大斷面隧道爆破減孔布設(shè)方法研究

婁乾星，陶鐵軍,，田興朝，朱海明，張 林，鄭仕躍

(1. 貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2. 中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550000)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)小斷面隧道已無(wú)法滿(mǎn)足公路運(yùn)輸需求，三車(chē)道、四車(chē)道等大斷面隧道在近年來(lái)修建的公路中廣泛出現(xiàn)。鉆爆法具有高效經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)隧道開(kāi)挖的主要方法，但大斷面隧道炮孔若按傳統(tǒng)方法進(jìn)行孔網(wǎng)布設(shè)，將會(huì)導(dǎo)致鉆孔數(shù)量多、鉆孔成本高，影響工程進(jìn)度。炮孔孔網(wǎng)布設(shè)一直是隧道爆破的研究熱點(diǎn)，大量專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究：雷戰(zhàn)等[1]研究了炮孔與空孔間距對(duì)巖體的爆破作用機(jī)理，得到了空孔與炮孔不同間距下雙炮空孔間及兩側(cè)空孔的斷裂導(dǎo)向作用并分析了空孔周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律。李洪偉等[2]研究了不同炮孔間距對(duì)巖石(角巖)爆炸裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。滿(mǎn)軻等[3]為計(jì)算適宜于工程爆破的周邊孔間距，從爆破原理、斷裂力學(xué)及經(jīng)驗(yàn)方法研究了周邊孔間距對(duì)光面爆破效果的影響。單仁亮等[4]提出一種準(zhǔn)直孔掏槽方式，克服了直孔掏槽和斜孔掏槽的弊端，提高了巖巷掘進(jìn)速度。余永強(qiáng)等[5]根據(jù)爆破理論與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)工作面的具體情況，介紹了硬巖巷道條件下合理掏槽方式、炮孔深度以及掏槽孔布置參數(shù)的選取。張理維等[6]分析了爆破過(guò)程中巖石產(chǎn)生的損傷，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆破方案中的炮孔布置進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)損傷因子D對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破爆破效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。俞楊明等[7]對(duì)周邊孔的耦合裝藥爆破過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了較為合理的周邊孔的炮孔間距，盡可能減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)且保證巖石正常崩落。徐幫樹(shù)等[8]通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)爆破試驗(yàn)和層狀巖體破壞機(jī)理分析，對(duì)隧道開(kāi)挖的光面爆破參數(shù)、掏槽孔布設(shè)方案和最大單孔裝藥量參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)爆破開(kāi)挖引起的隧道拱部易離層以致超挖、掌子面底部欠挖的工程問(wèn)題進(jìn)行控制。吳兆華等[9]采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了深孔爆破后炮孔周?chē)牧严稊U(kuò)展情況和裂隙圈范圍。劉趕平等[10]研究了大斷面隧道爆破的鉆孔機(jī)器，結(jié)合光面爆破設(shè)計(jì)原理，提出了適用于采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔的大斷面隧道的光面爆破方案。姚洪瑞等[11]提出了短進(jìn)尺的淺孔弱爆破方案，解決了富水軟弱圍巖條件下爆破過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題。楊玉銀等[12]針對(duì)硬質(zhì)巖石爆破開(kāi)挖提出了2種不同的掏槽方式，該方式能夠提高鉆孔利用率。雷振等[13]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)，根據(jù)優(yōu)化溝槽開(kāi)挖成型爆破參數(shù)，得出了預(yù)裂孔間距是影響溝槽的主要因素。汪高龍等[14]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石種類(lèi)及爆破參數(shù)的影響，采用多種爆破方案結(jié)合的方式對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件下施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破作業(yè)，提高了爆破效率。費(fèi)鴻祿等[15]研究得出了符合實(shí)際的裂隙區(qū)范圍計(jì)算公式，分析了空氣不耦合裝藥條件下裂隙區(qū)范圍的計(jì)算方法，計(jì)算了初始損傷和粉碎區(qū)存在的巖石裂隙區(qū)半徑,并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用阿貝爾原理和巖石止裂條件考慮了爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用下裂隙的二次擴(kuò)展。

上述研究解決了隧道爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的諸多問(wèn)題，但隨隧道斷面的增大，如何在確保爆破質(zhì)量的同時(shí)，減少大斷面隧道炮孔布設(shè)數(shù)量是亟待解決的科學(xué)技術(shù)難題。為此，本文提出了大斷面隧道爆破減孔布設(shè)的新理論、新方法，最大限度將楔形掏槽孔位置“向外推”，“解放”隧道中心大部分掌子面，并以貴州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道為工程依托，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證所提方法的爆破效果，減少炮孔數(shù)量、提高掘進(jìn)效率、確保工程質(zhì)量。

1 大斷面隧道減孔布設(shè)方法

1.1 傳統(tǒng)布孔方式

傳統(tǒng)隧道爆破炮孔布設(shè)由小斷面隧道發(fā)展而來(lái)，其炮孔布設(shè)數(shù)量N依據(jù)隧道斷面面積S和巖石堅(jiān)固性系數(shù)f估算：

(1)

對(duì)于大斷面隧道，以Ⅳ級(jí)圍巖、巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=6、隧道斷面面積S=150 m2為例，整個(gè)斷面需打孔數(shù)量將達(dá)170余個(gè)，鉆孔工作量巨大。

當(dāng)前隧道自動(dòng)鉆孔設(shè)備并不成熟，主要依靠人工打孔，工人的鉆孔效率一般約為3孔/h(孔深約4.2 m)，以一個(gè)鉆孔班13人計(jì)算，每循環(huán)約需4.5 h鉆孔時(shí)間。傳統(tǒng)隧道爆破方法與改進(jìn)的孔網(wǎng)布設(shè)如圖1所示，鉆孔數(shù)量多、打孔時(shí)間長(zhǎng)，已無(wú)法滿(mǎn)足大斷面隧道高效掘進(jìn)要求。為解決上述難題，本文根據(jù)大斷面隧道爆破特點(diǎn)，提出了大隧道爆破減孔布設(shè)理論與方法。

圖1 孔網(wǎng)布設(shè)工藝對(duì)比

1.2 減孔布設(shè)理論與方法

掏槽孔是為輔助孔提供臨空面，減小夾制作用，其在爆破時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)影響保留巖體，因此在小斷面隧道爆破時(shí)，掏槽孔盡量布置在隧道中央偏下的位置。而對(duì)于大斷面隧道爆破，由于掏槽孔爆破振動(dòng)影響范圍有限，可根據(jù)理論計(jì)算，適當(dāng)選取布設(shè)位置。

本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破工程需求，提出大斷面隧道減孔布設(shè)方法，如圖2所示，該方法將楔形掏槽孔開(kāi)口位置“向外推”至離隧道設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)最小距離d1處，此時(shí)楔形掏槽孔爆破不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)外的保留巖體造成損傷。此時(shí)楔形掏槽孔爆破的目的是形成雙向臨空面：一是為掌子面中心圍巖爆破提供臨空面，使掌子面中心大部分圍巖與保留巖體分隔開(kāi)，后續(xù)中心巖體爆破時(shí)加大孔距、增加藥量也不會(huì)對(duì)保留巖體造成損傷；二是為輔助孔爆破提供臨空面，由于臨空面的存在，爆炸應(yīng)力波在此處反射拉伸，有利于巖體破碎。

圖2 大斷面隧道爆破減孔布設(shè)方法

該方法的核心是確定掏槽孔到保留巖體最小距離d1的取值，既能保證保留巖體不受損傷，也能最大限度的將楔形掏槽孔開(kāi)口位置向外推。依據(jù)爆轟波理論，不耦合裝藥情況下柱狀藥包爆破時(shí)，炮孔巖石壁受到的初始沖擊壓力為[16]

(2)

式中：ρ0為密度，g/cm3；D1為爆速，m/s；dc為裝藥直徑，db為炮孔直徑；lc為裝藥長(zhǎng)度；lb為炮孔長(zhǎng)度；爆轟產(chǎn)物撞擊藥室壁會(huì)明顯增大壓力，n為增大倍數(shù)，取值為8～11。

本文選用2號(hào)巖石乳化炸藥進(jìn)行計(jì)算，密度ρ0=1.24 g/cm3，爆速D1=4 200 m/s，裝藥直徑dc=32 mm，炮孔直徑db=42 mm，裝藥長(zhǎng)度lc=2.4 m，炮孔長(zhǎng)度lb=4.8 m，計(jì)算可得炮孔巖石壁受到的初始沖擊壓力p=535.25 MPa。

(3)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探報(bào)告，研究段圍巖為板巖，抗壓強(qiáng)度Rc=25 MPa，當(dāng)σrmax

因此，將楔形掏槽孔開(kāi)口位置布設(shè)在距離隧道設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)2.96 m處，起爆順序優(yōu)化為楔形掏槽孔爆破提供雙向臨空面～輔助孔寬孔距小排距爆破破巖～周邊孔爆破控制隧道輪廓～掌子面中心圍巖寬孔距爆破。同時(shí)將臺(tái)階爆破寬孔距小排距布孔設(shè)計(jì)理念引入大斷面隧道爆破中，加大孔網(wǎng)參數(shù)布設(shè)，其孔網(wǎng)布設(shè)如圖1 b所示。

2 工程背景

2.1 工程概況

白竹山隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，右幅隧道長(zhǎng)4 404 m，最大埋深323 m，左幅隧道長(zhǎng)4 358 m，最大埋深318 m，隧道左右幅測(cè)設(shè)線(xiàn)間距為16～41 m。隧道為人字坡隧道，右幅縱坡坡度為2.0%、-1.35%，左幅縱坡坡度為2.0%、-1.35%。研究段圍巖巖性為中風(fēng)化薄～中厚層狀凝灰質(zhì)板巖，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)圍巖，襯砌斷面如圖3所示。

圖3 襯砌斷面

2.2 設(shè)計(jì)思想

1)考慮現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及人工鉆孔的可操作性，14號(hào)、15號(hào)楔形掏槽孔至隧道設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)的距離為2.96 m，布設(shè)6對(duì)水平楔形掏槽孔，如圖4所示，楔形掏槽孔間距為0.6 m，傾斜角度(與掌子面夾角，后文所述傾斜角度均為與掌子面夾角)為60°，孔深為4.8 m，水平距離為5.0 m。

注：圖中數(shù)字為孔號(hào)，MS為段別。

2)在掌子面中心布設(shè)兩個(gè)解炮孔，將大塊巖石分解成小塊巖石，解炮孔深3 m、間距1.0 m。

3)輔助孔3排布設(shè)，排距相同，由內(nèi)至外輔助孔間距逐漸減小，傾斜角度逐漸增加，采用大間距小排距爆破工藝，輔助孔深4.2 m。

4)周邊孔均勻分布，距第3排輔助孔600 mm，為便于打孔，周邊孔通常偏斜一定角度，形成偏斜角，孔底超出設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)100 mm左右，孔口開(kāi)孔控制在輪廓線(xiàn)以?xún)?nèi)偏離輪廓線(xiàn)應(yīng)小于100 mm左右。

2.3 工程應(yīng)用

以白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954區(qū)段為試驗(yàn)區(qū)段，進(jìn)行大斷面隧道減孔布設(shè)爆破方法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，上臺(tái)階炮孔布置如圖5所示，具體爆破參數(shù)如表1所示。

圖5 上臺(tái)階炮孔現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

表1 爆破參數(shù)

對(duì)于不同巖性采用不同的裝藥量，具體裝藥量如表2所示。解炮孔的裝藥量相對(duì)于其他炮孔大幅降低，是因?yàn)橐罁?jù)本文提出的爆破方法，掌子面中心圍巖為有補(bǔ)償空間的自由面爆破，解炮孔的作用是將大塊度的巖石分解成小塊度巖石，便于裝車(chē)，因此解炮孔的藥量較低。

表2 不同巖性各炮孔裝藥量

由白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954區(qū)段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)報(bào)告可知，該區(qū)段圍巖巖性屬于中硬巖，故各炮孔裝藥量如下：解炮孔4條×0.3 kg=1.2 kg，線(xiàn)裝藥密度0.5 kg/m；掏槽孔8條×0.3 kg=2.4 kg，線(xiàn)裝藥密度0.5 kg/m；輔助孔7條×0.3 kg=2.1 kg，線(xiàn)裝藥密度0.5 kg/m；周邊孔4條×0.3 kg=1.2 kg，線(xiàn)裝藥密度0.29 kg/m；底孔7條×0.3 kg=2.1 kg，線(xiàn)裝藥密度0.5 kg/m。

各孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示，起爆順序如表3所示。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)

表3 起爆順序

炮孔填塞對(duì)爆破效果影響很大，不填塞爆破時(shí)，爆炸能量大部分消耗在空氣中，產(chǎn)生較大空氣沖擊波，對(duì)巖體的破碎作用較小，因此需進(jìn)行合理的炮孔填塞，填塞長(zhǎng)度大于50 cm，采用砂和黏土按照4∶6制作的炮泥作為填塞材料。

3 爆破效果與分析

3.1 鉆孔數(shù)量

3.2 炮孔利用率

依據(jù)本文提出的大斷面隧道寬孔距爆破設(shè)計(jì)方案，在白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954區(qū)段進(jìn)行5次現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，對(duì)炮孔利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 炮孔利用率統(tǒng)計(jì)

由表4可知，楔形掏槽孔的平均炮孔利用率為82.1%，其余炮孔的平均炮孔利用率為91.9%，各炮孔的炮孔利用率較高，能夠減少根坎，避免因根坎導(dǎo)致的補(bǔ)炮，提高爆破質(zhì)量，加快施工進(jìn)度。爆破完成后現(xiàn)場(chǎng)巖石塊度情況如圖7所示，可見(jiàn)巖體塊度較小，裝車(chē)方便。

圖7 爆破現(xiàn)場(chǎng)巖石塊度

3.3 超欠挖控制效果

每循環(huán)爆破完成后，采用全站儀對(duì)隧道超欠挖進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表5所示，并統(tǒng)計(jì)噴混凝土實(shí)際用量，結(jié)果如表6所示。

表5 超欠挖情況統(tǒng)計(jì)

表6 噴射混凝土超耗統(tǒng)計(jì)

由表5、表6可知，依據(jù)本文提出的大斷面隧道寬孔距爆破設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)⒊诤穸瓤刂圃?5 cm以?xún)?nèi)，平均超挖方量為3.02 m3/m，噴混平均超耗量為3.75 m3/m，能夠?qū)娀斐穆士刂圃?0%以?xún)?nèi)。初步測(cè)算隧道每降低10 cm，可降低直接施工成本約1 500元，全線(xiàn)59 km隧道將降低施工成本8 700萬(wàn)元。爆破效果如圖8所示。

圖8 爆破效果

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)掏槽孔適當(dāng)外推，中間巖體減孔布設(shè)，每循環(huán)鉆孔數(shù)量可減少23個(gè)，節(jié)約鉆孔時(shí)間0.6 h，全線(xiàn)59 km隧道將節(jié)約打孔時(shí)間約8 850 h。

2)為確保保留巖體安全，掏槽孔至保留巖體的最小距離不應(yīng)低于2.96 m；減孔布設(shè)后，超挖厚度控制在15 cm以?xún)?nèi)，噴混超耗率控制在90%以?xún)?nèi)，爆破效果良好。

3)大斷面隧道爆破減孔布設(shè)方法能夠減少炮孔數(shù)量、提高掘進(jìn)效率、確保工程質(zhì)量，為大、特大斷面隧道高效掘進(jìn)提供了有效技術(shù)手段。