光面爆破技術(shù)在洛陽(yáng)村隧道Ⅲ級(jí)圍巖應(yīng)用總結(jié)

張選鋒

(中鐵一局集團(tuán)陜西華營(yíng)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，陜西西安 710054)

1 工程概況

由陜西華營(yíng)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司監(jiān)理的改建鐵路甘鐘線洛陽(yáng)村隧道工程位于陜西省富縣洛陽(yáng)村段家莊東北側(cè)，該隧道進(jìn)口東側(cè)約300 m為既有包西鐵路段家莊隧道進(jìn)口，出口亦與段家莊隧道相距78 m，全長(zhǎng)946 m。進(jìn)口里程DK584+959，出口里程DK585+905，隧道按列車最大行車速度120 km/h，單線隧道設(shè)計(jì)、預(yù)留電氣化條件，最大埋深120 m。

1.1 地形地貌

隧道位于黃土高原的梁峁區(qū)，洞身多被風(fēng)積黃土覆蓋，坡體多為階梯狀農(nóng)田，植被茂密。海拔標(biāo)高890 m～1 020 m，相對(duì)高差130 m。

1.2 巖性及地質(zhì)構(gòu)造

洞身出露地層主要為第四系上更新統(tǒng)粘質(zhì)黃土(Q3eol)、中更新統(tǒng)(Q2eol)、三疊系頁(yè)巖夾砂巖;第四系上更系統(tǒng)粘質(zhì)黃土為濕陷性黃土，場(chǎng)地濕陷類型為非自重，地基濕陷等級(jí)為Ⅱ(中等)，厚度8 m～10 m;該工程范圍內(nèi)無(wú)明顯的不良地質(zhì)作用。

其中DK585+276～DK585+600段長(zhǎng)度324 m，系弱風(fēng)化頁(yè)巖夾砂巖、節(jié)理不發(fā)育、巖體較完整、洞身埋藏較深;設(shè)計(jì)給定為Ⅲ級(jí)圍巖段。此段占全隧總長(zhǎng)34.2%，均采用全斷面光爆開(kāi)挖。

2 光爆作業(yè)前準(zhǔn)備工作

鉆眼爆破是隧道施工的主要作業(yè)之一。衡量鉆眼爆破工作效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)除施工速度外，還反映在質(zhì)量、安全及經(jīng)濟(jì)效果上。鉆眼爆破時(shí)，應(yīng)使開(kāi)挖出的坑道形狀、尺寸整齊并符合要求，炸下的石渣塊度合適，便于裝車，爆破單位體積巖石所消耗的工時(shí)、機(jī)具設(shè)備的費(fèi)用及爆破材料的數(shù)量為最小。

2.1 機(jī)具設(shè)備選取與制作

鉆眼作業(yè)在爆破循環(huán)時(shí)間中占有很大比例;提高鉆眼速度，縮短鉆眼時(shí)間，對(duì)加快隧道掘進(jìn)速度有很重要的意義。

1)鑿巖機(jī)械。

洛陽(yáng)村隧道采用的是YYT228型風(fēng)動(dòng)氣腿鑿巖機(jī);是以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)鑿巖機(jī)內(nèi)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊釬桿使釬頭擊碎碎石，每沖擊一次后，通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)件使釬桿自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在連續(xù)沖擊和轉(zhuǎn)動(dòng)下，鑿成炮眼。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，操作方便，使用安全，不怕超負(fù)荷和反復(fù)啟動(dòng)，在多水多塵等惡劣環(huán)境中仍能正常使用等優(yōu)點(diǎn)。

2)釬頭和釬桿。

釬頭或叫鉆頭，擔(dān)負(fù)直接破碎巖石的作用，它是否適宜破碎巖石，對(duì)鉆進(jìn)速度有決定性影響。洛陽(yáng)村隧道使用十字形硬質(zhì)合金釬頭，由鎢鈷合金鑲焊而成。

洛陽(yáng)村隧道使用的是整體式釬桿(六角空心鋼)，釬桿及釬尾用特種低合金鋼整體鍛造，并在頭上鑲焊一字形碳化鎢合金片，經(jīng)過(guò)多道工序加工處理而成，使用壽命通長(zhǎng)在200 m以上。

3)門(mén)架式開(kāi)挖臺(tái)車。

洛陽(yáng)村隧道使用的鑿巖臺(tái)車是由3個(gè)平臺(tái)組成門(mén)架式開(kāi)挖臺(tái)車。采用工字鋼、鋼管、鋼筋焊接加工而成;臺(tái)車的施鉆尺寸按照鐵路單線隧道開(kāi)挖斷面的幾何尺寸設(shè)計(jì)，可以11臺(tái)風(fēng)鉆13個(gè)人(2個(gè)人在臺(tái)車上流動(dòng)扶鉆)同時(shí)作業(yè);臺(tái)車腹下可以通過(guò)裝巖機(jī)械及運(yùn)輸車輛，以解決單線隧道的寬度所能提供給鑿巖臺(tái)車與裝運(yùn)機(jī)具的會(huì)讓空間。放炮前直接用裝載機(jī)拖住臺(tái)車橫梁拉離掌子面100 m;機(jī)械排險(xiǎn)后，直接用裝載機(jī)拖住臺(tái)車橫梁拉倒掌子面。

2.2 炸藥及起爆方法的選擇

1)炸藥選取。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段勘探以及開(kāi)挖揭示，洛陽(yáng)村隧道系無(wú)沼氣、瓦斯和無(wú)礦塵爆炸危險(xiǎn)的鐵路隧道工程，局部地段有圍巖裂隙水，所以我們選取了2號(hào)巖石乳化炸藥(白色形狀似乳脂、密度為1.00 g/cm3～1.30 g/cm3);規(guī)格型號(hào)為:φ32 mm ×200 g。

2)爆破網(wǎng)路、起爆電源、起爆方法、順序。

a.隧道電爆網(wǎng)路聯(lián)接采取串聯(lián)網(wǎng)路形式;b.起爆電源采用GF系列高能發(fā)爆器(見(jiàn)圖1);c.洛陽(yáng)村隧道采用導(dǎo)爆管雷管起爆法;d.掏槽眼(裝1段或3段毫秒雷管)→掏槽眼的輔助眼(裝5段或7段毫秒雷管)→周邊眼的輔助眼(裝5段或7段)→周邊眼(裝11段或13段毫秒雷管)→底板眼(裝11段或13段毫秒雷管)→角眼(15段)按先內(nèi)后外順序逐排起爆。

圖1 GF系列高能發(fā)爆器

3 全斷面光面爆破鉆爆設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)洛陽(yáng)村隧道DK585+276～DK585+600段324 mⅢ級(jí)圍巖采用光面爆破技術(shù)，我們預(yù)期想達(dá)到開(kāi)挖輪廓線規(guī)則，巖面平整，減少超挖和噴射混凝土的超方，節(jié)省二襯混凝土使用量;降低施工成本，加快進(jìn)度;同時(shí)也增加了施工安全度。

3.1 光爆參數(shù)

周邊眼的間距(E);光爆層的厚度;周邊眼的密集系數(shù);裝藥集中度;循環(huán)進(jìn)尺(L)等光爆參數(shù)選取的是否合適決定著光面爆破的效果。通過(guò)對(duì)先期爆破效果的觀察和鉆工鉆孔質(zhì)量、孔網(wǎng)參數(shù)以及與炮工交流，從鉆孔質(zhì)量、孔網(wǎng)參數(shù)入手，反復(fù)通過(guò)實(shí)體試驗(yàn)調(diào)整得出。

1)周邊眼間距(E)。

周邊炮眼間距(E)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)考慮到洛陽(yáng)村隧道系單線鐵路隧道其跨度較小，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育E值取小值;邊墻部位眼距按500 mm布設(shè);拱部眼距按350 mm～400 mm布設(shè);底板眼距按650 mm～1 200 mm布設(shè)。

2)光爆層厚度。

光爆層厚度就是周邊眼的最小抵抗線(W)。它是直接影響光面爆破效果和石渣塊度的一個(gè)重要因素。光爆層厚度一般取500 mm～800 mm;應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造加以調(diào)整，巖石堅(jiān)硬整體性好取小值，巖石破碎取較大值。

3)裝藥密度(q)。

周邊眼的裝藥量也就是周邊眼線裝藥密度。按規(guī)范參照以往爆破作業(yè)參數(shù)全斷面一次起爆，q取值一般在0.30 kg/m～0.35 kg/m。

4)循環(huán)進(jìn)尺(L)。

L=0.5B=0.5 ×6.0=3.0 m(B 為隧道斷面寬度，B=6.0 m)。

5)炮眼直徑、不耦合系數(shù)、孔深。

炮眼直徑對(duì)施工進(jìn)度、炮眼數(shù)量、單位耗藥量和洞壁平整度有直接關(guān)系。

因使用φ42 mm鉆頭，炮眼直徑為42 mm;藥卷直徑32 mm;不耦合系數(shù)Kd≥1.31;不耦合系數(shù)符合要求。

在每循環(huán)施鉆中應(yīng)視掌子面的凹凸情況，調(diào)整各炮眼鉆孔長(zhǎng)度，除掏槽眼、底板眼、角眼外其余炮眼眼底處于同一深度。

掏槽眼、底板眼、角眼深度取3.5 m;其余各眼炮孔深度取3.0 m～3.1 m。Ⅲ級(jí)圍巖全斷面光面爆破炮眼藥量分配表見(jiàn)表1。

表1 Ⅲ級(jí)圍巖全斷面光面爆破炮眼藥量分配表

6)炮眼數(shù)量(N)。

其中，q為單位炸藥消耗量，取0.79 kg/m3;s為開(kāi)挖斷面面積，s=42.09 m2;a為炮眼裝填系數(shù)，取0.40;r為每1 m藥卷的炸藥質(zhì)量(2號(hào)巖石乳化炸藥)，取0.78。

由此可得N=107個(gè)。

將此理論計(jì)算值作為參考，根據(jù)在掌子面實(shí)際布置下來(lái)后眼距問(wèn)題，以輔助眼適當(dāng)加密，實(shí)際炮眼總數(shù)一般在107個(gè)～126個(gè)。

3.2 炮眼的布置方法

為了獲得良好的爆破效果和提高鉆眼的效率按下列原則和方法布置:1)先布置掏槽眼，其次是周邊眼，最后是輔助眼。2)掏槽眼布置在掌子面中央偏下部位，為了充分發(fā)揮掏槽眼創(chuàng)造臨空面的作用，比其他炮眼深50 cm;掏槽范圍一般按1.4 m×1.4 m。3)周邊眼應(yīng)嚴(yán)格沿著設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線布置;在斷面拐角處必須布置炮眼。點(diǎn)位布放時(shí)必須計(jì)算上35的外插斜率。掌子面邊墻處的周邊眼和拱部周邊眼的底部在中硬巖石中應(yīng)到達(dá)掌子面邊界，以防欠挖。4)如在掌子面布設(shè)下來(lái)后，眼距過(guò)大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)布置輔助眼。5)在掌子面加密輔助眼的方法是:在按要求布置掏槽眼與周邊眼后，靠近已形成的掏槽范圍，用W'≤掏槽寬度/2，予以擴(kuò)大，其他部分的層距則等于最小抵抗線 W，間距 a=1.0W～1.25W;并在整個(gè)斷面上均勻排列(采用CAD作圖方法)。

最小抵抗線W與炸藥威力和巖石情況有關(guān)，采用巖石2號(hào)乳化炸藥時(shí)，W值取0.6 m，洛陽(yáng)村(單線鐵路隧道)隧道全斷面炮眼布置圖如圖2所示。

圖2 洛陽(yáng)村（單線鐵路隧道）隧道全斷面炮面布置圖

3.3 取得的爆破效果

1)炮眼深度在3.0 m左右時(shí)，每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到2.7 m～2.8 m。進(jìn)尺效果較為理想。2)開(kāi)挖斷面拱部輪廓圓順，邊墻規(guī)則無(wú)較大凹凸。超挖現(xiàn)象得到明顯控制，局部超挖深度最大不超過(guò)20 cm;局部欠挖在5 cm左右。3)炮眼半孔率在80%以上;爆破后圍巖穩(wěn)定，基本無(wú)剝落現(xiàn)象。4)炮眼利用率達(dá)93%;兩炮銜接臺(tái)階最大尺寸沒(méi)有超過(guò)15 cm。5)洞渣塊度最大塊45 cm左右;渣堆集中，拋距在20 m以內(nèi)。

4 光爆作業(yè)各工序時(shí)間卡控

洛陽(yáng)村隧道在多次光爆后，根據(jù)爆破效果調(diào)整參數(shù)趨于穩(wěn)定后，我們?cè)诖_定的條件下，為了提高炮眼利用率、壓縮炮眼循環(huán)作業(yè)時(shí)間、在一定時(shí)期內(nèi)多循環(huán)、加快作業(yè)進(jìn)度，對(duì)時(shí)間進(jìn)行了卡控，測(cè)算結(jié)果如表2所示。

表2 Ⅲ級(jí)圍巖全斷面法循環(huán)作業(yè)時(shí)間

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)隧道工程地址、水文、圍巖情況、選取適合的炸藥品種、采用合適的裝藥結(jié)構(gòu)嚴(yán)格控制起爆順序是保證光爆效果的重要因素。

2)選取質(zhì)量、精度高的毫秒級(jí)雷管來(lái)控制時(shí)差亦是保證光爆效果的重要因素;目前許多施工單位為了直觀的降低爆破器材成本，對(duì)雷管質(zhì)量、使用沒(méi)有引起重視，這樣往往是得不償失。

3)準(zhǔn)確畫(huà)出開(kāi)挖輪廓線對(duì)開(kāi)挖斷面超欠挖控制有直接影響;提高測(cè)量畫(huà)線布眼精度是保證光爆質(zhì)量的重要措施。

4)根據(jù)每循環(huán)開(kāi)挖后圍巖揭示情況，及時(shí)的調(diào)整光爆參數(shù)，可獲得比較理想的爆破效果。這是許多施工單位的薄弱環(huán)節(jié)，沒(méi)能引起重視，也是超欠挖產(chǎn)生的重要因素。

5)周邊眼眼距布控與及時(shí)調(diào)整以及其裝藥量控制是光面爆破作業(yè)效果好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

［1］TB 10417-2003，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］TZ 231-2007，鐵路隧道鉆爆法施工工序及作業(yè)指南［S］.

［3］TZ 204-2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］.