大直徑空孔雙螺旋掏槽在大斷面隧道開挖中的應用*

降世良,劉三軍,王瑋

(連云港明達工程爆破有限公司,江蘇 連云港市 222021)

1 工程概況

沙特NEOM 隧道項目全線共有6條支洞,暗洞全長共8415.27 m,其中4#、5#、6#支洞位于東部山區(qū),圍巖由沉積巖、安山巖、花崗巖、砂巖等一種或多種混合組成,巖石單軸抗壓強度為20～150 MPa。因隧道為向下開挖,所以地質(zhì)條件復雜、圍巖等級變化速率較快。

隧道圍巖支護等級為AD-5E～AD-1級。其中AD-4及以上圍巖采用全斷面爆破開挖法,AD-4設計循環(huán)進尺為1.5 m,AD-3設計循環(huán)進尺為3.0 m,AD-3A 及以上設計循環(huán)進尺為5.0 m,支洞典型斷面為11.52 m(寬)×8.85 m(高),斷面面積為90.47 m2,設計坡比為10.3%。

2 爆破方案的選擇與分析

2.1 施工背景

隧道支洞采用挪威法開挖,掌子面開挖前由施工單位、咨詢及設計單位的地質(zhì)工程師對掌子面圍巖進行地質(zhì)素描,根據(jù)素描結(jié)果計算巖質(zhì)評定系數(shù),然后確定支護類型與下一循環(huán)開挖長度。爆破開挖完成后需要立即掃描開挖斷面超欠挖情況,然后及時進行噴射混凝土支護,待噴射混凝土強度達到1 MPa后(約1.0 h),方可進入掌子面進行下一道工序的施作,圍巖等級低于AD-2 時,要連續(xù)完成初噴、錨桿施作和復噴,工序間環(huán)環(huán)相扣,嚴禁在未完成上道工序前進行下道工序的施作。項目制定的目標循環(huán)時長為17.5～18.5 h,而每月實際有效工作天數(shù)為28 d,因此,只有保證工序間無縫對接才能保證每循環(huán)時長控制在目標時長以內(nèi),以此完成制定的工期目標。

2.2 掏槽方案選擇

隧道開挖掘進時,良好的爆破效果能大大減少超欠挖,節(jié)省掌子面修整時間,并減少一定的噴射混凝支護,所以爆破效果對循環(huán)時長有重大影響。在隧道爆破中掏槽方式的選擇十分重要,直接決定了隧道開挖掘進效率,設計合理的掏槽結(jié)構能大大增加掏槽長度,更好地為后方待爆巖體提供自由面,有效提高炮孔的利用率。項目初始采用四空孔直線掏槽爆破方法,設計循環(huán)進尺為5.0 m,經(jīng)過現(xiàn)場測試統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)該方案平均開挖進尺為4.55 m,炮孔利用率為91.0%。調(diào)查發(fā)現(xiàn),在爆破鉆孔時,掏槽部位的鉆孔精度較差,經(jīng)常出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象。在出渣結(jié)束后觀察掌子面掏槽情況時,發(fā)現(xiàn)掏槽部位的巖體并未完全拋擲,掏槽孔底部石渣經(jīng)過擠壓后形成了再生巖,使得后方巖體自由面不足,導致掏槽效果不佳。另因支洞為向下開挖,圍巖等級和巖石質(zhì)量指標差異性大,所以掏槽孔參數(shù)需要根據(jù)巖體變化及時調(diào)整,無形中增加了部分工作量,且無法保證爆破效果。

螺旋掏槽[1-3]具有成腔效果好,掏槽面積大等優(yōu)點,而雙螺旋掏槽[4]結(jié)構可以看作兩個獨立的掏槽系統(tǒng),可以在單螺旋基礎上更好地提高掏槽成功率,增加掏槽爆破的穩(wěn)定性。根據(jù)前期的觀察和統(tǒng)計結(jié)果,再結(jié)合隧道圍巖情況及炸藥種類等因素,設計出了一種大直徑空孔[5]雙螺旋掏槽結(jié)構,與傳統(tǒng)的楔形掏槽和直眼空孔掏槽相比,爆破效果穩(wěn)定,有利于縮短隧道開挖循環(huán)時長和節(jié)約施工材料。

3 爆破參數(shù)的確定

隧道爆破參數(shù)的選取取決于隧道地質(zhì)條件、斷面大小、循環(huán)進尺、鑿巖條件等因素,掏槽爆破參數(shù)的選取是爆破成功的關鍵[6-8]。大直徑空孔雙螺旋掏槽結(jié)構是利用空孔為附近的掏槽孔提供自由面和補償空間[9-10],待巖體爆破破碎后,在爆破應力和高壓氣體的相互作用下,將破碎的巖石拋擲出槽腔外,為后續(xù)待爆巖體提供更多的自由面,而其他炮孔參數(shù)則可以根據(jù)炮孔作用、部位、裝藥結(jié)構等因素選取。

3.1 炮孔數(shù)量計算

工作面上的炮孔數(shù)量可用式(1)計算[11]。

式中,N為炮孔數(shù)量;q為炸藥單耗;S為開挖斷面面積;a為炮孔裝填系數(shù);d為藥卷直徑。

3.2 炸藥單耗計算

炸藥單耗的主要影響因素有斷面大小、掏槽方式、炸藥品種、裝藥方式及巖體結(jié)構、裂隙和層理的影響系數(shù)等,炸藥單耗可用式(2)估算[12]。

式中,f為巖石堅固性系數(shù),取10;C為藥卷直徑影響系數(shù),取0.95;b為炮孔深度影響系數(shù),取1.1;e為炸藥能量系數(shù),取1.25;ζ為裝藥密度影響系數(shù),取1.05;ω為巖體結(jié)構、裂隙和層理影響系數(shù),取0.8。

3.3 周邊孔參數(shù)計算

隧道輪廓采用光面爆破,裝藥結(jié)構為不耦合間隔裝藥,根據(jù)爆破施工經(jīng)驗,炮孔間距取炮孔直徑的8～18倍,光爆層厚度Wz參照式(3)計算[12-13]。

式中,Ez為炮孔間距;Wz為光爆層厚度;一般Kz值取0.7～1.0,實際施工時按照巖石種類進行選取。

在爆破施工中預先按照一定的炮眼間距進行試驗,并根據(jù)光面爆破效果進行逐步調(diào)整,經(jīng)驗值參數(shù)見表1。

表1 光面爆破參數(shù)值

3.4 崩落孔及底板參數(shù)計算

崩落孔的主要作用是爆落掌子面的大部分巖體,應均勻地分布在掏槽孔四周,掏槽孔爆破后為崩落孔爆破提供了充足的自由面,巖體夾制作用大大減小。崩落孔的最小抵抗線及孔間距可參照式(4)和式(5)計算[12]。

式中,Wb為崩落孔的最小抵抗線,mm;D為炮孔直徑,mm;Eb為崩落孔孔間距,mm;mb為炮孔密集系數(shù)系數(shù),取0.8～1.2,掏槽部位兩側(cè)取小值,拱頂部位取大值。

輔助掏槽孔和崩落孔爆破后,部分巖體堆積在底板上,增加了底板孔的爆破荷載和移動阻力,為保證底板爆破效果,便于出渣和修整,底板孔布置可參照崩落孔參數(shù)并適當加密。

3.5 雙螺旋掏槽孔參數(shù)計算

在隧道掏槽爆破中,大直徑空孔為首響爆破孔提供自由面,設計和施工時根據(jù)現(xiàn)場鑿巖機具條件選取空孔直徑,在不具備條件時,可采用多個小直徑空孔代替,空孔直徑與空孔數(shù)量可按式(6)和式(7)計算[14]。

式中,de為空孔直徑,mm;L為理論循環(huán)進尺,m;N1為空孔數(shù)量;De為與多個空孔起到相同作用的單個空孔等效直徑,mm。

首響爆破孔與空孔之間的距離可根據(jù)破碎巖石膨脹系數(shù)確定,首響裝藥孔中心與空孔中心的間距a可由式(8)計算[15-16]。

式中,r為首響孔半徑,m;R為中空孔半徑,m;h為裝藥系數(shù),即裝藥長度與炮眼長度之比;K為巖石膨脹系數(shù),可參照表2選取。

表2 巖石膨脹系數(shù)K 的取值

掏槽部位裝藥孔的間距可根據(jù)巖石可爆性、巖層裂隙及層理[17]情況進行設計,間距可參照式(9)和式(10)計算。在微差爆破作業(yè)中還應考慮乳化炸藥受到先響炮孔產(chǎn)生的沖擊波或應力波作用,發(fā)生爆轟性能下降,出現(xiàn)殘藥或拒爆的因素[18]。

式中,a為首響炮孔與空孔的距離,mm;b為首響炮孔與同一螺旋方向第二個爆破孔間的距離,mm;c為同一螺旋方向第二個爆破孔與第三個爆破孔間的距離,mm。

4 實例分析

沙特NEOM 隧道4#支洞采用全斷面爆破開挖法,鉆孔采用全電腦三臂鑿巖臺車,典型的爆破開挖圍巖等級為AD-3A,爆破設計采用3×Ф127 mm 空孔雙螺旋掏槽爆破方案,炮孔直徑為45 mm,設計進尺5.0 m,炸藥采用沙特化工(SC)生產(chǎn)的Kemulex乳化炸藥,藥卷規(guī)格為40 mm×550 mm(500 g)和32 mm×550 mm(500 g),導爆索規(guī)格為40 g/m,炸藥密度為1.05 g/cm3,爆速為5500 cm/s,孔內(nèi)雷管采用高精度導爆管雷管。

4.1 爆破參數(shù)計算

4.1.1 炮孔數(shù)量

按照式(1)計算得出炮孔數(shù)量N=152個,設計時可參照計算結(jié)果作適當調(diào)整。

4.1.2 爆破炸藥單耗

按照式(2)計算得出爆破炸藥單耗q=1.32 kg/m3。

4.1.3 掏槽孔參數(shù)

4#支洞的巖體主要為安山巖,節(jié)理裂隙比較發(fā)育,裂隙中常伴有泥質(zhì)填充物,巖石質(zhì)量指標為55%～85%,按照式(6)和式(7)計算得出的結(jié)果,可采用1個直徑為256 mm 的空孔作為首爆孔的自由面和補償空間,但現(xiàn)場最大尺寸鉆頭直徑為127 mm,故設計采用3個直徑為127 mm 的空孔,測試表明,可滿足5.0 m 進尺的爆破需求。

按照式(8)計算,炮孔直徑r為45 mm,巖石膨脹系數(shù)K取1.66,得出首響炮孔與空孔的距離a=0.26 m,取a=0.25 m。

按照式(9)和式(10)計算,并考慮裂隙較為豐富巖層可能發(fā)生乳化藥卷受壓鈍化或壓力減敏效應的因素,通過多次爆破測試,取b=2a=0.50 m,c=1.3b=0.65 m,雙螺旋掏槽孔布置參數(shù)如圖1所示。

圖1 雙螺旋掏槽孔布置(單位:m)

擴槽孔須均勻布置在掏槽孔與崩落孔之間,相鄰裝藥孔之間要保持適當間距,防止先響炮孔產(chǎn)生的高壓氣體對后響炮孔內(nèi)的藥卷造成擠壓、鈍化或失效。

4.1.4 崩落孔和底板孔參數(shù)

按照式(4)和式(5)計算得出崩落孔最小抵抗線為Wb=1.03 m,取炮孔密集系數(shù)mb=0.8～1.0,計算后取斷面中下部崩落孔孔間距為0.95 m,拱部崩落孔孔間距為1.2 m;二圈眼孔距為1.0 m;底板孔參照崩落孔進行了適當加密,排距和孔距分別為0.9 m、0.8 m,二臺孔排距與孔距分別為0.85 m、1.1 m。

4.1.5 周邊孔參數(shù)

周邊孔設計外插角為2.3°,根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件,并結(jié)合施工經(jīng)驗取周邊孔孔距Ez為0.6 m,炮孔密集系數(shù)Kz取0.8,按照式(3)計算得出光爆層厚度Wz=0.75 m,考慮到周邊孔及內(nèi)圈孔外插角度,實際孔口光爆層厚度取0.65 m。

4.2 炮孔布置及相關參數(shù)

施工中多次調(diào)整爆破參數(shù)[19-20],最終爆破炮孔布置如圖2所示;總鉆孔延米為771.8 m,裝藥量為597.88 kg,炸藥單耗為1.32 kg/m3,炮孔及裝藥參數(shù)見表3。

圖2 全斷面炮孔布置(單位:m)

4.3 不同類型炮孔裝藥結(jié)構

掏槽孔采用直徑40 mm 的藥卷連續(xù)不耦合裝藥,為降低爆破炸藥單耗,崩落孔及底板孔采用直徑為40 mm、32 mm 的藥卷混合裝藥,線裝藥密度為0.97 kg/m,周邊孔采用直徑32 mm 的藥卷+40 g/m 的導爆索,線裝藥密度為0.20 kg/m。為減少拱腳段的爆破超挖,兩側(cè)拱腳采用直徑為32 mm 的藥卷+40 g/m 的導爆索不耦合間隔裝藥,線裝藥密度為0.40 kg/m,裝藥結(jié)構如圖3所示。

圖3 不同類型的炮孔裝藥結(jié)構

5 爆破效果對比

在大斷面隧道爆破施工中,楔形掏槽受限于鑿巖設備的有效鉆孔長度,最大設計循環(huán)進尺為4.5 m,而且實際炮孔利用率大多數(shù)在90%～95%之間,實際爆破單耗大于設計單耗;項目前期采用的4空孔直眼掏槽結(jié)構,掏槽效率偏低,掏槽成功率不穩(wěn)定,爆破進尺不理想。采用新設計方案后,爆堆集中,塊度均勻,單循環(huán)最大進尺為5.0 m,最短循環(huán)時長為16.5 h,單月最大掘進進尺161.8 m,經(jīng)過85個循環(huán)施工和統(tǒng)計,共掘進413.1 m,平均進尺4.86 m,光面爆破效果良好,殘眼率達88%～93%,輪廓超欠挖控制在合理范圍內(nèi),符合設計要求。比較前期采用的4空孔直眼掏槽平均進尺提高了0.31 m,大大縮短了鑿巖時間,進一步提升了爆破掘進效率。

6 結(jié)論

(1) 大直徑空孔雙螺旋掏槽結(jié)構可以看作兩個相對獨立的掏槽體系,比傳統(tǒng)的楔形掏槽和4空孔直眼掏槽掏槽成功率高、更穩(wěn)定,且爆破成腔效果好、掏槽面積更大。

(2) 根據(jù)炮孔不同部位、作用及裝藥結(jié)構設計合理的爆破參數(shù),既可以減少爆破器材的消耗和改善爆破效果,也可增加爆破進尺,提高掘進效率,還可以節(jié)約循環(huán)作業(yè)時間和施工成本。

(3) 大直徑空孔雙螺旋掏槽方法的適用性強。實踐表明,此方法適用于各種類型的巖體爆破,巖石質(zhì)量等級變化時只需調(diào)整鉆孔深度和裝藥長度。由此可建立動態(tài)爆破設計方案,以滿足施工需求。