劉仁華
中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司,重慶 400065
爆破開挖是當(dāng)前我國隧道開挖掘進(jìn)的主要手段[1]。雖然人工鉆眼爆破具有操作方便、價格便宜的優(yōu)點,但若隧道爆破未能達(dá)到設(shè)計要求將導(dǎo)致超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生,對工程質(zhì)量造成不利影響,同時在處理超欠挖時所采取的補炮或者回填措施都將提高工程造價,影響施工進(jìn)度。另外,隧道進(jìn)行二次爆破將對圍巖再次產(chǎn)生不利擾動,擴大圍巖的損傷范圍,影響圍巖穩(wěn)定性。為了提高隧道的施工效率,國內(nèi)外學(xué)者對隧道爆破施工導(dǎo)致的超欠挖問題進(jìn)行了大量的研究,提出了一些有效的爆破施工方法[2]。其中,光面爆破施工方法能夠有效控制爆破對圍巖的擾動,減少對隧道輪廓的超欠挖量,提高施工效率和經(jīng)濟效益,已被廣泛應(yīng)用于隧道爆破施工中[3-4]。但是,掌子面前方的地質(zhì)情況復(fù)雜,裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)會對光面爆破造成不利影響,導(dǎo)致隧道輪廓超欠挖較嚴(yán)重,增加施工周期和成本。
重慶軌道交通10號線蘭花湖停車場出入段隧道(下文簡稱蘭花湖隧道)為雙線隧道,右線全長1136.068m,左線全長1026.080m,在右線樁號YCK1+124.722~YCK1+200段,隧道圍巖等級為Ⅳ級,設(shè)計采用爆破施工。為了解決蘭花湖隧道的超欠挖問題,相關(guān)人員使用全斷面免棱鏡測量技術(shù),獲得了爆破施工中隧道的開挖輪廓線,分析了隧道超欠挖的原因,通過超前地質(zhì)預(yù)報對掌子面圍巖情況進(jìn)行預(yù)測,提出了一種爆破參數(shù)優(yōu)化方法,能夠有效控制蘭花湖隧道的超欠挖質(zhì)量,獲得了良好的隧道輪廓線,提高了施工效率。
爆破的基本理論主要有爆生氣體膨脹壓力作用理論、應(yīng)力波疊加理論、爆生氣體與應(yīng)力波共同作用理論。隨著科技的發(fā)展,最終發(fā)現(xiàn)共同作用理論更符合工程實際,即炸藥爆破所產(chǎn)生的爆生氣體和爆炸應(yīng)力波將共同作用于巖石,導(dǎo)致巖石產(chǎn)生裂紋并發(fā)生擴展,最后產(chǎn)生破壞。
爆炸應(yīng)力波與爆生氣體作用原理如圖1所示。由于爆轟波陣面的壓力和傳播速度遠(yuǎn)高于爆生氣體產(chǎn)物的壓力和傳播速度,爆轟波首先作用于炮孔壁上,使得圍巖產(chǎn)生初始裂隙并以較高的速度向前傳播,而爆生氣體則楔入裂隙中,在準(zhǔn)靜壓力作用下使裂隙得到擴展和傳播。隨著應(yīng)力波的衰減,爆生氣體的楔入速度逐漸接近應(yīng)力波波速,最后二者相等,此時裂紋擴展停止發(fā)生。
圖1 光爆孔裂縫發(fā)展過程
此次監(jiān)控測量采用全斷面免棱鏡測量技術(shù),該方法是遵照圍巖量測設(shè)計理念與新奧法圍巖自穩(wěn)宗旨,并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)出的隧道洞內(nèi)超欠挖監(jiān)控量測的關(guān)鍵技術(shù)。爆破施工后,在隧道周邊的孔內(nèi)埋設(shè)觀測點,進(jìn)行監(jiān)控量測,然后與設(shè)計斷面進(jìn)行對比計算,如圖2所示。計算公式如下:
圖2 超欠挖測量與計算方法
采用全斷面免棱鏡測量技術(shù)對隧道斷面進(jìn)行超欠挖測量,繪制實測隧道輪廓面與標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面的對比圖,如圖3所示。
圖3 隧道光面爆破效果(單位:mm)
從圖3可以看出,洞內(nèi)超挖較嚴(yán)重,尤其在左側(cè)拱頂區(qū)域,超挖量最大。仔細(xì)觀察隧道開挖后掌子面附近的地質(zhì)情況,發(fā)現(xiàn)左側(cè)拱頂區(qū)域存在少量軟弱夾層,導(dǎo)致此區(qū)域圍巖強度較弱,增加了隧道輪廓的超挖量。在拱腳附近,存在少量欠挖區(qū)域,對施工影響較小。由于爆破超挖嚴(yán)重,增加了隧道施工成本,降低了施工效率。
以蘭花湖隧道爆破施工為基礎(chǔ),分析爆破導(dǎo)致的超欠挖原因,總結(jié)得出三點結(jié)論。
(1)掌子面前方圍巖情況對隧道爆破施工導(dǎo)致的超欠挖問題影響很大。爆破施工過程中,炸藥能量優(yōu)先向圍巖強度較弱的方向傳播,導(dǎo)致隧道出現(xiàn)嚴(yán)重超挖現(xiàn)象。
(2)不合理的周邊孔裝藥量影響隧道輪廓線形狀。光面爆破動態(tài)設(shè)計的指導(dǎo)方針沒有貫徹實施,施工人員抱著“寧超勿欠”的思想,導(dǎo)致裝藥量過大,影響光面爆破效果。
(3)鉆眼的精度較低,影響爆破效果。隧道鉆孔過程中,光線較差,施工人員放線位置存在偏差,機械鉆孔操作難度大,影響周邊孔的外插角方向和炮孔深度,導(dǎo)致爆破效果較差。
因為掌子面圍巖情況對爆破超欠挖影響較大,所以在爆破開挖前使用超前地質(zhì)預(yù)報,實時獲取掌子面前方圍巖情況,進(jìn)而優(yōu)化爆破參數(shù),控制爆破開挖質(zhì)量。
此次超前地質(zhì)預(yù)報將地質(zhì)雷達(dá)和TRT相結(jié)合,充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點。蘭花湖隧道施工過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的現(xiàn)場施工圖如圖4所示。通過分析地質(zhì)超前預(yù)報的雷達(dá)波形圖,確定施工過程中掌子面前方的圍巖情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在隧道左上方存在軟弱夾層,圍巖強度較弱。
圖4 超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場施工圖
隧道周邊地質(zhì)條件對光面爆破中炸藥的選擇影響較大,經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報,發(fā)現(xiàn)掌子面左上方存在軟弱夾層,通過經(jīng)驗對比和篩選,最終決定用巖石乳化炸藥進(jìn)行爆破作業(yè)。在爆破作業(yè)前,先用鉆機制作連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu),用作輔助眼和掏槽眼,再用鉆機制作小直徑藥卷、不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu),用作周邊眼。
光面爆破炮孔具體布置參數(shù)如圖5所示。以兩拱腳中點為中心,拱頂為起點,逆時針旋轉(zhuǎn)60°,即圖5虛線內(nèi)區(qū)域,將其區(qū)域內(nèi)的周邊眼裝藥量改為原裝藥量的90%,進(jìn)行裝藥、爆破。爆破時,起爆順序為掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼。
圖5 光面爆破炮孔布置圖(單位:cm)
為了進(jìn)一步驗證優(yōu)化后的爆破參數(shù)能夠有效控制隧道超欠挖質(zhì)量,提高施工效率,將優(yōu)化后的爆破參數(shù)用于蘭花路隧道光面爆破施工中。對爆破后的隧道斷面進(jìn)行測量,與隧道設(shè)計斷面圖進(jìn)行對比,爆破效果對比如圖6所示。
圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化后隧道光面爆破效果(單位:cm)
對比圖3、圖6的輪廓線可知,爆破參數(shù)優(yōu)化后可以有效控制超欠挖質(zhì)量,最大超挖量僅為283mm,拱腳附近存在少量欠挖,對施工影響較小。這說明降低圍巖較弱區(qū)域周邊眼的裝藥量可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響,降低爆破對圍巖的干擾,提高施工效益,節(jié)約經(jīng)濟成本。
(1)文章論述了光面爆破的基本原理,并利用全斷面免棱鏡測量技術(shù)對隧道斷面進(jìn)行測量,繪制了實際爆破輪廓線和設(shè)計輪廓線的爆破開挖效果圖,發(fā)現(xiàn)圍巖強度對爆破施工的超欠挖質(zhì)量影響較大。
(2)文章設(shè)計了光面爆破方案,根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報,實時獲取掌子面前方圍巖狀況,為爆破參數(shù)優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。
(3)文章提出了爆破參數(shù)優(yōu)化措施,將周邊眼的裝藥量改為原裝藥量的90%,可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響,降低爆破對圍巖的干擾,提高隧道圍巖的穩(wěn)定性,縮短施工周期,可為后續(xù)隧道建設(shè)者提供參考。