特長(zhǎng)隧道炮孔快速精準(zhǔn)定位施工技術(shù)

陳 小 銳， 尹 成 福， 段 建 軍

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

隧道爆破施工過程中，對(duì)于掌子面炮孔定位的傳統(tǒng)方式是采取全站儀放樣幾個(gè)關(guān)鍵的周邊眼孔位，由現(xiàn)場(chǎng)鉆工和炮工按照自己以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行掏槽孔、崩落孔、周邊孔的布置，因布孔的隨意性而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)爆破后洞渣粒徑大小離散、難以直接進(jìn)行二次利用、周邊孔布孔間距和位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致爆破出現(xiàn)明顯的超欠挖等缺陷。因此，爆破孔布置的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到開挖質(zhì)量的好壞，需按論證后的爆破設(shè)計(jì)要求進(jìn)行炮孔布置。為解決掌子面炮孔布孔準(zhǔn)確性差、效率低的難題，筆者結(jié)合工程實(shí)例，介紹了所研制的一種“隧道掌子面炮孔快速精準(zhǔn)定位裝置”，該裝置利用紅外投影原理，將不同圍巖類別的炮孔參數(shù)圖投影至待開挖掌子面，確保了每個(gè)爆破孔均在合理的位置，現(xiàn)場(chǎng)工人只需采用紅油漆對(duì)投影至掌子面的炮孔進(jìn)行復(fù)點(diǎn)標(biāo)注即能滿足后續(xù)鉆工進(jìn)行炮孔的孔位確定，極大地提高了放樣布孔的效率，同時(shí)亦減少了爆破造成的超欠挖并解決了爆破粒徑問題。

重慶江習(xí)高速公路四面山特長(zhǎng)隧道為雙向四車道，全長(zhǎng)4 880 m。隧道穿越地層為砂巖、泥巖互層，圍巖巖性差，主要為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅴ級(jí)占比為43%，Ⅳ級(jí)占比為57%[1]。中國(guó)水電五局承建了重慶江習(xí)高速公路四面山特長(zhǎng)隧道工程的施工任務(wù)。為了確保隧道爆破施工的質(zhì)量和進(jìn)度，減少隧道超欠挖的產(chǎn)生，項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)施工難點(diǎn)，研究出了隧道掌子面炮孔快速精準(zhǔn)定位施工技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)不但解決了四面山特長(zhǎng)隧道掌子面炮孔布孔差異性大的問題，提高了布孔精度，同時(shí)也縮短了整體炮孔布孔放點(diǎn)的時(shí)間，保證了施工質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本。

2 隧道掌子面炮孔快速精準(zhǔn)定位技術(shù)

2.1 原 理

隧道施工過程中，通過隧道內(nèi)現(xiàn)有的導(dǎo)向點(diǎn)確定爆破定位裝置的位置(距掌子面距離20 m)、基面高程及隧道中心線位置；通過已知的基面高程位置調(diào)整定位裝置的支架高度；通過定位裝置的下部紅外垂線儀器確定儀器的精確位置，然后通過觀測(cè)圓形氣泡和條形氣泡調(diào)動(dòng)調(diào)平螺栓進(jìn)行粗調(diào)平和精調(diào)平以達(dá)到投影高度和方向的精確，根據(jù)不同的圍巖類別選擇不同的爆破圖幻燈片使用該儀器強(qiáng)紅光將其投影光斑至掌子面，達(dá)到炮孔定位的目的及效果[2]。通過采用該掌子面爆破孔位投影定位裝置，能夠快速地將既定方案中的爆破圖投影至掌子面，同時(shí)根據(jù)不同圍巖選用不同的爆破圖進(jìn)行投影，極大地提高了爆破參數(shù)的合理性和方案的指導(dǎo)性，同時(shí)亦節(jié)約了爆破孔位放點(diǎn)的時(shí)間，提高了功效。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)強(qiáng)紅外光投影爆破圖幻燈片光斑至掌子面，達(dá)到了快速定位炮孔位置的目的；

(2)利用隧道內(nèi)的測(cè)量導(dǎo)線進(jìn)行投影儀器位置及高度的調(diào)整，達(dá)到了精準(zhǔn)定位的目的；

(3)針對(duì)不同圍巖采用不同的爆破圖幻燈片，其爆破參數(shù)針對(duì)性強(qiáng)，與爆破方案設(shè)計(jì)結(jié)合緊密，更換爆破圖速度快，不影響施工功效[3]。

(4)該項(xiàng)技術(shù)施工工藝易于掌握，安全風(fēng)險(xiǎn)低，施工效率高，成本低，使用范圍廣，效果良好，適用于地下工程中隧道(洞)掌子面炮孔快速定位施工。

2.3 炮孔定位裝置的研制

隧道掌子面炮孔投影快速定位技術(shù)工序步驟較為簡(jiǎn)單，即在距掌子面20 m的位置架設(shè)鉆孔投影裝置。利用全站儀及隧道內(nèi)的基點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)，測(cè)得儀器架設(shè)點(diǎn)位置的地面高程，根據(jù)地面高程調(diào)整支架投影儀器的高度，使儀器的投影高度處于掌子面的預(yù)定圓心位置，根據(jù)不同圍巖設(shè)置不同的爆破參數(shù)幻燈底片，快速投影儀器將爆破參數(shù)圖通過光斑投影至掌子面，達(dá)到快速精準(zhǔn)定點(diǎn)炮孔孔位的效果。

該隧道掌子面炮孔快速精準(zhǔn)定位裝置的構(gòu)造(圖1)：(1)防塵蓋；(2)投影鏡頭;(3)爆破圖幻燈片插入卡槽;(4)條形水平氣泡(參考調(diào)平)；(5)投影燈源(紅強(qiáng)光燈泡)；(6)電池；(7)紅外線垂線定位器；(8)儀器與支架座固定槽；(9)支架調(diào)平座；(10)調(diào)平圓氣泡(參考調(diào)平)；(11)調(diào)平螺栓；(12)可伸縮支立架[4]。

圖1 一種快速定位隧道掌子面炮孔位置的裝置圖

實(shí)用新型裝置具有的優(yōu)點(diǎn)：(1)采用該投影裝置，可以在極短的時(shí)間內(nèi)將隧道掌子面的炮孔位置精準(zhǔn)定位，節(jié)約了施工時(shí)間，提高了效率，同時(shí)也更加精準(zhǔn)的定位炮孔位置；(2)根據(jù)隧道內(nèi)不同的圍巖，極快地切換不同的爆破圖幻燈片，使不同圍巖的爆破參數(shù)及孔位直接通過更換幻燈片即可直接投影定孔(圖2)。(3)該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操性強(qiáng)、提高功效、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)(圖3)[5]。

2.4 工序與步驟

2.4.1 掌子面平整度處理

由于掌子面的不平整對(duì)所投影的炮孔位置具有一定的影響，通過計(jì)算，掌子面的整體平整度超欠挖在30.3 cm時(shí)(計(jì)算：掌子面超挖尺寸=邊墻允許超挖/tanθ=20/tan32=30.3(m))能確保炮孔投影的準(zhǔn)確度，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致超規(guī)范的超欠挖。因此，在進(jìn)行炮孔投影前，需采用挖機(jī)對(duì)掌子面進(jìn)行找平處理，以確保掌子面的平整度在允許的范圍內(nèi)；若超出允許平整度范圍，則需對(duì)掌子面再次進(jìn)行修平處理。

圖2 快速定位投影爆破底片圖

圖3 隧道內(nèi)炮孔快速投影定位應(yīng)用圖

2.4.2 炮孔投影儀位置的定點(diǎn)

選擇距離掌子面20 m的位置作為炮孔投影儀的定點(diǎn)位置且每次進(jìn)行炮孔投影定位時(shí)均嚴(yán)格按定長(zhǎng)距離(20 m)進(jìn)行站位定點(diǎn)，同時(shí)，采用全站儀配合測(cè)定投影儀站點(diǎn)位置的底部高程，進(jìn)而推算并調(diào)整投影儀的高度。

2.4.3 炮孔投影儀的架設(shè)及調(diào)平

炮孔投影儀定點(diǎn)安裝后，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)平處理。調(diào)平分為初調(diào)平和精調(diào)平。初調(diào)平是由人工支撐三角架，通過視力初步整平支架平臺(tái)，然后將投影設(shè)備通過螺栓固定在三角支撐平臺(tái)支架上；精調(diào)平則是通過調(diào)節(jié)儀器支座下部的調(diào)平螺栓(三顆)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中，參考支架平臺(tái)上的圓形氣泡和條形氣泡并確保氣泡均居中，即達(dá)到精調(diào)平的效果。

2.4.4 爆破參數(shù)幻燈底片的選擇

不同的圍巖需采用不同的爆破參數(shù)。因此，項(xiàng)目部技術(shù)人員根據(jù)不同的圍巖制作了多種爆破參數(shù)投影底片，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況確定并選擇相應(yīng)的爆破投影底片，以達(dá)到更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工的效果。

2.4.5 爆破圖光斑投影至掌子面定位炮孔

定點(diǎn)、調(diào)平、底片安裝等作業(yè)完成后，即可按相應(yīng)的程序進(jìn)行爆破炮孔投影作業(yè)，通過光電作用將相應(yīng)的炮孔參數(shù)通過紅外射線投影至掌子面位置。

2.4.6 對(duì)掌子面炮孔實(shí)施紅油漆復(fù)打點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員采用撐桿油漆刷將紅油漆按投影的炮孔位置進(jìn)行掌子面打點(diǎn)，避免鉆爆臺(tái)車在掌子面作業(yè)時(shí)遮住炮孔投影光線而導(dǎo)致無法投影炮孔。

2.4.7 按定位炮孔施鉆開孔并爆破

炮孔定位后，推進(jìn)鉆爆臺(tái)車，鉆工按照相應(yīng)的炮孔位置進(jìn)行掌子面爆破鉆孔作業(yè)并按相關(guān)參數(shù)進(jìn)行炮孔裝填藥后引爆。

2.4.8 開挖輪廊線超欠挖效果檢查

爆破后，質(zhì)檢人員及測(cè)量人員對(duì)掌子面爆破開挖超欠挖情況進(jìn)行檢查，以便更好地調(diào)整爆破參數(shù)。

3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)選擇距掌子面8～25 m范圍作為炮孔投影儀設(shè)置的落腳點(diǎn)進(jìn)行炮孔投影布孔，選擇段落的圍巖均為Ⅳ級(jí)圍巖且圍巖較為完整，每處掌子面定長(zhǎng)距離測(cè)3個(gè)循環(huán)并計(jì)算其平均值作為試驗(yàn)依據(jù)(表1)。

現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)距離掌子面的長(zhǎng)度、邊頂拱平均超欠挖、施工影響、最優(yōu)距離選擇等參數(shù)進(jìn)行了收集和分析，具體情況如下：(1)儀器距掌子面8～10 m時(shí)，布孔投影儀無法覆蓋掌子面；(2)儀器距離掌子面11～19 m時(shí)，布孔投影儀能夠覆蓋掌子面且掌子面最大超挖30 cm，最小超挖7 cm。在此投影距離內(nèi)，距離越近超欠挖越嚴(yán)重，即：距離為11 m時(shí)，超挖最大；(3)儀器距掌子面20～25 m時(shí)，布孔投影儀能夠覆蓋掌子面，且掌子面最大超挖為18 cm，最小超挖為5 cm，在此投影距離內(nèi)，距離越遠(yuǎn)超欠挖越嚴(yán)重，即距離為25 m時(shí)，超挖最大；距離20 m時(shí)，超挖最小，為5 cm。

在隧道施工過程中，通過隧道內(nèi)現(xiàn)有導(dǎo)向點(diǎn)確定爆破定位裝置的位置時(shí)，炮孔紅光投影設(shè)備距掌子面的距離為20 m時(shí)為最佳位置，平均超挖僅5 cm，超欠挖控制效果最好。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的18種不同距離投影布孔并比較了投影結(jié)果后得知：傳統(tǒng)布孔時(shí)間為15 min；而采用紅外投影法進(jìn)行布孔僅需不到5 min，布孔效率提高2倍。

表1 炮孔投影偏差分析表

4 結(jié) 語

通過已知的基面高程位置調(diào)整定位裝置的支架高度，并通過定位裝置的下部紅外垂線儀器確定儀器的精確位置，通過觀測(cè)圓形氣泡和條形氣泡，調(diào)動(dòng)調(diào)平螺栓進(jìn)行粗調(diào)平和精調(diào)平以達(dá)到投影高度和方向的精確，然后根據(jù)不同的圍巖類別選擇不同的爆破圖幻燈片，通過該儀器的強(qiáng)紅光投影光斑至掌子面達(dá)到炮孔定位的目的及效果。采用該掌子面爆破孔位投影定位裝置，能夠快速地將設(shè)計(jì)方案的爆破圖投影至掌子面，同時(shí)根據(jù)不同圍巖選用不同的爆破圖進(jìn)行投影，極大地提高了爆破參數(shù)的合理性和方案的指導(dǎo)性。經(jīng)過試驗(yàn)得出最佳的投影距離為距掌子面20 m位置。該技術(shù)施工工藝易于掌握，安全風(fēng)險(xiǎn)低，施工效率高，成本低，使用范圍廣，效果良好。適用于地下工程中隧洞(洞)掌子面炮孔快速定位。