西康高鐵秦嶺太興山隧道鑿巖臺(tái)車鉆爆試驗(yàn)研究

馮海潮 黃智勇 程宏生 陶永寶 傅洪賢 許華威 管曉明

1.中鐵三局集團(tuán)橋隧工程有限公司， 成都 610083； 2.西成鐵路客運(yùn)專線陜西有限責(zé)任公司， 西安 710043；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京100044； 4.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033

1 鑿巖臺(tái)車應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用歷程

1979年修建衡陽(yáng)—廣州復(fù)線大瑤山隧道時(shí)進(jìn)口了一批大型施工機(jī)械。首次采用進(jìn)口的四臂全液壓鑿巖臺(tái)車進(jìn)行直眼掏槽鉆孔，實(shí)現(xiàn)了全斷面一次成型爆破［1］。隨后在大同—秦皇島鐵路軍都山隧道推廣。90年代末進(jìn)口設(shè)備逐漸老化，維修保養(yǎng)成本較大［2］。由于國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力充足，又開始使用手風(fēng)鉆鉆孔，研制了簡(jiǎn)易臺(tái)架。采用手風(fēng)鉆和簡(jiǎn)易臺(tái)架進(jìn)行隧道鉆孔爆破，施工效率大大提高［3］。2000年國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車問世，2015年后進(jìn)入快速發(fā)展階段。隧道鑿巖臺(tái)車一般配置3個(gè)鉆臂，也有配置2個(gè)或4個(gè)的，配置5個(gè)的罕見。

1.2 存在的問題

1）鑿巖臺(tái)車專業(yè)司鉆人員缺乏。司鉆人員均需專門培訓(xùn)并具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能勝任，但目前此類培訓(xùn)甚少。主要原因是沒有大規(guī)模應(yīng)用鑿巖臺(tái)車。

2）技術(shù)水平一般的司鉆人員采用鑿巖臺(tái)車鉆孔爆破時(shí)平均線性超挖量大，一般在35 ～ 45 cm。即便技術(shù)水平高的司鉆人員鉆孔，平均線性超挖量也在13 ～ 18 cm，基本上是手風(fēng)鉆的2倍。超挖部分須要采用噴射混凝土補(bǔ)充，開挖成本高。

3）現(xiàn)場(chǎng)使用的炸藥藥卷直徑與鑿巖臺(tái)車鉆孔直徑不匹配，每立方米巖石消耗的炸藥量比手風(fēng)鉆鉆孔爆破時(shí)高很多。如隧道同等圍巖條件下，采用鑿巖臺(tái)車和采用手風(fēng)鉆鉆孔爆破時(shí)消耗的炸藥量分別為1.02、0.64 kg/m3［4］。

針對(duì)以上問題，選取西康高速鐵路秦嶺太興山隧道左洞進(jìn)口Ⅲ級(jí)圍巖段（DK23 + 075—DK23 + 155）進(jìn)行鑿巖臺(tái)車鉆爆法試驗(yàn)，提出鑿巖臺(tái)車的超挖控制技術(shù)措施，明確合理的炸藥藥卷直徑。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 工程概況

秦嶺太興山隧道為單線雙洞隧道，左洞、右洞長(zhǎng)度分別為16.906 、16.923 km，左右洞間距最大71 m，洞口段線間距18 m。隧道Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖總長(zhǎng)度分別為15.120、16.430、3.268、0.905 km，所占比例分別為42%、46%、9%、3%［5］。隧道圍巖主要為混合花崗巖、混合片麻巖等。礦物成分以石英、長(zhǎng)石、角閃石和云母為主。

2.2 鑿巖臺(tái)車改造

鑿巖臺(tái)車采用JTH3200三臂鑿巖臺(tái)車，整個(gè)臺(tái)車的外形尺寸為17.1 m（長(zhǎng)） × 3.1 m（寬） × 4.2 m（高），推進(jìn)梁長(zhǎng)度為7.1 m。由于單線隧道跨度為10.8 m，鉆周邊孔時(shí)外插角大，并且鉆掏槽孔時(shí)空間受到限制，鉆孔最深3.5 m，不能滿足快速施工要求。因此，把兩側(cè)的機(jī)械臂長(zhǎng)度縮短至6.1 m。改造后鑿巖臺(tái)車鉆周邊孔時(shí)外插角較小，鉆孔深度可達(dá)4.0 m。

2.3 精準(zhǔn)鉆孔措施

掏槽孔的爆破效果對(duì)后續(xù)孔影響非常大，進(jìn)而影響到爆破進(jìn)尺。隧道超挖和欠挖量主要取決于周邊孔的爆破效果。因此，掏槽孔和周邊孔的鉆孔精度至關(guān)重要。

為了確保鉆孔精度，主要采取如下措施：

1）鉆孔前在掌子面用紅油漆準(zhǔn)確勾畫出隧道中心線、拱腳線和周邊輪廓線，標(biāo)出掏槽孔、周邊孔、輔助孔等炮孔的位置和間距。

2）按照掏槽孔、周邊孔、輔助孔的順序鉆孔。為了確保掏槽孔爆破效果和周邊孔爆破時(shí)超挖量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，鉆孔時(shí)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)間距、深度和角度進(jìn)行。其中，掏槽孔、輔助孔開孔位置誤差分別為不大于5 cm、不大于10 cm，周邊孔開孔位置從輪廓線向內(nèi)移5 cm，孔底不超出開挖輪廓線15 cm。

3）由于鑿巖臺(tái)車操作室距掌子面較遠(yuǎn)，為確保鉆孔精度，掌子面配置1名人員引導(dǎo)鉆掏槽孔和周邊孔。

2.4 爆破參數(shù)的確定

在確保鉆孔精度條件下，鑿巖臺(tái)車鉆爆效果主要取決于各類炮孔起爆順序、起爆時(shí)間和掏槽形式。

采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行光面爆破時(shí)，按照掏槽孔、輔助孔、內(nèi)圈孔、周邊孔和底板孔的順序依次起爆。

電子雷管出廠時(shí)沒有設(shè)置起爆時(shí)間，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況確定。為了裝藥方便，把電子雷管的起爆時(shí)間設(shè)置為導(dǎo)爆管雷管奇數(shù)段位（MS1、MS3、…、MS17）的起爆時(shí)間。

由于直孔掏槽對(duì)鉆孔精度要求較高，不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行隧道爆破時(shí)，大部分采用斜孔掏槽。因此，試驗(yàn)段采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行斜孔掏槽?；谠撍淼劳葒鷰r級(jí)別地段手風(fēng)鉆鉆孔爆破施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)循環(huán)的鑿巖臺(tái)車鉆爆試驗(yàn)，最終確定掏槽形式為兩級(jí)斜孔掏槽。

炮孔布置和起爆順序見圖1。隧道各類炮孔爆破參數(shù)見表1。一共鉆149個(gè)炮孔，裝藥總量為257 kg。

表1 隧道各類炮孔爆破參數(shù)

圖1 炮孔布置和起爆順序（單位：cm）

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

Ⅲ級(jí)圍巖整體性較好，在3個(gè)循環(huán)爆破試驗(yàn)后，周邊孔炮痕保留率在90%以上。其中一個(gè)循環(huán)爆破后斷面線性超挖量在3.3 ～ 46.2 cm，平均線性超挖量?jī)H19.9 cm。

由于現(xiàn)場(chǎng)藥卷直徑一般為32 ～ 35 mm，該直徑與手風(fēng)鉆鉆孔直徑40 mm匹配，與鑿巖臺(tái)車炮孔直徑50 mm不匹配，掏槽孔爆破效果不理想。根據(jù)手風(fēng)鉆鉆孔直徑與藥卷直徑的匹配關(guān)系，與鑿巖臺(tái)車配套的藥卷直徑宜在40 ～ 45 mm取值。

由于所使用的鑿巖臺(tái)車有兩個(gè)工作平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)最多能允許2人裝藥，裝藥爆破時(shí)間在150 min左右。為了縮短施工時(shí)間，采用簡(jiǎn)易臺(tái)車配合鑿巖臺(tái)車進(jìn)行爆破掘進(jìn)作業(yè)，裝藥和連線一般需要8人。按照試驗(yàn)方案和參數(shù)完成了剩余的試驗(yàn)段。試驗(yàn)段爆破施工進(jìn)尺在3.4 ～ 3.6 m，鉆孔平均用時(shí)224 min，裝藥、爆破平均用時(shí)90 min，鉆爆施工用時(shí)314 min。

3 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)周邊孔外插角大和掏槽孔深度受限問題，將鑿巖臺(tái)車兩側(cè)機(jī)械臂長(zhǎng)度由7.1 m縮短至6.1 m。改造后鑿巖臺(tái)車鉆周邊孔時(shí)外插角較小，鉆孔深度可達(dá)4.0 m。

2）掏槽孔和周邊孔的鉆孔精度對(duì)于鑿巖臺(tái)車爆破施工質(zhì)量至關(guān)重要。鉆孔前勾畫出隧道中心線、拱腳線和周邊輪廓線；按照掏槽孔、輔助孔、內(nèi)圈孔、周邊孔和底板孔的順序鉆孔；掌子面配置1名技術(shù)人員引導(dǎo)鉆掏槽孔和周邊孔。爆破后平均線性超挖量?jī)H19.9 cm。

3）單線隧道采用鑿巖臺(tái)車鉆爆時(shí)可以采用兩級(jí)斜孔掏槽，爆破施工進(jìn)尺可達(dá)3.4 ～ 3.6 m。

4）采用簡(jiǎn)易臺(tái)車配合鑿巖臺(tái)車進(jìn)行爆破掘進(jìn)作業(yè)，可以縮短鉆爆施工時(shí)間。與鑿巖臺(tái)車配套的藥卷直徑宜在40 ～ 45 mm取值。