淺談光爆法在隧道施工中的質(zhì)量控制

師 衛(wèi)

(中鐵一局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300250)

1 光爆法簡(jiǎn)介

1.1 歷史發(fā)展

光爆法也稱“光面爆破法”，它是集巖石掘進(jìn)及巖石力學(xué)、工程爆破學(xué)等諸多科學(xué)于一體的綜合性工程科學(xué)。這門科學(xué)是在20世紀(jì)50年代后期自瑞典興起的，隨后傳入美國(guó)、加拿大、英國(guó)、挪威、日本等許多國(guó)家。自20世紀(jì)60～70年代開始，逐步在我國(guó)軍工、礦業(yè)、建筑業(yè)等全面推廣應(yīng)用。隨著光爆法技術(shù)的不斷完善，在安全可靠度有充分保障的前提下，不僅能給施工企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)利益，還給社會(huì)帶來廣泛的綜合效益，尤其在傳統(tǒng)礦山法、新奧法(NATM)、挪威法(NMT)、新意法等工法技術(shù)應(yīng)用中，光爆法依然有亮點(diǎn)，在巖體掘進(jìn)施工技術(shù)中占有舉足輕重的地位。

1.2 光爆類型

光面爆破可以分為輪廓線鉆孔法、緩沖爆破法、預(yù)裂爆破法、周邊爆破法。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)況

陜西韓黃高速公路2標(biāo)段起訖里程K10+000～K21+343(東澤二號(hào)大橋終點(diǎn))，總長(zhǎng)度10.34 km，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。里程段內(nèi)，象山隧道位于韓城市西北處的象山，隧道按左、右線分離式設(shè)計(jì)，左線隧道起訖樁號(hào)為ZK11+740～ZK12+745，全長(zhǎng)1 005 m，右線隧道起訖樁號(hào)為K11+738～K12+736，全長(zhǎng)998 m，左線起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程487.29 m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)高程458.60 m；右線起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程487.06 m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)高程458.28 m，隧道底板最大埋深147.6 m。兩洞中軸線最大間距28.58 m，最小間距28.57 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

象山隧道構(gòu)造單元上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)陜甘寧臺(tái)坳，處于陜北臺(tái)凹東南部。陜北臺(tái)凹為陜甘寧臺(tái)坳的主體部分，被坳緣褶斷束環(huán)繞，臺(tái)凹褶皺和斷裂稀少，未見巖漿巖侵入活動(dòng)。為一大型向斜構(gòu)造，長(zhǎng)軸走向近南北，兩翼不對(duì)稱，西翼傾角3°～10°，東翼寬緩，傾角1°左右，少數(shù)長(zhǎng)軸褶皺出現(xiàn)在臺(tái)凹邊緣。

2.2.1 圍巖巖土層的構(gòu)成與特征

象山隧道穿越地層主要由二疊系(P)下統(tǒng)山西組(P1 sx)、奧陶系下統(tǒng)馬家溝組(O1 m)組成，洞室圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較大，受斷層影響嚴(yán)重，巖體破碎較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖整體穩(wěn)定性一般。隧道進(jìn)口段地層巖性以第四系松散堆積物為主，局部為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎；隧道洞室內(nèi)以中風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r為主；巖體較完整，為較堅(jiān)硬巖。出口段300 m以中風(fēng)化砂巖、泥巖為主，巖體較破碎，為較堅(jiān)硬巖。

2.2.2 水文地質(zhì)條件

象山隧道地下水主要以大氣降水為主，基巖裂隙水其對(duì)隧道的影響很小。受雨季影響時(shí)，大氣降水的正常涌水量：875.10 m3/d、最大涌水量：2 517.92 m3/d。

2.2.3 隧道圍巖級(jí)別

Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度885 m、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度505 m、Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度613 m。

3 光爆法工藝簡(jiǎn)述

3.1 光爆法施工工藝流程

工藝流程為：測(cè)量放樣→臺(tái)車就位→鉆孔→裝炸藥→炮口填封→安全警戒→起爆→通風(fēng)→清除遺留炸藥和藥包→清渣。

開挖質(zhì)量控制的核心就是超欠挖控制。對(duì)于Ⅲ→Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法光爆開挖；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖采用中間隔壁法(CD法)進(jìn)行光爆開挖。

按照施泰德(Steidle)分類法，根據(jù)巖石類型確定炮孔間距，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理確定有效循環(huán)進(jìn)尺，科學(xué)布置光爆眼孔，合理安排起爆順序，從而達(dá)到光爆的效果。

3.2 施工步驟

1)測(cè)量放樣：在開挖面上測(cè)設(shè)出中線與水平線，再根據(jù)光爆圖表，準(zhǔn)確標(biāo)出炮眼位置，炮位誤差不大于5 cm，采用激光導(dǎo)向和幻燈布眼。

2)臺(tái)車就位：軌行式鑿巖臺(tái)車其軌道按照隧道中心線準(zhǔn)確布置，保證臺(tái)車所鉆炮眼滿足要求。

3)鉆孔。

(1)第一步,確定開挖方法，選擇掏槽方法。Ⅲ-Ⅳ級(jí)圍巖，采用臺(tái)階法開挖、Ⅴ級(jí)圍巖采用中間隔壁法(CD)開挖。

(2)第二步，根據(jù)巖石條件，開挖斷面大小，施工條件等布置和選擇周邊光爆：①周邊孔間距0.3 m、0.4 m；二圈孔間距0.7 m；擴(kuò)大眼間距0.8 m；②抵抗線W=E/M;M取0.7，W=0.3/0.7=0.43、W=0.4/0.7=0.57、W=0.7/0.7=1.00；③確定光爆圖表(見圖1及表1)。

(a)Ⅲ→Ⅳ級(jí)圍巖

(b)Ⅴ級(jí)圍巖

表1 光爆表

4)裝炸藥與炮口填封。象山隧道光爆裝藥前，作業(yè)班組首先對(duì)爆破器材的規(guī)格類型按技術(shù)交底進(jìn)行核對(duì)，并將炮孔內(nèi)的泥漿、巖屑清除干凈。裝藥完成后，班組長(zhǎng)對(duì)裝藥質(zhì)量進(jìn)行檢查，合格后，再用炮泥進(jìn)行填塞。周邊眼采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余孔采用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，孔口用機(jī)做炮泥填塞。

5)安全警戒：在爆區(qū)四周各個(gè)方向的危險(xiǎn)區(qū)邊界，均應(yīng)設(shè)置警戒崗哨，在交通要道進(jìn)行臨時(shí)交通管制，每個(gè)警戒點(diǎn)一人一部對(duì)講機(jī)配合指揮中心統(tǒng)一指揮，警戒點(diǎn)使用紅旗作警戒標(biāo)志。

6)起爆。起爆順序：掏槽區(qū)→掘進(jìn)眼→內(nèi)圈眼→周邊眼→底板眼。起爆網(wǎng)路的連接采用導(dǎo)爆管雷管的起爆網(wǎng)絡(luò)。各炮孔采用非電毫秒雷管微差起爆技術(shù)。在掏槽眼、輔助眼、底眼及周邊眼中，每相鄰段別雷管間隔時(shí)差為不小于50 ms，即每次爆破相鄰兩端別裝藥量較大的起爆管采用國(guó)產(chǎn)系列(15段)非電毫秒雷管。

7)通風(fēng)：采用壓入式通風(fēng)方式，左、右線隧道各配1臺(tái)11 kW軸流通風(fēng)機(jī)，每次爆破后或當(dāng)洞內(nèi)環(huán)境達(dá)不到要求時(shí)，用空壓機(jī)向洞內(nèi)送風(fēng)，確保洞內(nèi)施工環(huán)境要求。

8)清除遺留炸藥和藥包：對(duì)啞炮或殘炮所遺漏在炮眼的炸藥必須用水沖洗干凈或取出炸藥包。

9)清渣：安排作業(yè)隊(duì)伍配合安全員對(duì)險(xiǎn)石排除后，在開挖面裝渣并運(yùn)至洞外棄土場(chǎng)。

3.3 施工注意事項(xiàng)

1)光面爆破安全設(shè)計(jì)和防護(hù)。

(1)爆破振動(dòng)安全核算。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)確定的公式：

(1)

式中，R為爆破振動(dòng)安全距離,m;K為與地震波傳播途徑有關(guān)的地形地質(zhì)等條件的系數(shù)；V為安全振動(dòng)速度,cm/s；a為爆破衰減指數(shù)；Q為一次起爆的總裝藥量或延時(shí)爆破的最大單段裝藥量,kg。

象山隧道被爆巖石屬松軟巖石，K取200、a取2.0；被保護(hù)建筑物為象山公園朝陽亭、定坤塔等建筑物，距離隧道中心線直線最小距離148 m。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，其最大安全允許振動(dòng)速度V=2.2 cm/s。

經(jīng)驗(yàn)算爆破振動(dòng)的安全距離為76 m以外，被保護(hù)建筑物均處于安全狀態(tài)。

(2)爆破振動(dòng)控制措施。通過優(yōu)選炸藥，使炸藥與巖石的波阻抗盡可能匹配，以最大限度發(fā)揮炸藥效率，達(dá)到減少裝藥量的目的；控制同段最大裝藥量的振動(dòng)速度；采用孔內(nèi)外接力延期起爆網(wǎng)絡(luò)，解決多孔爆破同段裝藥量不超過設(shè)計(jì)最大裝藥量問題；加強(qiáng)信息化監(jiān)測(cè)，始終在爆破振動(dòng)檢測(cè)的前提下進(jìn)行爆破開挖，以爆破振動(dòng)允許值的85%作為預(yù)警值，達(dá)到預(yù)警值，及時(shí)通知爆破作業(yè)隊(duì)，超過允許值，立即停工整改。

(3)爆破飛石控制。按照Lundborg的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，巖石藥孔爆破飛石距離(Rfmax)可由下式計(jì)算：

Rfmax=KT×K×D

(2)

式中，KT為與爆破方式、填塞長(zhǎng)度、地質(zhì)和地形條件有關(guān)的系數(shù)，象山隧道取1.3；K為炸藥單耗；kg/m3，象山隧道取0.72；D為藥孔直徑mm，象山隧道取32 mm。

經(jīng)計(jì)算飛石距離Rfmax=30 m。

飛石防護(hù)措施:在相對(duì)安全作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行試爆，確定合理爆破單耗值；在相對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)作業(yè)爆破時(shí)取小值，絕不任意加大藥量以提高破碎度，必須避免單耗失控；為保證人員、設(shè)備的安全，劃定爆破警戒范圍，爆破前人員撤至警戒范圍以外，加強(qiáng)隧道洞口方向的警戒。

(4)爆破沖擊波控制。象山隧道爆破采用的孔內(nèi)分散裝藥爆破，警戒距離50 m以外，空氣沖擊波和爆破噪聲不會(huì)對(duì)警戒區(qū)以外的人員造成危害，沖擊波的影響范圍雖然較小，但爆破前隧道內(nèi)人員必須及時(shí)撤離。

(5)爆破振動(dòng)檢測(cè)。象山隧道爆破施工中，通過藍(lán)牙技術(shù)將采集設(shè)備與全站儀進(jìn)行連接，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)速度，采集變形數(shù)據(jù)上傳云端進(jìn)行頻率與幅值域遠(yuǎn)程分析及實(shí)施預(yù)警。

2)光面爆破裝藥量。

(1)在施工中，光爆參數(shù)不可能和施工方案完全相同。所以，應(yīng)根據(jù)E、W和L等參數(shù)的實(shí)際尺寸確定裝藥量。特別是E、W和L的尺寸相差較大時(shí)，更應(yīng)該具體情況具體對(duì)待，所以在一茬炮中，往往不一定每個(gè)炮孔都裝相同的藥量。

(2)如果碰到巖石的極限抗壓強(qiáng)度很高，但裂隙又比較發(fā)育時(shí)，應(yīng)綜合考慮并適當(dāng)降低巖石抗壓強(qiáng)度值。

(3)象山隧道拱腳側(cè)墻腳處由于巖石的夾制力過大，除考慮正常的計(jì)算裝藥量以外，還應(yīng)輔助以密孔光爆法或挖角光爆法，以便有效地克服巖石夾制力。

4 光爆法質(zhì)量控制

4.1 施工控制

嚴(yán)格控制鉆爆工藝“光面爆破”，有效地控制周邊開挖輪廓，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，保持圍巖穩(wěn)定，有效控制超欠挖，提高工程質(zhì)量和進(jìn)度，確保施工安全。

1)象山隧道施工作業(yè)隊(duì)實(shí)施工效掛鉤制度，把專業(yè)班組編入綜合組，共設(shè)3個(gè)綜合組，8 h倒班制，每個(gè)綜合組設(shè)爆破班、掘進(jìn)班、出渣運(yùn)輸班、警戒班、急救排險(xiǎn)班、后勤保障班、情況信息班，每個(gè)綜合組組長(zhǎng)根據(jù)施工計(jì)劃實(shí)施全過程、全要素負(fù)責(zé)制，對(duì)超欠挖10%以上采取對(duì)重罰款、超欠挖控制在10%以內(nèi)實(shí)施梯次獎(jiǎng)勵(lì)等獎(jiǎng)罰制度。使得爆破、出渣、排險(xiǎn)、警戒、信息反饋一次到位；上下綜合班組交接時(shí)在上一班自檢的基礎(chǔ)上進(jìn)行交接檢，從根本上提高了經(jīng)濟(jì)效益，保證了施工質(zhì)量。

2)重視光爆工藝，嚴(yán)格控制光爆工序。在光爆作業(yè)施工中，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行鉆眼、裝藥和引爆。

對(duì)掏槽眼、輔助眼、周邊眼的布置和數(shù)量，眼孔深度與角度，各眼孔的裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)、起爆次序、網(wǎng)路連接等細(xì)節(jié)均按照規(guī)程要求和實(shí)際情況細(xì)致考慮和計(jì)算，并按照施工區(qū)段分別編制專項(xiàng)施工方案。

鉆眼作業(yè)做到七快、四勤、四不鉆。“七快”即：拉風(fēng)水管快、安鉆快、開鉆快、換鉆釬快、移動(dòng)支架快、交換位置快、排除故障快；“四勤”即：保養(yǎng)鉆機(jī)、支架勤；維修風(fēng)水管勤；檢查鉆孔質(zhì)量勤；檢查險(xiǎn)情勤；“四不鉆”即：不鉆殘孔、不鉆石縫、不鉆軟夾層、不鉆破碎帶。

裝藥作業(yè)嚴(yán)格控制裝藥集中度，控制在1.0 kg/m以內(nèi)，重視裝藥集中度并不完全是為了節(jié)省炸藥，更重要的是在一個(gè)夾制力很大的炮孔中，過多裝藥使得靠近炮孔的巖石受到強(qiáng)烈的應(yīng)力作用，周圍的炮孔有可能會(huì)崩壞，從而降低炮孔的破碎能力；也能有效防止殉爆的發(fā)生，打亂起爆的順序。

引爆作業(yè)前嚴(yán)格實(shí)施爆前五項(xiàng)檢查，做到檢查內(nèi)容有一項(xiàng)不合格，絕不引爆。五項(xiàng)檢查內(nèi)容為：①所有的引線必須聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，沒有遺漏；②簇聯(lián)接點(diǎn)必須連接緊密，并安放引爆雷管；③網(wǎng)路中沒有打結(jié)、折斷的引線；④網(wǎng)絡(luò)連接多于10根簇聯(lián)的必須采用同段兩根雷管以確保起爆；⑤簇聯(lián)引線不得超過40根。

4.2 定位控制

1)洞外控制。在洞口設(shè)置兩個(gè)平面控制點(diǎn)，控制點(diǎn)設(shè)在能相互通視、穩(wěn)固不動(dòng)并能與開挖后的洞口通視的地點(diǎn)。高程控制采用水準(zhǔn)測(cè)量，在洞口布置兩個(gè)高精度水準(zhǔn)點(diǎn)。水準(zhǔn)點(diǎn)布置在通視良好、施測(cè)方便處。

2)洞內(nèi)控制。根據(jù)施工規(guī)范要求，洞內(nèi)控制測(cè)量采用中線法。由具有豐富測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量工程師負(fù)責(zé)隧道測(cè)量；堅(jiān)持三級(jí)復(fù)測(cè)制，隧道貫通后進(jìn)行貫通測(cè)量。

5 結(jié) 語

光爆法施工為隱蔽工程，必須遵循“先探探、管超前、預(yù)注漿、小斷面、留核心、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、常量測(cè)”的原則，在施工中充分利用地質(zhì)調(diào)查報(bào)告、物探結(jié)果、超前導(dǎo)坑等方法做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，嚴(yán)格把握質(zhì)量控制要點(diǎn)，嚴(yán)格遵循專項(xiàng)施工方案施工，采取有效的質(zhì)量控制措施進(jìn)行全過程、全要素控制，以確保光爆法施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。特別是對(duì)于隧道發(fā)生滲漏水、斷層、煤層瓦斯等不良施工環(huán)境，更要加強(qiáng)施工環(huán)境監(jiān)測(cè)，以確保安全施工。根據(jù)象山隧道工程施工結(jié)果，光爆法在開挖質(zhì)量上比較有保證，對(duì)于Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖拱部超挖均控制在200 mm以內(nèi)；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖拱部超挖均控制在120 mm以內(nèi)；對(duì)于圍巖邊墻超挖均控制在每側(cè)+90 mm以內(nèi)、全寬+160 mm以內(nèi)，并且沒有發(fā)生欠挖現(xiàn)象，經(jīng)激光斷面儀檢測(cè)開挖斷面，全部合格。

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