仙峰村隧道圍巖爆破施工工藝及鉆爆分析

王 強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

爆破施工即利用爆破炸藥炸開(kāi)質(zhì)地堅(jiān)硬的巖石區(qū)，是隧道工程的常用施工技術(shù)。普通的爆破難以保證爆破面的平整，容易造成超欠挖問(wèn)題。對(duì)此，可采用光面爆破施工技術(shù)，這種鉆爆技術(shù)雖然可科學(xué)設(shè)置爆破周邊眼、爆破量等相關(guān)參數(shù)，先使爆破沿著周邊眼形成一個(gè)規(guī)則的裂縫，從而使爆破后形成符合設(shè)計(jì)要求的平順輪廓面，減少超欠挖的問(wèn)題[1]，但是這種爆破技術(shù)對(duì)鉆眼的要求非常高。基于此，本工程充分考慮工程場(chǎng)地不同級(jí)別圍巖的實(shí)際特征，設(shè)計(jì)不同的炮眼設(shè)置方案，從而有效提升光面爆破的整體施工效果。

1 工程概況

仙峰村隧道位于新建的興國(guó)到泉州鐵路的寧化—泉州段，屬于閩西南地區(qū)，總線路長(zhǎng)度為298.87 km，在線路XQNQ-6標(biāo)段里遍布較多的隧道工程，共計(jì)9條隧道，均為單線隧道。仙峰村隧道也在其中，隧道為單車(chē)道，隧道斷面5 m×6 m，隧道圍巖包括Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)以及Ⅴ級(jí)圍巖。

從工程地質(zhì)情況來(lái)看，隧址區(qū)上為第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4de+el)粉質(zhì)黏土，本工程主要為地質(zhì)堅(jiān)硬的侏羅系上統(tǒng)下統(tǒng)南園群鵝宅組(Je2)凝灰熔巖，侏羅系上級(jí)圍巖地區(qū)則是非爆破開(kāi)挖施工。

上統(tǒng)下統(tǒng)南園群長(zhǎng)林組(Jc)砂巖，三疊系下統(tǒng)溪口組(Tx)砂灰?guī)r、局部夾灰?guī)r，晚侏羅世(J3N)花崗巖，其中地層多成不整合接觸關(guān)系，個(gè)別地區(qū)巖體破碎(圖1)。結(jié)合工程地質(zhì)的實(shí)際情況以及不同圍巖的特征，本工程的Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖的鉆爆施工均采用光面爆破，其中Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖均采用臺(tái)階法開(kāi)挖，Ⅱ級(jí)圍巖采用全斷面法開(kāi)挖，Ⅴ級(jí)圍巖地區(qū)則是非爆破開(kāi)挖施工。

圖1 仙峰村地質(zhì)剖面圖

2 隧道圍巖鉆爆施工

2.1 光面爆破施工

Ⅳ級(jí)圍巖的鉆爆施工采用的是光面爆破施工。根據(jù)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)放樣布眼，通過(guò)紅油漆標(biāo)出開(kāi)挖面的輪廓以及中線位置和各炮眼位置，再鉆孔施工，按照設(shè)計(jì)的各炮眼位置及尺寸進(jìn)行鉆孔，誤差在3～5 cm以內(nèi)。鉆孔結(jié)束后需要將設(shè)計(jì)好的藥量裝入到炮孔之中，裝藥前先通過(guò)高壓風(fēng)管將炮眼清理吹干凈，之后從上到下裝藥，并以至少30 cm的炮泥封堵炮眼[2]。檢驗(yàn)各炮眼都裝好藥之后，將起爆網(wǎng)絡(luò)連接，確保每個(gè)炮眼中雷管連接的次數(shù)均為相同的，引爆雷管用黑膠布包裹好，檢查網(wǎng)絡(luò)連接沒(méi)有問(wèn)題后，進(jìn)行引爆，完成光面爆破施工，具體施工流程見(jiàn)圖2。鉆爆施工的關(guān)鍵在于炮眼位置、尺寸、藥量等爆破參數(shù)的確定，光面爆破施工前采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試爆及工程類(lèi)比三者結(jié)合確定爆破參數(shù)，以下就針對(duì)不同圍巖作重點(diǎn)探討。

圖2 光面爆破施工流程

2.2 Ⅳ級(jí)圍巖鉆爆

2.2.1 炮眼直徑及深度

2.2.2 炮眼布置

1) 掏 槽 眼

掏槽眼在光面爆破中的作用是使圍巖形成一個(gè)空腔，為后續(xù)的爆破提供一個(gè)平順的臨空面。掏槽眼寬為4 m，排距在0.6 m。掏槽眼采用斜眼掏槽的形式，此種方式鉆孔容易掌握，易于擴(kuò)孔(圖3)。

圖3 復(fù)式斜眼掏槽眼布置(單位：cm)

2) 周 邊 眼

周邊眼的布置需要沿著開(kāi)挖輪廓，炮孔間距E按照公式計(jì)算如下：E=(10～18)d，d取42 m，所以取值范圍在420～756 mm，因Ⅳ級(jí)圍巖較軟弱，可取適中的E為500 mm。

周邊炮眼密集系數(shù)m和最小抵抗線W的理論算式：m=E/W，通常情況下E

3) 內(nèi) 圈 眼

對(duì)于內(nèi)圈眼間距和排距不能小于周邊眼最小抵抗線，工程周邊眼最小抵抗線為80 cm，內(nèi)圈眼間距設(shè)置為100 cm，排距設(shè)置為80 cm。

4) 崩 落 眼

Ⅳ級(jí)圍巖工程崩落眼的間距設(shè)置為120 cm，排距設(shè)置為100 cm，炮眼布置如圖4所示。圖中炮眼旁的數(shù)字為雷管段數(shù)，同一連接線上的雷管段數(shù)相同，周邊眼采用傳爆線傳爆，為間隔裝藥，其余炮眼為連續(xù)裝藥，各炮眼裝藥完成后應(yīng)堵塞炮泥，各炮眼采用非電毫秒雷管，并聯(lián)方式連接，起爆采用電雷管。圖4中序號(hào)1～6為起爆順序。

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖炮眼布置圖(單位：cm)

2.2.3 裝 藥 量

掏槽眼的裝藥量在滿足裝藥長(zhǎng)度需求的基礎(chǔ)上，盡可能多放藥，從而達(dá)到理想的掏槽效果，工程Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)掏槽眼的單孔裝藥量分別為1.53，1.2 kg。周邊眼裝藥量是結(jié)合炮眼的間距、裝藥集中度、最小抵抗線來(lái)考慮[4]，本工程Ⅳ級(jí)圍巖的光面爆破集中度為0.15 kg/m，即每1 m長(zhǎng)的周邊眼爆破孔單眼裝入0.15 kg的藥量，2.5 m深的周邊眼，裝藥為0.375 kg。內(nèi)圈眼采用的是弱松動(dòng)爆破控制，對(duì)于內(nèi)圈眼部分的裝藥量要考慮圍巖堅(jiān)硬情況、炸藥的單耗量、炮眼的長(zhǎng)度[5]，以及內(nèi)圈眼所布置的炮眼數(shù)、排距等，計(jì)算公式為

q=τ·γ·L

(1)

式(1)中：q為內(nèi)圈眼單孔裝藥量，kg；τ為裝藥系數(shù)，Ⅳ級(jí)圍巖的τ取值為0.5；γ為每1 m藥卷所含的炸藥質(zhì)量，kg/m,L為炮孔的深度，m。

2.2.4 裝 藥

除了周邊眼采用的是空氣柱間隔裝藥[6]，其他均為常規(guī)的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。裝藥完成后，通過(guò)炮泥將爆炸孔封堵，對(duì)于周邊眼的封堵深度要在30 cm以上。

圖5 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

2.3 Ⅲ級(jí)圍巖鉆爆

2.3.1 炮眼布置

掏槽眼開(kāi)口為4 m，排距為0.6 m，最小抵抗線為70 cm。周邊眼的炮孔間距為60 cm，采用導(dǎo)爆索串聯(lián)藥卷，并間隔裝藥[7]。內(nèi)圈眼的間距設(shè)置為80 cm、排距設(shè)計(jì)為80 cm。崩落眼布置和內(nèi)圈眼基本相同，采用環(huán)向布置，間距為100 cm，排距為100 cm，炮孔布置如圖6所示。圖6中序號(hào)1～6為起爆順序。

圖6 Ⅲ級(jí)圍巖炮眼布置(單位：cm)

2.3.2 裝 藥 量

Ⅲ級(jí)圍巖鉆爆的裝藥量計(jì)算方法與Ⅳ級(jí)圍巖相同，但是一些涉及圍巖硬度情況的系數(shù)會(huì)有差異，Ⅲ級(jí)圍巖受巖層情況影響的系數(shù)會(huì)略大于Ⅳ級(jí)圍巖[8]。工程Ⅲ級(jí)圍巖的爆破裝藥集中度取0.15 kg/m，3 m深的Ⅲ級(jí)圍巖爆破周邊眼的裝藥量即為0.45 kg。內(nèi)圈眼的裝藥量為1.32 kg，崩落眼的裝藥量為2.16 kg。除了周邊眼采用的是空氣柱間隔裝藥之外，其他均為常規(guī)的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥完成后，全部通過(guò)炮泥將爆炸孔封堵，周邊眼的封堵深度要在30 cm以上。

2.4 Ⅱ級(jí)圍巖鉆爆施工

Ⅱ級(jí)圍巖的質(zhì)地堅(jiān)硬，采用全斷面法。炮眼的深度要比前兩個(gè)圍巖爆破更深，選擇3.5 m，炮眼的直徑也是42 mm。因?yàn)棰蚣?jí)圍巖采用的是全斷面法，斷面比較大，所以起爆的孔數(shù)會(huì)比較多，起爆網(wǎng)絡(luò)的連接也更加繁瑣。采用的是上下掏槽，掏槽眼的開(kāi)口均寬約3 m，排距為0.6 m。周邊眼布置沿著隧道的輪廓，間距為55 cm，最小抵抗線為60 cm。內(nèi)圈眼的間距為80 cm，排距為80 cm，崩落眼環(huán)向布置，間距為100 cm，排距為80 cm。裝藥量計(jì)算方法和上述方法相同，炮眼布置見(jiàn)圖7。圖7中序號(hào)1～6為起爆順序。

圖7 Ⅱ級(jí)圍巖炮眼布置(全斷面法)(單位:cm)

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)與堵塞

采用人工木制炮棍裝藥，正向和連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮眼剩余部分用炮泥堵塞。當(dāng)炮眼深度小于0.6 m時(shí)，禁止裝藥爆破。若遇特殊情況，確需淺眼爆破，需安全總監(jiān)批準(zhǔn)。當(dāng)炮眼深度為0.6～1 m時(shí)，封泥長(zhǎng)度至少為1/2炮眼深度，炮泥用量至少1個(gè)；當(dāng)炮眼深度為1～2.5 m時(shí)，封泥長(zhǎng)度至少為0.5 m，炮泥用量至少為2個(gè)；當(dāng)炮眼深度大于2.5 m時(shí)，封泥長(zhǎng)度至少為1 m,炮泥用量至少為3個(gè)。

3 質(zhì)量控制措施和施工效果

3.1 質(zhì)量控制措施

為確保隧道圍巖爆破質(zhì)量安全，控制超欠挖及確保圍巖穩(wěn)定，需采取以下控制措施：對(duì)周邊眼的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，盡量采取分段間隔裝藥；將周邊眼炮孔齊爆個(gè)數(shù)控制在8～10個(gè)；利用孔內(nèi)外微差對(duì)其余炮孔的齊爆藥量進(jìn)行控制；因光面爆破對(duì)炮眼要求高，難度大，需嚴(yán)格把關(guān)布眼，鉆孔，裝藥到爆破網(wǎng)絡(luò)連接等工序，專(zhuān)人負(fù)責(zé)；需根據(jù)周邊眼分布配置拆卸方便的簡(jiǎn)易拼裝鉆孔臺(tái)架；炮眼深度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行施鉆，裝藥前將孔內(nèi)雜物用水沖凈，光面孔按要求鋪設(shè)在同一布孔面上，鉆孔誤差不大于1°；起爆網(wǎng)絡(luò)連接需由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，需特別做好對(duì)孔外雷管及滯后起爆網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)，避免先爆的飛片對(duì)后面網(wǎng)絡(luò)造成損壞；裝藥、連線完成并檢驗(yàn)合格，人機(jī)撤離后，最后引爆。

3.2 施工效果

仙峰村隧道工程通過(guò)采用以上鉆爆施工技術(shù)，超欠挖經(jīng)利用洞室斷面測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，得出爆破后的圍巖面平整圓順且無(wú)欠挖，整體性好的堅(jiān)硬巖石大于80%，中硬巖石大于70%，軟巖大于50%,滿足炮孔痕跡保留率要求，爆破后圍巖面無(wú)明顯的裂縫和無(wú)粉碎巖石及浮石，炮眼利用率達(dá)到92%。各項(xiàng)子工序以及整項(xiàng)爆破指標(biāo)均檢查合格，在工期內(nèi)完成了施工，在超欠挖方面均得到了理想的控制效果，保證了施工質(zhì)量，其間未出現(xiàn)安全事故及質(zhì)量問(wèn)題，有效完成了爆破施工任務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上，隧道工程為避免超欠挖問(wèn)題，可采用光面爆破施工，能夠得到較為平順的臨空面。工程案例以光面爆破為核心，針對(duì)臺(tái)階法、全斷面法，以及不同圍巖的實(shí)際情況分別制定了針對(duì)性的圍巖爆破施工方法，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，考慮到此類(lèi)圍巖比較軟弱，周邊眼按照10～18 d的取值范圍，選擇適中的50 cm周邊孔間距，內(nèi)圈眼間距為100 cm，崩落眼間距120 cm。裝藥量方面，崩落眼的裝藥量要略大于內(nèi)圈眼和周邊眼。對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖要比Ⅳ級(jí)圍巖適當(dāng)拉近炮眼間距，如內(nèi)圈眼間距為80 cm，崩落眼間距為100 cm，即針對(duì)不同類(lèi)型圍巖設(shè)計(jì)炮眼進(jìn)行爆破施工。施工結(jié)果顯示，本工程滿足炮孔痕跡保留率要求，爆破后圍巖面無(wú)明顯的裂縫和無(wú)粉碎巖石及浮石，驗(yàn)收質(zhì)量合格，取得了顯著的施工效果，可為類(lèi)似工程積累經(jīng)驗(yàn)。