鐵路隧道空孔直線掏槽爆破方案優(yōu)化研究及應(yīng)用*

宋森森,霍潤(rùn)科

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,西安 710055;2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710055)

由于鉆爆法具有高效、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外隧道開挖的主要施工方法[1]。然而在施工過程中往往受到施工條件限制、工程地質(zhì)影響以及多采用常規(guī)爆破方法等原因,造成爆后超欠挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2-4],作業(yè)環(huán)境差等問題,既不利于施工安全和圍巖穩(wěn)定,又在一定程度上影響工程進(jìn)度。因此,為進(jìn)一步提高爆破效果、降低施工成本以及改善作業(yè)環(huán)境,爆破方案的實(shí)時(shí)優(yōu)化對(duì)鐵路隧道鉆爆法施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于爆破參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化,眾多學(xué)者通過多種方法開展了大量的應(yīng)用及技術(shù)探索。張萬志等依托寨山隧道全斷面開挖[5],從擴(kuò)展掏槽腔體積與炸藥單耗、爆破破巖負(fù)擔(dān)體積不同的角度對(duì)掏槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明爆后掌子面光滑平整。于飛飛等與徐幫樹等以蟠龍山隧道為工程背景[6,7],針對(duì)鉆爆掘進(jìn)開挖超挖嚴(yán)重的問題,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)和機(jī)理分析優(yōu)化了爆破參數(shù)與炮孔布置,發(fā)現(xiàn)采用爆破優(yōu)化參數(shù)的洞室開挖成型效果更好。張繼春等在分析原常規(guī)爆破方案存在問題的基礎(chǔ)上[8],對(duì)其爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提出了適用于隧道圍巖的光面爆破方案。劉國(guó)強(qiáng)等采用有限元軟件模擬了抵抗線大小、周邊孔間距及線裝藥密度等爆破參數(shù)對(duì)爆破效果的影響[9],通過分析不同爆破參數(shù)下的圍巖損傷厚度與等效應(yīng)力,提出一種爆破優(yōu)化方案并應(yīng)用于工程,以提高爆后的成型質(zhì)量。

由于空孔直線掏槽具有炮孔布設(shè)少、能充分利用自由面以提高爆破效果的特點(diǎn),但其爆破效果受到眾多參數(shù)的影響,且目前針對(duì)鐵路隧道爆破參數(shù)的選取及優(yōu)化研究相對(duì)較少。在原有爆破方案的基礎(chǔ)上,合理選取爆破參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到較好的爆破效果,是當(dāng)前工程施工中亟待解決的問題,因此有必要開展爆破方案的優(yōu)化研究。論文依托某在建隧道工程,根據(jù)其圍巖特性,通過分析計(jì)算對(duì)原方案的炮孔爆破參數(shù)、掏槽孔布置形式以及裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化,總結(jié)得出適用于本工程的爆破優(yōu)化方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn),優(yōu)化方案表現(xiàn)出較好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果,研究成果對(duì)今后鐵路隧道爆破設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

1 工程概況

某鐵路隧道進(jìn)口平行導(dǎo)坑PDK773+255～320段,設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí),整體較完整,取樣測(cè)試巖石抗壓強(qiáng)度為97～142 MPa。支護(hù)類型為噴錨襯砌,開挖斷面尺寸為6.5 m(寬)×6.5 m(高),斷面面積44.5 m2,如圖1所示。區(qū)域地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示該工程基巖地層主要為石灰?guī)r、白云巖、砂巖、礫巖夾泥巖、白云巖夾泥巖、砂巖夾礫巖。同時(shí)在區(qū)域構(gòu)造的影響下,測(cè)區(qū)分支構(gòu)造極其發(fā)育。地下水較發(fā)育,并且補(bǔ)徑排條件受地下含水系統(tǒng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌及自然氣候條件影響,控制隧址區(qū)各含水巖組內(nèi)地下水形成、富集及循環(huán)特征。

圖1 隧道斷面示意圖(單位:cm)Fig. 1 Tunnel section diagram(unit:cm)

2 原爆破方案及其效果分析

2.1 原爆破方案設(shè)計(jì)

原方案在PDK773+255～284試驗(yàn)段按照全斷面法爆破開挖,采用中空孔直眼掏槽方式,設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺3 m,每循環(huán)炮孔158個(gè),其中直徑80 mm的空孔8個(gè),其余炮孔共計(jì)150個(gè),直徑均為42 mm。合計(jì)裝藥量216 kg,炸藥單耗1.6 kg/m3。各炮孔均采用連續(xù)裝藥形式,尾部采用錨固劑堵塞。所用炸藥為2#巖石乳化炸藥,藥卷規(guī)格均為φ32 mm×300 mm×0.3 kg,使用孔內(nèi)非電毫秒雷管延期起爆網(wǎng)路,起爆順序從斷面中心向外逐段起爆,原方案炮孔布置如圖2所示。

圖2 原方案炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 2 Blasthole layout of the original scheme(unit:cm)

2.2 設(shè)計(jì)存在的問題

(1)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果表明雖能達(dá)到預(yù)計(jì)進(jìn)尺,但是爆后掌子面表面凹凸不平,超欠挖現(xiàn)象較為嚴(yán)重。經(jīng)分析單循環(huán)爆破的超挖均值為0.2～0.4 m,最大達(dá)0.5 m以上,同時(shí)也存在局部欠挖現(xiàn)象,最大欠挖在0.3 m左右。爆后在開挖輪廓面上周邊孔痕跡保存率不足80%,爆后整體效果如圖3所示。

圖3 原方案爆后效果圖Fig. 3 Post-blast effect of original scheme

(2)原破方案沿用傳統(tǒng)式保守設(shè)計(jì),炸藥用量大,單耗量較高。將斷面中心部位設(shè)置8個(gè)大直徑中空孔配合裝藥炮孔作為主掏槽區(qū),不僅增加了工作量,而且對(duì)圍巖的損傷較大。同時(shí)導(dǎo)致掌子面中間部位爆后巖石拋擲距離較大,且塊度不均勻,爆堆較為分散,不利于清渣運(yùn)輸。

(3)由于炮孔采用傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu),孔口部位用炮泥堵塞,使得爆破過程中產(chǎn)生大量的粉塵和有害氣體,從而導(dǎo)致每循環(huán)的通風(fēng)時(shí)間增加,不僅增加了施工費(fèi)用,還會(huì)對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生影響。

3 爆破方案優(yōu)化

基于上述問題,為實(shí)現(xiàn)安全高效施工,亟需對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化。下文將主要從參數(shù)設(shè)計(jì)、掏槽孔布置形式、裝藥結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行優(yōu)化分析研究,確定出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的爆破設(shè)計(jì)方案。

3.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 炸藥單耗

依據(jù)Pokrovsky提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算炸藥單耗q[10]

q=qakfe

(1)

式中:qa為未修正炸藥單耗,kg/m3,取0.1倍的巖石堅(jiān)固性系數(shù);k為自由面系數(shù);f為巖石結(jié)構(gòu)系數(shù);e為炸藥的換算系數(shù)。計(jì)算得到q=1.2 kg/m3。

3.1.2 炮孔數(shù)量

工作面上的炮孔數(shù)量N1用式(2)進(jìn)行估算[11]

(2)

式中:S為隧道斷面面積,m2;α為裝藥系數(shù);γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量,kg/m。計(jì)算得到N1=118.4個(gè),取N1=119個(gè)。

3.1.3 崩落孔參數(shù)

崩落孔位于掏槽孔外圍,周圍巖體破壞是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果,其孔距Lbk及排距Lbp可取裂隙區(qū)半徑。裂隙區(qū)半徑R用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[12]

(3)

式中:d為炮孔直徑,m;ρ0為炸藥密度,kg/m3;D為炸藥爆速,m/s;σc、τc分別為巖石的極限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,Pa。計(jì)算得到R=71.7 cm,為方便施工,取R=70 cm。因此,崩落孔孔距及排距為70 cm。

3.1.4 周邊孔與底板孔參數(shù)

周邊孔的線裝藥密度一般較低,布置在開挖邊界上,其孔距Lzk可按式(4)確定

Lzk=(8～18)d

(4)

經(jīng)計(jì)算,Lzk=50.4 cm,取Lzk=50 cm。同時(shí)周邊孔還應(yīng)按照3.3%的外插角向外進(jìn)行設(shè)置,以期達(dá)到較好的超欠挖控制效果[13]。

底板孔位于開挖斷面的底部,在爆破時(shí)有大量巖石覆蓋,所受到的移動(dòng)阻力較大,因此應(yīng)較周邊孔適當(dāng)加大其裝藥量[14]。結(jié)合巖石爆破過程中形成的裂隙區(qū)半徑R,將底板孔孔距取70 cm。

3.2 掏槽孔參數(shù)與布置

原方案采用中空孔直眼掏槽技術(shù),充分利用大直徑中空孔的空孔效應(yīng)[15],但在實(shí)際應(yīng)用中的爆破效果較差,現(xiàn)對(duì)掏槽孔的布置進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)CYT15-3型鑿巖機(jī)和鉆頭直徑情況,空孔直徑仍選用80 mm,按式(5)計(jì)算中空孔的數(shù)量N2[16]

(5)

式中:L為循環(huán)進(jìn)尺,m;dk為空孔直徑,mm。

經(jīng)計(jì)算,1.3個(gè)空孔方能滿足3 m循環(huán)進(jìn)尺的需求。結(jié)合原方案的施工經(jīng)驗(yàn),在掌子面中部仍設(shè)兩組掏槽孔,每組設(shè)一個(gè)中空孔。當(dāng)隧道斷面寬度較小時(shí),裝藥最優(yōu)抵抗線b可按經(jīng)驗(yàn)公式(6)確定[17]

(6)

式中:dz為裝藥直徑,cm;B為自由面寬度,cm;ρs為巖石容重,g/cm3;e為炸藥爆力校正系數(shù)。

根據(jù)式(6)計(jì)算內(nèi)圈掏槽孔與大直徑中空孔間的距離b1,爆后為外圈掏槽孔爆破提供更好的自由面。本方案仍采用2#巖石乳化炸藥,經(jīng)計(jì)算,b1=20.1 cm,取b1=20 cm。在內(nèi)圈掏槽孔爆后形成的槽腔寬度b′=2×20+4.2=44.2 cm,將其作為外圈掏槽孔的自由面,同理代入式(6)計(jì)算,b2=36.2 cm,取b2=36 cm。綜合上述計(jì)算,經(jīng)調(diào)整后掏槽孔布置與施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如4圖所示。

圖4 掏槽孔布置與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖(單位:mm)Fig. 4 Cutting hole layout and field operation drawing(unit:mm)

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

采用水封光面爆破技術(shù),將原方案裝藥結(jié)構(gòu)孔口部位的炮泥堵塞改為水袋堵塞。在防止能量損失的同時(shí),利用水的不可壓縮性,水袋中的水在巖石中產(chǎn)生“水楔”效應(yīng),可進(jìn)一步破碎巖石,提高炸藥能量的利用率。同時(shí)在爆破過程中所產(chǎn)生的水霧起到很好的降塵作用,改善施工環(huán)境,減少通風(fēng)時(shí)間[18]。另外,為避免周邊孔裝藥集中于孔底,采用藥卷與水袋間隔填裝的結(jié)構(gòu)形式,在一定程度上減弱孔底的爆破作用,達(dá)到控制超欠挖、減弱圍巖破裂與損傷的目的。除周邊孔之外的其他裝藥炮孔均采用連續(xù)裝藥形式,所有炮孔采用導(dǎo)爆管傳爆,起爆雷管裝在炸藥底部反向起爆,裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)Fig. 5 Chart of charge structure(unit:cm)

基于上述初步設(shè)計(jì)計(jì)算,將計(jì)算得到的參數(shù)結(jié)合實(shí)際情況與施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行微調(diào)后,進(jìn)行具體的細(xì)化工作,形成爆破參數(shù)表與炮孔布置圖,如表1和圖6、圖7所示。

圖6 優(yōu)化方案炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 6 Optimization scheme blasthole layout(unit:cm)

圖7 A-A剖面炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 7 A-A section borehole layout diagram(unit:cm)

4 應(yīng)用效果分析

4.1 技術(shù)效果分析

采用上述方案在PDK773+285～315段連續(xù)進(jìn)行10個(gè)循環(huán)爆破試驗(yàn),爆后效果如圖8所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)2.8～2.9 m,開挖輪廓面上周邊孔痕跡保存率達(dá)85%以上。周邊孔孔底大多位于開挖邊界外0.1～0.25 m,平均線性超挖均值由原來的0.2～0.4 m降低到0.15 m以內(nèi),基本沒有出現(xiàn)欠挖部位,圍巖超欠挖的現(xiàn)象得到了有效控制。爆后掌子面平整光滑,未出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象,且爆破循環(huán)之間未出現(xiàn)明顯“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象,減少了清理掌子面的時(shí)間,也為下一循環(huán)的爆破工作創(chuàng)造了較好的條件。同時(shí)爆出來的巖塊較為均勻,有利于裝碴運(yùn)輸,較原方案表現(xiàn)出了良好的技術(shù)效果。

圖8 爆破效果圖Fig. 8 Post-blast effect diagram

4.2 經(jīng)濟(jì)效果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),兩方案每循環(huán)的技術(shù)參數(shù)、工序時(shí)間及費(fèi)用對(duì)比表,如表2、表3與表4所示。

表2 技術(shù)參數(shù)對(duì)比表Table 2 Technical parameter comparison table

表3 工序時(shí)間對(duì)比表Table 3 Process time comparison table

表4 費(fèi)用對(duì)比表Table 4 Cost comparison table

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得出,在設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺相同的情況下,優(yōu)化方案較原方案炮孔數(shù)量減少37個(gè),炸藥消耗量減少約23%,從而使得每循環(huán)的施工作業(yè)用時(shí)與費(fèi)用均有不同程度地降低。原方案每循環(huán)作業(yè)完成合計(jì)時(shí)長(zhǎng)為8.5 h,優(yōu)化方案合計(jì)時(shí)長(zhǎng)為7.4 h,其中測(cè)量放樣、排險(xiǎn)及裝藥爆破的工序時(shí)間基本一致,炮孔鑿鉆與出碴的工序時(shí)間均有降低。另外,由于裝藥結(jié)構(gòu)采用水袋堵塞,水袋中的水能很好地吸收爆轟產(chǎn)物中的有害氣體和粉塵,從而保證施工作業(yè)人員的身體健康,對(duì)于小斷面隧道施工尤為重要,同時(shí)也可減少通風(fēng)時(shí)間0.3 h。在費(fèi)用方面,原方案每循環(huán)作業(yè)合計(jì)成本約0.495萬元,優(yōu)化方案合計(jì)成本約0.415萬元,較原方案每循環(huán)可減少費(fèi)用約0.08萬元?？梢?優(yōu)化方案在提升工效、節(jié)約成本方面較原方案有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

結(jié)合某鐵路隧道平行導(dǎo)坑工程,對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化分析,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明采用優(yōu)化后的爆破施工方案后,取得了較好的爆破效果。具體結(jié)論如下:

(1)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)爆破參數(shù)與掏槽孔的布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,使其更能合理利用自由面,提高炸藥能量的利用率。爆后掌子面平整光滑,未出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象,且爆破循環(huán)間未出現(xiàn)明顯“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象,平均線性超挖均值由原來的0.2～0.4 m降低到0.15 m以內(nèi),基本沒有出現(xiàn)欠挖部位,有效控制了圍巖超欠挖的現(xiàn)象。

(2)結(jié)合水封光面爆破技術(shù),裝藥炮孔孔口部位用水袋堵塞,周邊孔采用藥卷與水袋間隔填裝的結(jié)構(gòu)形式,施工工藝較為簡(jiǎn)單。在保證圍巖穩(wěn)定的同時(shí),使得隧道內(nèi)的施工環(huán)境得到大大改善,從而保證了施工作業(yè)人員的身體健康,也可減少通風(fēng)時(shí)間0.3 h。

(3)對(duì)比原爆破方案,優(yōu)化后的方案炮孔數(shù)量、炸藥用量以及炸藥單耗均有所減少。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,每循環(huán)可減少施工用時(shí)1.1 h,節(jié)約成本約0.08萬元,有著明顯的技術(shù)效果與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

(4)基于現(xiàn)有的優(yōu)化方案,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備及工程地質(zhì)情況對(duì)空孔進(jìn)行靈活調(diào)整,通過空孔的數(shù)量、直徑與循環(huán)進(jìn)尺的匹配,建立動(dòng)態(tài)的爆破參數(shù),從而達(dá)到進(jìn)一步提升工效,節(jié)約成本的目的。