大斷面隧道空孔直線掏槽爆破高效掘進(jìn)方法

王 瑋，懷平生，降世良

(1.連云港明達(dá)工程爆破有限公司，連云港 222021；2.中鐵十二局集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100176)

1 工程概況

阿聯(lián)酋阿提哈德鐵路二期D標(biāo)段包含9條隧道，全長6936 m，設(shè)計(jì)為單線隧道。其中T1、T2隧道位于拉斯海馬酋長國，剩余7條隧道則集中在富吉拉酋長國境內(nèi)。圍巖由輝長巖、方輝橄欖巖、石英巖等一種或多種混合組成，地質(zhì)情況復(fù)雜，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為20～180 MPa不等，圍巖支護(hù)等級(jí)為S1～S6級(jí)。

隧道由法國SYSTRA公司設(shè)計(jì)，美國Jacobs公司監(jiān)理咨詢，執(zhí)行英國標(biāo)準(zhǔn)，采用新奧法施工。其典型斷面為14.7 m(寬)×10.3 m(高)，面積128.3 m2。對(duì)于S4級(jí)及以上的圍巖，可使用鉆爆法開挖洞身。

2 爆破方案分析

2.1 爆破施工條件

按施工方法要求，開挖工作實(shí)施前由施工方和監(jiān)理方地質(zhì)工程師對(duì)隧道斷面做地質(zhì)素描，根據(jù)評(píng)級(jí)確定支護(hù)類型與下一循環(huán)開挖長度。爆破后的支護(hù)需立即跟進(jìn)，嚴(yán)禁在未完成支護(hù)時(shí)開挖下一循環(huán)。根據(jù)施工規(guī)劃，鉆爆及錨桿安裝施工應(yīng)在9 h內(nèi)完成，否則會(huì)擠占其他工序時(shí)間，影響后一循環(huán)爆破的實(shí)施。

自炸藥到場(chǎng)至爆后解除警戒的所有爆破工序均在警方的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督下實(shí)施，包括清場(chǎng)、裝藥填塞、起爆、測(cè)振、銷毀剩余器材等。且每循環(huán)僅有一次爆破機(jī)會(huì)，不允許二次爆破處理欠挖。爆破器材用量及爆破時(shí)間需提前三個(gè)工作日上報(bào)給警方審批，一旦爆破申請(qǐng)獲得通過，警方不允許爆破時(shí)間、雷管段別、炸藥用量等現(xiàn)場(chǎng)施工細(xì)節(jié)出現(xiàn)變化。如需要在申請(qǐng)通過后變更施工細(xì)節(jié)，則應(yīng)取消后續(xù)爆破并等待變更申請(qǐng)的生效。

9條隧道中的多條附近存在被保護(hù)物，如民居、高壓線塔、燃?xì)夤芫€等。這些被保護(hù)物的產(chǎn)權(quán)方均提出了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求，若未及時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或爆破振動(dòng)超標(biāo)，產(chǎn)權(quán)方則有權(quán)對(duì)施工方采取罰款或停工處罰。

2.2 爆破方案選擇

同樣取90%炮孔利用率，孔深3 m兩天3次爆破與孔深4.5 m每天1次爆破的掘進(jìn)效率是一致的。但是受多種嚴(yán)苛要求的制約，與短進(jìn)尺、高頻次的爆破方案相比，大進(jìn)尺、低頻次的爆破方案更能適應(yīng)項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)條件。

若想實(shí)現(xiàn)4.5 m的理論循環(huán)進(jìn)尺，則需要使掏槽孔達(dá)到4.7 m的垂直進(jìn)深。對(duì)于楔形掏槽方案，常規(guī)單排掏槽的掏槽角度一般不大于60°，此時(shí)掏槽孔的孔深為5.4 m，超出了鉆桿長度。另一方面，楔形掏槽孔為爆破振動(dòng)峰值出現(xiàn)部位[1,2]，過深的炮孔將導(dǎo)致掏槽孔裝藥增多，不利于控制爆破振動(dòng)；復(fù)式掏槽雖可以解決掏槽角度限制問題，但需要鉆鑿多排掏槽孔[3]，還需考慮到不同排掏槽孔之間的延期時(shí)間選擇及后響炮孔內(nèi)炸藥的沖擊波減敏現(xiàn)象[4]，這將使整個(gè)鉆爆施工復(fù)雜化且炮孔利用率不高[5]。

空孔直線掏槽則提供了另一種選擇，相較楔形掏槽其循環(huán)進(jìn)尺僅與鉆桿長度和空孔所創(chuàng)造的補(bǔ)償空間有關(guān)[6]。優(yōu)點(diǎn)為爆后巖石塊度均勻，爆堆集中利于鏟裝，方案優(yōu)化完成后炮孔位置和孔內(nèi)起爆雷管段別可持續(xù)沿用不受進(jìn)尺影響，單段最大藥量容易控制等。缺點(diǎn)為鉆孔設(shè)備昂貴、對(duì)鉆孔精度要求較高、對(duì)鉆孔設(shè)備操作人員的素質(zhì)要求較高等。

3 工程數(shù)學(xué)模型

爆破參數(shù)通常是與爆破器材品種、地質(zhì)條件、斷面大小、鉆頭直徑等因素相關(guān)的，業(yè)內(nèi)缺乏公認(rèn)的爆破參數(shù)計(jì)算方法。因施工中地質(zhì)條件多變，通過有限元等方法從微觀上模擬非均質(zhì)巖石較為困難，且有限元軟件也難以在施工一線應(yīng)用普及。因此主要通過宏觀統(tǒng)計(jì)建立的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型來計(jì)算爆破參數(shù)。

3.1 炮孔數(shù)量

工作面上的炮孔數(shù)量可用式(1)、(2)估算[7]

(1)

f=F/107

(2)

式中：N為炮孔總數(shù)；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；F為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；S為隧道爆破斷面面積，m2。

3.2 炸藥單耗

影響炸藥單耗的主要因素有炸藥的品種、巖石性質(zhì)、自由面的數(shù)量等?？砂碢okrovsky提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[8]

q=q1ef1kcons

(3)

式中：q為修正爆破單耗，kg/m3；q1為未修正爆破單耗，取0.1倍的巖石堅(jiān)固性系數(shù)；e為炸藥換算系數(shù)，為TNT爆熱與所用炸藥爆熱的比值；f1為巖石結(jié)構(gòu)系數(shù)，致密巖石取0.8，脆性巖石取1.1，板巖和含細(xì)碎裂隙巖石取1.3，粘性和多孔巖石系數(shù)取2.0；kcons為自由面系數(shù)，只有一個(gè)自由面時(shí)按下式確定

(4)

式中：S為自由面面積，m2。

3.3 底板孔參數(shù)

底板孔在起爆順序中靠后，延期時(shí)間較長。爆破時(shí)有大量巖石覆蓋，因此巖石移動(dòng)的阻力較大，孔距SL和排距BL的計(jì)算方法與其它炮孔不同?？砂聪率接?jì)算[9]

(5)

式中：qe為線裝藥密度，kg/m；PRPANFO為相對(duì)做功能力，為所用炸藥爆熱與ANFO爆熱的比值；f2為系數(shù)，一般取1.45；SL/BL為底板孔炮孔密集系數(shù)，一般為1～2。

3.4 周邊孔和崩落孔參數(shù)

周邊孔因線裝藥密度較低，不耦合系數(shù)大，孔距SP按兩倍的壓縮破壞半徑Rsh確定。崩落孔則為應(yīng)力波和高壓氣體聯(lián)合作用破碎巖石，其孔距SS及排距BS等于破裂破壞半徑Rfr。

壓縮區(qū)和破裂區(qū)半徑可使用Andrievskij提出的經(jīng)驗(yàn)公式[8]

(6)

式中：Rsh為壓縮區(qū)半徑，m；d為炮孔直徑，m；ρ為炸藥密度，kg/m3；D為炸藥爆速，m/s。

(7)

式中：Rfr為裂隙區(qū)半徑，m；dsh為壓縮區(qū)直徑，m；r為炮孔半徑，m；τc為巖石抗剪強(qiáng)度，一般為抗壓強(qiáng)度的0.1～0.4。

3.5 掏槽孔參數(shù)

根據(jù)爆破施工目的和使用的機(jī)具，常見的空孔直線掏槽空孔數(shù)量為1～4個(gè)，5空孔和6空孔的布置方法較為少見[10-13]，為確定空孔直徑與空孔數(shù)量可按下式計(jì)算[14]

(8)

(9)

a=1.5De

(10)

式中：de為空孔直徑，mm；L為理論循環(huán)進(jìn)尺，m；N1為空孔數(shù)量；De為與多個(gè)空孔起到相同作用的單個(gè)空孔等效直徑，mm；a為中心裝藥孔至空孔距離，mm。

4 實(shí)例分析

本項(xiàng)目鉆孔設(shè)備為鐵建重工ZYS113型三臂鑿巖臺(tái)車，鉆孔直徑φ45～140 mm，可滿足炮孔、地質(zhì)探孔、大直徑空孔等鉆鑿要求。爆破所使用炸藥為奧瑞凱Senatel Magnafrac乳化炸藥，周邊孔及與周邊孔相鄰崩落孔所用藥卷規(guī)格為φ32 mm×550 mm×0.5 kg，其余炮孔所用藥卷規(guī)格為φ40 mm×360 mm×0.5kg，炸藥密度1.15 g/cm3，爆速5000 m/s，爆熱2800 kJ/kg?？變?nèi)起爆雷管為奧瑞凱Exel LP高精度抗拉導(dǎo)爆管雷管，雷管段別及延期時(shí)間見表1。

表 1 雷管段別表

孔外連接雷管為奧瑞凱生產(chǎn)的Exel HTD導(dǎo)爆管傳爆雷管，延期時(shí)間有0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四種可選。導(dǎo)爆索規(guī)格為40 g/m，作為光面爆破裝藥使用。

4.1 空孔直線掏槽掏槽爆破

4.1.1 4空孔直線掏槽

T7隧道圍巖為輝長巖，隧道總長1090 m，取樣測(cè)試巖石抗壓強(qiáng)度為97～142 MPa，圍巖等級(jí)大部分為S2～S3級(jí)。根據(jù)使用目的不同現(xiàn)場(chǎng)配備了45 mm、64 mm、102 mm三種尺寸的鉆頭，由進(jìn)尺4.5 m以及公式(8)和(9)可求得空孔直徑為102 mm時(shí)，需使用4個(gè)空孔方能滿足循環(huán)進(jìn)尺4.5 m的需求，此時(shí)掏槽區(qū)域孔位布置見圖1，爆破參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表 2 爆破參數(shù)計(jì)算表

圖 1 4空孔直線掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 1 Layout of burn cut with 4 empty holes section(unit:mm)

結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算得到的爆破參數(shù)微調(diào)后，形成炮孔布置圖2與爆破參數(shù)表3。其中炮孔201個(gè)，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。每循環(huán)鉆孔總延米906.3 m，合計(jì)裝藥量600 kg，單耗1.04 kg/m3。使用0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四種孔外連接雷管將隧道斷面劃分為田字網(wǎng)格區(qū)域，除周邊孔外最大同段炮孔數(shù)量為6個(gè)，最大單段藥量27 kg。

爆后爆堆集中，巖石塊度均勻，最大粒徑在0.9 m以下。經(jīng)213次爆破后綜合統(tǒng)計(jì)，共掘進(jìn)914.8 m，平均每炮進(jìn)尺4.3 m。現(xiàn)場(chǎng)操作中曾因圍巖變?nèi)醵鴮⒀h(huán)進(jìn)尺降低至3.5～4 m，除減少孔深和總裝藥量以外，剩余其它參數(shù)仍保持原方案不變，因此實(shí)際炮孔利用率高于95.6%。

圖 2 全斷面炮孔布置圖(單位：mm)Fig. 2 Holes layout of full section(unit:mm)

表 3 爆破參數(shù)表

4.1.2 6空孔直線掏槽

T10隧道圍巖為輝長巖，隧道總長966 m，取樣測(cè)試巖石抗壓強(qiáng)度為79～107 MPa，圍巖等級(jí)大部分為S2～S3級(jí)。使用公式(8)和(9)可求得空孔直徑為64 mm時(shí)，布置6個(gè)空孔理論循環(huán)進(jìn)尺為4 m，此時(shí)掏槽區(qū)域孔位布置見圖3。

圖 3 6空孔直線掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 3 Layout of burn cut with 6 empty holes section(unit:mm)

結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算得到得爆破參數(shù)微調(diào)后，炮孔186個(gè)，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.2 m×1.2 m、底板孔孔排距1.0 m×0.6 m。鉆孔總延米746.2 m，合計(jì)裝藥量500 kg，單耗0.97 kg/m3。使用9 ms孔外連接雷管以串并聯(lián)連接起爆網(wǎng)絡(luò)，除周邊孔外最大同段炮孔數(shù)量降低至3個(gè)，最大單段藥量12 kg。

爆后爆堆集中，巖石塊度均勻，最大粒徑在0.8 m以下。經(jīng)3次爆破后綜合統(tǒng)計(jì)，共掘進(jìn)11.4 m，平均每炮進(jìn)尺3.8 m，炮孔利用率95.0%。

4.2 楔形掏槽爆破

T7隧道施工初期采用楔形掏槽全斷面爆破方式，設(shè)計(jì)開挖進(jìn)尺4 m。其中炮孔200個(gè)，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。鉆孔總延米816.8 m，合計(jì)裝藥量575kg，單耗1.12 kg/m3。掏槽孔布置如圖4所示。使用孔內(nèi)延期起爆網(wǎng)絡(luò)，除周邊孔外最大同段炮孔數(shù)量為16個(gè)，最大單段藥量為80 kg，最大單段裝藥產(chǎn)生部位為第一排掏槽孔。若在楔形掏槽隧道爆破中使用孔內(nèi)外雙延期方案控制爆破振動(dòng)，則會(huì)將掏槽孔分割為不同段別，破壞了左右兩側(cè)掏槽孔的聯(lián)合拋擲作用，不利于將掏槽中心多達(dá)51 m3的巖石拋出。

爆后部分巖石被拋擲到70～100 m，且最大巖石粒徑達(dá)到了1.8 m。對(duì)掌子面巖石噴漆始終表明，大塊巖石為掏槽中心部位產(chǎn)生。經(jīng)11次爆破后綜合統(tǒng)計(jì)，共掘進(jìn)40.3 m，平均進(jìn)尺3.7 m，炮孔利用率92.5%。

圖 4 楔形掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 4 Layout of wedge cut(unit:mm)

4.3 對(duì)比分析

空孔直線掏槽爆破進(jìn)尺較楔形掏槽爆破提高了0.6 m/循環(huán)，按T7隧道80%長度采用空孔直線掏槽爆破計(jì)算，則減少爆破35次，可提前一個(gè)月完成隧道開挖任務(wù)。同時(shí)也可以節(jié)約炸藥、雷管、鉆孔數(shù)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于鉆桿長度為5 m，現(xiàn)案仍未達(dá)到進(jìn)尺極限，存在0.4 m左右的進(jìn)尺提升空間，因此可以預(yù)計(jì)空孔直線掏槽爆破進(jìn)尺較傳統(tǒng)楔形掏槽爆破的掘進(jìn)效率最大可增加25%。

在獲得同樣循環(huán)進(jìn)尺的情況下，空孔直線掏槽爆破方案較楔形掏槽單段最大藥量可降低85%。對(duì)41～110 m處的燃?xì)夤芫€進(jìn)行了28次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲得的最大爆破振動(dòng)速度為2.86 cm/s，低于燃?xì)夤咎岢龅? cm/s控制指標(biāo)，表明空孔直線掏槽結(jié)合孔內(nèi)外雙延期起爆網(wǎng)絡(luò)在不縮短循環(huán)進(jìn)尺的情況下可有效的降低爆破振動(dòng)。

5 結(jié)論

(1)空孔直線掏槽爆破炮孔均勻分布在隧道斷面上，掏槽區(qū)域炮孔被劃分成5個(gè)延期段別，爆破后巖石塊度小、爆堆集中。

(2)空孔直線掏槽爆破可通過孔內(nèi)外雙延期方案降低最大單段藥量，減小爆破振動(dòng)。在周邊存在被保護(hù)物時(shí)，相較楔形掏槽爆破可獲得更大的循環(huán)進(jìn)尺。

(3)空孔直線掏槽爆破的大進(jìn)尺爆破方案對(duì)小進(jìn)尺向下兼容，減小開挖進(jìn)尺時(shí)只需要減少孔深和裝藥量，其余參數(shù)保持不變。

(4)空孔直線掏槽爆破所設(shè)置的大直徑空孔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硬件情況靈活調(diào)整，通過空孔直徑、空孔數(shù)量與循環(huán)進(jìn)尺的匹配，建立動(dòng)態(tài)的替代方案。