xiàn)象，這對于減小炮孔底部抵抗線會有益處。在此需指明：在炮孔排數(shù)不增加的情況下，前排炮孔角度偏小，必然造成后續(xù)炮孔角度相對偏大，仍然會造成底部抵抗線增大。

2 增大爆破進(jìn)尺技術(shù)措施

通過以上分析可知，影響爆破進(jìn)尺的因素主要包括兩個方面：掏槽角度與輔助掏槽孔底部抵抗線。 一般情況下，掏槽角度是影響爆破進(jìn)尺的主要因素，決定了爆破進(jìn)尺的極限值。 但輔助掏槽孔底部抵抗線大小可以在某些條件下轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懷h(huán)進(jìn)尺的主控因素，具體表現(xiàn)為掏槽區(qū)域爆破深度足夠，但后續(xù)炮孔崩落深度比掏槽深度小。 因此為了得到理想的爆破進(jìn)尺、提高炮孔利用率，可從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 優(yōu)化掏槽參數(shù)

一般而言，一級掏槽適用于3.0 m 以下的爆破進(jìn)尺，二級掏槽適用于4.0 m 以下的爆破進(jìn)尺，在此基礎(chǔ)上增加掏槽級數(shù)，比如選用二級掏槽、三級掏槽，不僅可使掏槽效果得到保障，更可增加掏槽孔與掌子面的角度，進(jìn)而增加輔助掏槽孔與掌子面的角度，減少其底部抵抗線。 同時根據(jù)圍巖、設(shè)備確定合理的掏槽眼個數(shù)，對于圓形隧道開挖斷面尤為重要。 從圖3 可知，距地平不同高度的斷面寬度是不同的，斷面寬度過窄，不利于鉆鑿合適的掏槽角度。

2.2 減小輔助掏槽孔底部抵抗線

輔助掏槽孔在某些條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹萍s循環(huán)進(jìn)尺的主控因素，出現(xiàn)崩落孔的爆破深度小于掏槽孔爆破深度的現(xiàn)象。 因此，減小輔助掏槽孔底部抵抗線是極其有必要的，而減小輔助掏槽孔底部抵抗線最佳途徑便是增加輔助掏槽孔排數(shù)。 當(dāng)然，增加了輔助掏槽孔排數(shù)，亦需要增加雷管段別數(shù)。

2.3 選擇合理的起爆順序

因起爆順序不合理而造成循環(huán)進(jìn)尺低的事例屢見不鮮，究其原因：起爆順序不合理會造成局部炮孔抵抗線發(fā)生變化，進(jìn)而影響后起爆炮孔，形成連鎖反應(yīng)，最終影響爆破進(jìn)尺。 合理的起爆順序應(yīng)保證后起爆炮孔充分利用先起爆炮孔創(chuàng)造的自由面。

2.4 提高鉆孔質(zhì)量

如表1 所示，不管是輔助掏槽孔還是主要掏槽孔，孔偏對循環(huán)進(jìn)尺的影響都是巨大的。 控制鉆眼偏差、提高鉆孔質(zhì)量、減少開眼偏差與鉆孔偏差，對提高循環(huán)進(jìn)尺十分有意義。

3 工程實(shí)例

東天山隧道是新疆維吾爾自治區(qū)G575（一級公路）線巴里坤至哈密公路建設(shè)項(xiàng)目的控制工程，隧道總長度11 870 m，為特長隧道。 隧道開挖部分為受力較好的單心圓，開挖跨度12.5 m，開挖高度8.75 m，斷面積91.7 m2；隧道施工采用鉆爆法，總體上采用全斷面一次爆破的技術(shù)方案，局部地段采用臺階法施工。鉆孔采用阿特拉斯·科普柯新型BoomerXL3D 三臂鑿巖臺車，具體參數(shù)見表2。 采用2＃巖石乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，藥卷長度300 mm，質(zhì)量300 g。 裝藥在自主研制的鑿巖臺架上進(jìn)行。

表2 BoomerXL3D 三臂鑿巖臺車參數(shù)

采用二級掏槽，取二級掏槽孔孔底距0.4 m，相對兩排掏槽孔孔口距依據(jù)斷面寬度以及鑿巖臺車推進(jìn)梁長度確定為5.0 m，二級掏槽孔開眼位置至初支輪廓線最短距離為3.2 m，應(yīng)用式（1）計(jì)算得二級掏槽角度63°，應(yīng)用式（2）計(jì)算得掏槽孔孔深為4.5 m，設(shè)計(jì)爆破進(jìn)尺l＝4.05 m，應(yīng)用式（3）進(jìn)行驗(yàn)算，得孔長5.0 m，滿足要求。

圖7（a）為預(yù)留光爆層全斷面一次開挖炮孔布置圖，自掏槽至周邊共9 排炮眼。 工程實(shí)踐結(jié)果表明：掏槽部位爆破進(jìn)尺達(dá)到了4.0 m，爆破進(jìn)尺僅為3.668 m，呈現(xiàn)出倒三角的情形，即：掏槽深度足夠（達(dá)到4 m），后續(xù)炮孔爆破存留根坎，其爆破痕跡線如圖中虛線所示。 如果對炮孔布置稍作改變，由9 排炮孔變成8 排炮孔，掏槽孔、周邊孔布置不作變化，僅改變輔助掏槽孔，其炮孔布置如圖7（b）所示，則爆破進(jìn)尺由3.668 m下降到3.34 m，其爆破痕跡線如圖中虛線所示。 對比圖7（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用9 排炮孔，則炮孔底部抵抗線大都能夠控制在0.75 ～0.80 m 之間，而應(yīng)用8 排炮孔，則炮孔底部抵抗線大都在0.8 ～1.0 m 之間，因此，影響東天山隧道爆破進(jìn)尺的控制因素不是掏槽，而是輔助掏槽孔，其底部抵抗線越大，爆破進(jìn)尺越小。

4 結(jié) 論

1） 分析了掏槽角度、輔助掏槽孔底部抵抗線對楔形掏槽爆破進(jìn)尺的影響，分析表明：掏槽角度是影響爆破進(jìn)尺的最主要因素因素，該角度既決定了掏槽深度，又決定了拋擲效果。 考慮到隧道斷面寬度、掏槽孔孔口距、鑿巖臺車推進(jìn)梁長度、最大鉆孔深度以及掏槽角度，給出了掏槽極限深度的計(jì)算公式；輔助掏槽底部抵抗線受設(shè)計(jì)值大小以及孔偏制約，其影響主要體現(xiàn)在炮眼底部抵抗線越大越不利于爆破進(jìn)尺的提高，在某些情況下，底部抵抗線可能轉(zhuǎn)變成影響隧道爆破進(jìn)尺的主控因素。

2） 提高爆破進(jìn)尺的技術(shù)措施有：優(yōu)化掏槽參數(shù)、減小輔助掏槽孔底部抵抗線、選擇合理的起爆順序和提高鉆孔質(zhì)量。

3） 東天山隧道工程應(yīng)用結(jié)果表明：掏槽深度達(dá)4.0 m，實(shí)際循環(huán)進(jìn)尺僅為3.334～3.668 m，爆破痕跡線呈中間深兩邊淺的倒三角形狀，該結(jié)果表明東天山隧道實(shí)際循環(huán)進(jìn)尺仍有0.332～0.660 m 的進(jìn)步空間。 該實(shí)例表明文中對影響楔形掏槽爆破進(jìn)尺的因素分析是正確的，驗(yàn)證了所提出的極限掏槽深度計(jì)算公式的合理性，同時表明輔助掏槽孔底部抵抗線是影響東天山隧道爆破進(jìn)尺的主控因素。

圖7 輔助掏槽孔底部抵抗線對爆破進(jìn)尺的影響