沙特NEOM隧道項目光面爆破高效施工方法研究與應用

降世良,萬超杰,王 瑋

(1.連云港明達工程爆破有限公司,江蘇 連云港 222021; 2.中國鐵建國際集團有限公司,北京 100039)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,國內(nèi)外公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施項目仍處于建設(shè)高峰期,多數(shù)建設(shè)項目中有隧道爆破開挖施工,常采用光面爆破形成安全、穩(wěn)定和美觀的輪廓面,使隧道整體結(jié)構(gòu)應力均勻分布,避免因應力集中引發(fā)安全事故,并通過控制超欠挖減少施工材料的投入,達到安全施工及降本增效的目的。

常見光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合連續(xù)裝藥或間隔裝藥[1],通常采用竹片[2]、聚能管[3-4]或者其他裝置按照設(shè)計的線裝藥密度來提前加工藥串,施工時只需將藥串送推入孔內(nèi)即可,傳統(tǒng)的施工方法雖然可以很好地控制線裝藥密度和爆破效果,但需要投入大量的時間、人力和輔助材料,不利于提高爆破施工效率和成本控制,因此設(shè)計出一種40g/m導爆索與2號巖石乳化炸藥組合的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu),通過調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)和施工方法來提高光面爆破裝藥效率、節(jié)約施工成本和改善光面爆破效果。

1 光面爆破原理

光面爆破的成縫機理[5-7]多數(shù)學者傾向于爆炸應力波和高壓氣體相互作用,炸藥爆炸時應力波以藥包為中心向四周傳播,當輪廓上相鄰炮孔間的爆破應力波產(chǎn)生疊加效應時,會產(chǎn)生切向拉力,拉力的最大值產(chǎn)生在兩孔中心點連線上的中點,當巖石的抗拉強度小于切向拉力時,巖體被拉裂,從而在兩孔中心線上形成裂隙,經(jīng)爆炸產(chǎn)生的高壓氣體“氣楔效應”裂隙被進一步擴展,最終劈裂出平整的爆裂面。

藥包爆炸時巖石內(nèi)部產(chǎn)生粉碎區(qū)、裂隙區(qū)及彈性區(qū),為減小爆破對隧道輪廓面圍巖的破壞,通常采用不耦合裝藥,通過減少裝藥量和線裝藥密度,來降低炸藥爆炸時對孔壁的初始應力,減小巖石粉碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑,以此增加圍巖的穩(wěn)定性。

施工時可根據(jù)巖石性質(zhì)、爆破器材種類、光面爆破效果等因素,調(diào)整周邊孔間距、光爆層厚度和線裝藥密度等參數(shù)[8],不斷改進光面爆破質(zhì)量。

2 工程概況

2.1 項目概況

沙特NEOM隧道支洞項目位于沙特北部塔布克省,全線共6條支洞,暗洞全長共8 415m,全線支洞穿越的巖層主要為沉積巖、二長巖、花崗巖、砂巖等的一種或多種組合,普氏系數(shù)f=6～12,巖石單軸抗壓強度為30～170MPa,隧道斷面為11.69m(寬)×8.62m(高),斷面面積為86.26m2,圍巖支護等級為 AD-5E～AD-1級。其中AD-3A及以上圍巖采用全斷面爆破開挖法,設(shè)計循環(huán)進尺為5.0m,隧道輪廓開挖采用光面爆破技術(shù),爆破鉆孔采用全電腦三臂鑿巖臺車,炮孔直徑為45mm。

2.2 爆破器材選擇

施工所在地爆破器材廠家生產(chǎn)供應的乳化藥卷規(guī)格為40mm×550mm×500g和32mm×550mm×500g,炸藥密度為1.05g/cm3,爆速為5 500cm/s,導爆索規(guī)格為40g/m和5g/m,根據(jù)規(guī)范中關(guān)于導爆索的分類,裝藥量≥18g/m的導爆索稱為高能導爆索,裝藥量<9g/m的導爆索稱為低能導爆索;孔內(nèi)雷管采用Sanel LP高精度導爆管雷管,雷管段別及延期時間如表1所示。

3 施工方案選擇

項目所在地對火工品的管理非常嚴格,爆破施工必須由當?shù)乇品职探M織施工,當?shù)胤职瘫迫藛T技術(shù)水平不高、施工習慣和國內(nèi)不同,在施工過程中由警方全程監(jiān)管,并對爆破作業(yè)時間有一定限制,不允許提前和現(xiàn)場加工藥卷。且施工所需的竹片、聚能管等裝置需要從國內(nèi)采購,采購成本較大,所以現(xiàn)場無法按照國內(nèi)傳統(tǒng)的裝藥工法施工,為適應當?shù)厥┕ち晳T和諸多因素的限制,便于現(xiàn)場裝藥操作,采用40g/m高能導爆索和2號巖石乳化炸藥組合式的裝藥結(jié)構(gòu)進行光面爆破裝藥,省去了藥串加工步驟,裝藥時只需將綁扎好的孔底藥卷裝入孔內(nèi),其他藥卷依次裝填至設(shè)計部位即可,40g/m高能導爆索既作為孔內(nèi)裝藥,也用于起爆孔內(nèi)藥卷。

4 爆破參數(shù)確定

4.1 不耦合系數(shù)

不耦合裝藥結(jié)構(gòu)以空氣作為緩沖,可以減小炸藥爆炸時的初始應力對孔壁的破壞,還可以延長應力波和高壓氣體的作用時間,合理的不耦合系數(shù)[9]能更好地提高炸藥能量利用率和改善光面效果。隧道支洞項目因廠家供應的爆破器材種類和現(xiàn)場鉆孔條件等因素限制,故不耦合系數(shù)e采用固定值,按照下式計算:

е=d/d0

(1)

式中:d為炮孔直徑,取45mm;d0為藥卷直徑,取32mm。

代入公式得出e=45/32=1.4,參照大量實踐資料,上式計算得出的不耦合系數(shù)值在合理范圍內(nèi),可用于現(xiàn)場光面爆破施工。

4.2 周邊孔間距

隧道光面爆破是在輪廓線上布置密集的炮孔,通過炸藥爆炸產(chǎn)生的應力波和高壓氣體相互作用,形成光滑的爆裂面,合理的孔間距是光面爆破是否成功的關(guān)鍵,由光面爆破成縫機理可知,受爆炸沖擊波作用,炮孔周邊形成初始裂隙,在準靜態(tài)壓力作用下裂隙進一步擴展,由此炮孔間距[10]E為:

E=K1f(1/3)rb

(2)

式中:K1為調(diào)整系數(shù),一般取10～16,巖石堅硬時取較大值,取12;f為圍巖普氏系數(shù),f=6～12,取8;rb為炮孔半徑,取0.022 5m。

代入公式得出E=0.54m,施工時孔間距可根據(jù)圍巖性質(zhì)和爆破效果及時微調(diào)。

4.3 光爆層厚度

光爆層厚度指周邊炮孔的最小抵抗線,厚度取值要保證巖石順利破碎,不能產(chǎn)生大塊巖石,還要保證周邊孔間切割成縫,形成光滑爆裂面,過大則光爆層巖石無法充分破碎;過小則可能改變應力波和高壓氣體的作用方向,使得兩孔間產(chǎn)生突起,造成欠挖。光爆層厚度W計算:

(3)

式中:qb為炮孔內(nèi)的裝藥量(含高能導爆索);lb為炮孔長度,取5.1m;c為爆破系數(shù),相當于單位耗藥量,對于f=4～10的巖石其值變化范圍為0.2～0.5kg/m3,因炮孔深度較大,故c的取值可適當增大,取0.55kg/m3。

代入公式得出W=0.78m,考慮周邊孔外插角度為2.3°,故孔口處光爆層厚度為0.57m。

將式(2)和(3)計算結(jié)果代入炮孔密集系數(shù)k=E/W,得出k=0.73,取值在合理范圍內(nèi)。

4.4 線裝藥密度

線裝藥密度是指光面炮孔內(nèi)每米裝藥量,通過調(diào)整線裝藥密度能有效控制炸藥爆炸能量的輸出,減小初始應力對孔壁的破壞,線裝藥密度[11]Q參照下式計算:

Q=qWE

(4)

式中:Q為線裝藥密度(kg/m);q為單位體積巖石炸藥消耗量(kg/m3);W為光爆層厚度(m);E為周邊孔間距(m)。

參照前式計算結(jié)果,代入公式計算得出Q=0.23kg/m,藥卷規(guī)格為32mm×550mm×500g,導爆索為40g/m,為便于藥量計算和裝藥,取Q=0.24kg/m。

根據(jù)以上公式計算得出光面爆破相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 光面爆破參數(shù)Table 2 Smooth blasting parameters

5 周邊孔裝藥設(shè)計

5.1 孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)

設(shè)計周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)時,參照計算的線裝藥密度,孔底裝藥量適當加強,填裝1支32mm藥卷,炮孔中部按照線裝藥密度填裝,將32mm藥卷分成3節(jié),填裝其中的2節(jié),剩余1節(jié)填裝至炮孔上部,裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)Fig.1 The charge structure in the hole

裝藥時,將40g/m高能導爆索一端插入32mm孔底藥卷,插入長度≥0.2m,然后用絕緣膠布纏緊,用木制炮桿輕輕將藥卷送入孔底,再根據(jù)設(shè)計的裝藥結(jié)構(gòu)依次將其他3小節(jié)藥卷裝填至孔內(nèi),在孔口0.6m處填裝采用定制塑料裝滿石粉的砂袋?？卓陬A留0.3m導爆索,便于起爆連接。

5.2 起爆網(wǎng)路連接

由于施工所在地習慣周邊孔內(nèi)全部裝填非電延期雷管起爆光面炮孔,當?shù)貜S家供應的起爆雷管為長延期雷管,存在起爆延期誤差,無法保證周邊孔同時起爆,將會導致光面爆破效果不理想,故此在施工前期對爆破分包商進行培訓和現(xiàn)場實操,周邊孔改為雙炮孔起爆,其他炮孔采用5g/m低能導爆索按照傳爆方向依次連接,確保周邊孔同時起爆,使得孔與孔之間爆炸產(chǎn)生的應力波和高壓氣體產(chǎn)生疊加作用,更好地切割爆裂面,避免出現(xiàn)齒狀輪廓,造成輪廓欠挖。

為了降低孔外連接導爆索產(chǎn)生的爆轟波和噪聲,周邊孔外采用5g/m低能導爆索進行網(wǎng)路連接,從頂部起爆雷管處,沿著傳爆方向依次連接,孔口處40g/m高能導爆索與5g/m低能導爆索的搭接長度≥15cm,為防止傳爆中斷,導爆索應搭接平順,夾角不得大于90°,搭接處用絕緣膠布纏緊,起爆雷管與主網(wǎng)路連接在一起,網(wǎng)路連接如圖2所示。

圖2 孔外起爆網(wǎng)路連接Fig.2 Connection of detonating network outside the hole

6 光面爆破效果分析

采用上述方法,爆破后光面爆破效果良好,輪廓面穩(wěn)定、美觀,殘孔率88%～92%,輪廓面超欠挖面積<5%,每循環(huán)節(jié)約周邊孔裝藥、鑿欠和修邊時間約1.5h,噴射混凝土用量小于項目部制定的計劃用量,此方案在二長巖隧道試點多次測試調(diào)整后,確定了各項爆破參數(shù),將此設(shè)計應用到砂巖隧道中,并根據(jù)圍巖特性作了相應參數(shù)調(diào)整,爆破效果和各項指標均為良好,光面爆破效果如圖3所示。

圖3 光面爆破效果Fig.3 Effect of smooth blasting

7 結(jié)語

1)通過實踐表明,隧道光面爆破中采用40g/m高能導爆索與2號巖石乳化炸藥組合式的裝藥結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)省去了提前加工藥串步驟,節(jié)約了人力和輔助材料的投入;裝藥結(jié)構(gòu)簡單,對爆破作業(yè)人員的技術(shù)水平要求低;裝藥耗時短,能有效縮短裝藥時長,提高爆破施工效率。

2)上述施工方法爆破后輪廓爆裂面穩(wěn)定、美觀,整體光面效果良好,輪廓超欠挖等各項指標均符合設(shè)計和項目制定的要求,不但能縮短整體開挖循環(huán)時長,加快隧道開挖施工進度,還能有效確保隧道施工安全和控制成本。

3)上述施工方法適用于多種類型巖層的光面爆破施工,可根據(jù)隧道圍巖性質(zhì)、爆破器材種類、現(xiàn)場鉆孔條件和其他施工條件作相應參數(shù)調(diào)整,并通過不斷測試和改進,達到理想的光面爆破效果。