唐家山隧道光面爆破設計與施工

趙會強

(中交二公局鐵路工程有限公司,陜西西安 710065)

唐家山隧道光面爆破設計與施工

趙會強

(中交二公局鐵路工程有限公司,陜西西安 710065)

本文從隧道的光面爆破設計,在施工過程中,結合現場地質變化不斷終止爆破參數,達到良好的光面爆破效果,降低了成本,同時也為下半斷面爆破開挖提供了良好的安全施工條件。

隧道光面爆破 設計 施工 爆破效果

1 工程概況

唐家山隧道是一座雙線曲線隧道 (開挖斷面凈跨13．1m,凈高12m),隧道全長747m,位于圓曲線及緩和曲線上,左線曲線半徑為800m。從DK39+138～DK39+801隧道斷面加寬值為100cm,DK39+801～DK39+885加寬值為50cm。圍巖段巖性為白堊系泥巖、砂巖和頁巖,頁巖主要以薄層狀夾于泥巖中,屬Ⅴ、Ⅳ級圍巖。洞身巖層產狀有一定變化,總體的連續性和完整性尚較好,巖體較為破碎,節理發育,巖層產狀變化較大,巖層間存在順層小構造。隧道洞身部位的泥、頁巖具膨脹性,泥、頁巖的自由膨脹率Fs=24～54%,膨脹力Ps=5～33Kpa。根據本隧道地質特點需進行爆破開挖施工。

2 爆破施工方案

采取進、出口雙口掘進,上下臺階鉆爆開挖法施工。全隧道采用減輕地震動控制爆破,首先進行上臺階光面爆破開挖,下臺階采取左右斷面交錯預裂爆破開挖。爆破藥品選用二號巖石硝銨炸藥,采用安全性能較好的塑料導爆管和等差雷管、非電毫秒管組合起爆。

3 光面爆破設計

爆破開挖是隧道施工的關鍵工序。在采用正臺階法施工的隧道中,上半斷面開挖又是整個隧道爆破開挖的基礎,爆破效果直接影響到圍巖的穩定和支護安全,以及施工進度和工期安排。施工中根據現場地質情況進行爆破設計計算和爆破試驗,并不斷修正爆破參數,力求達到良好的爆破效果。

3.1 總體構想

爆破開挖是隧道施工的關鍵工序。在采用正臺階法施工的隧道中,上半斷面開挖又是整個隧道爆破開挖的基礎,爆破效果直接影響到圍巖的穩定和支護安全,以及施工進度和工期安排。施工中根據現場地質情況進行爆破設計計算和爆破試驗,并不斷修正爆破參數,力求達到良好的爆破效果。

表1 炮眼部位系數λ

表2 周邊眼參數匯總表

圖1

3.1.1 設計原則

隧道爆破時盡量做到保護好圍巖,減少對圍巖的損壞;合理選擇周邊眼間距E及最小抵抗線W;嚴格控制周邊眼的裝藥量,采用小直徑低爆速炸藥,并盡可能將藥量沿炮眼全長均勻分布,以確保隧道周邊成型良好,并減少對圍巖擾動;根據爆破效果,調整掏槽眼形式,并適當加深掏槽眼深度,以保證掏槽效果;合理分布掘進眼,以達到炮眼數量最少、材料最省,同時碴塊又不致過大,便于裝卸。

3.1.2 技術經濟指標

參照其它巖石隧道爆破藥耗量,本隧道Ⅳ級圍巖平均單位方量巖石消耗炸藥量控制在0.9kg/m3以內。

3.1.3 循環進尺

依據本隧道Ⅳ級圍巖地質條件及類似隧道施工經驗,確定隧道開挖循環進尺為3．2m～3．5m。

3.1.4 鑿巖鉆孔

使用TY-25型風動氣腿式鑿巖機,鉆頭直徑φ40mm,鉆孔直徑φ45mm;鉆孔深度：周邊眼和掘進眼為3．2m,掏槽眼分別為2m和4m,底板眼為3．5m。

3.1.5 爆破器材

采用2號巖石硝銨炸藥(φ22mm、φ32mm藥卷),采用安全性能好的非電毫秒雷管和導爆管起爆,導爆管由導火索和6號火雷管引爆。

3.1.6 裝藥結構

周邊眼采用間隔不偶合裝藥,并采用Φ22mm藥卷;掏槽眼及掘進眼采用連續裝藥(Φ32mm藥卷)結構;掏槽眼的首段采用正向裝藥起爆,其他炮眼采用反向裝藥起爆,以提高爆破效果。

3.2 爆破參數設計

3.2.1 爆破參數的選定

炮孔數量的確定：

在藥量一定的條件下,炮孔數量過少會影響爆破效果,過多會增加鉆孔工作量,影響施工進度。正確確定炮孔數量是取得良好爆破效果和提高開挖速度的重要條件之一。

表3 鉆孔裝藥參數總表

圖2

炮孔數可按照總裝藥量與單個炮孔裝藥量之比來計算：

式中：q —單孔平均裝藥量;

k—單位炸藥消耗量(kg/m3);

S—Ⅳ級圍巖上半斷面開挖面積(m2);

α—各部位炮眼的裝藥系數,指藥卷總長度與炮眼長度比;

β—藥卷單位長度質量值,kg/m;

影響炮眼數量的因素較多,在計算時,將過去施工的經驗數進行類比,然后在爆破設計圖上進行排列,再到現場試驗,最后確定合理的炮眼數。唐家山隧道上半斷面光面爆破經計算和反復試驗確定為126個。

3.2.2 總裝藥量及藥量分配

總裝藥量Q=KLS(kg)

式中：Q—一次(一個循環)爆破總裝藥量(kg)

k—單位炸藥消耗量(kg/m3),取0．9;

S—開挖面積(m2),取56．8;

L—炮眼深度(m)取3．2;

將各系數代入得

Q=163．6(kg)

單孔裝藥量分配：

掏槽眼的裝藥量比擴槽眼的裝藥量增加20～30%,底板眼的裝藥量比輔助眼的裝藥量增加20～30%,經調整總裝藥量為163．14kg。

除周邊眼外其它炮眼單孔裝藥量q q=K·E·W·L·λ

式中：

q—單孔裝藥量(kg);

K—單位炸藥消耗量(kg/m3);

E—炮眼間距(m);

W—炮眼爆破方向的抵抗線(m);L—炮眼深度(m);

λ—炮眼部位系數,見表1。

3.2.3 周邊眼爆破參數

一般在隧道光面爆破施工中,選擇的鉆孔參數為孔距E=40～60cm,光爆層厚度為W=0．50～0．75cm,其周邊孔密集系數m=E/W=0．8～1．0,裝藥集中度為0．20～0．30kg/m,不偶合系數為1．4～2．1。

依據經驗公式：E=(8～12)d,W=(1．0～1．5)E,裝藥集中度：0．20～0．30kg/m。

D取45mm,用40mm鉆頭打孔,成孔φ=45mm,取E=50cm,W=60cm,裝藥集中度取q=210g/m。

周邊眼參數匯總見表2。

3.2.4 炮眼布置(見圖1)

炮眼布置：先布置周邊眼,然后布置內圈眼,其次布置掏槽眼和底板眼,輔助眼則根據斷面形狀合理布置。內圈眼比掘進眼密一些,比周邊眼稀一些,其間距為周邊眼的1．5倍,底板眼比掘進眼適當加密,其間距為掘進眼的80%;輔助眼根據其蹦落量計算其裝藥量,輔助眼間距一般按1．1倍抵抗線計算。

3.2.5 總體爆破參數

根據以上計算并結合實際地質情況,在多次爆破試驗的基礎上,對爆破參數進行了優化和調整,設計出如下總體爆破參數。(見表3、圖2)

4 光面爆破施工

4.1 爆破施工工藝要求

放樣布眼：用紅油漆繪出開挖斷面的中心線和輪廓線,標出炮眼位置,其誤差不得超過5cm。

定位開眼：嚴格按炮眼位置正確鉆眼,對周邊眼和掏槽眼精度要求比其他眼高,開眼誤差要控制在3～5cm以內。

鉆眼：周邊眼開挖時,鉆桿保持水平,并平行于隧道軸線,稍微外插3°角,掏槽眼鉆孔精度要高,誤差3cm以內,控制炮眼間距、深度、角度,防止炮眼打穿、相交,掘進眼均勻分布,若遇滲漏水,則鉆孔稍微向上,但傾斜不大于1°,孔眼間保持相互平行,底板眼向下傾斜,但眼底不超過輪廓線10cm。

裝藥：裝藥前,炮眼用高壓風吹掃,藥串和起爆藥卷按要求加工好,盤好腳線,分段號存放在箱內,確保裝藥作業的有序進行;裝藥作業分片、分組進行,并按規定搗實,堵塞泡泥,堵塞長度不小于20cm。

起爆網絡：起爆網絡為復式聯接網絡,為保證起爆的可靠性和準確性,連接時要注意,導爆管不能打結和拉細,各炮眼連接次數相同,引爆雷管用黑膠布包扎在離一簇導爆管自由端10cm以上處,網絡連接好后,派專人負責檢查。

起爆順序：段間隔差調配;在隧道爆破中為避免振動強度的疊加,雷管全部跳段使用,爆破順序按掏槽眼、掘進眼、內圈眼、周邊眼、底板眼進行。

4.2 爆破施工注意事項

當地質出現破碎帶或遇有地表水滲漏情況時,及時調整爆破開挖方案,對原爆破設計進行修正,以達到最優爆破效果。

嚴格控制鉆眼的平面位置和角度誤差,特別是周邊眼和掏槽眼,嚴格打好周邊孔,其技術要求是：炮孔位置精確,掌握鉆孔方向,打出“平、直、齊”的炮孔,采用鉆孔臺車,提高鉆孔質量。

底板眼爆破的好壞對于能否按設計要求形成底板輪廓線影響很大。為避免欠挖、消除底坎,要適當減少底孔的間距,并使鉆孔方向超出底板標高10～15cm。

爆破網絡聯結好后,再次認真檢查和確認聯結無誤,避免起爆順序混亂。周邊眼以最小的時間差分段同時起爆。

施工過程中堅持“短進尺、弱爆破、少擾動、早噴錨、勤量測、早封閉”的施工原則,以確保結構的穩定和施工安全。

巖石爆破作業要嚴格遵守《中華人民共和國民用爆炸物品管理條例》和《爆破安全規程》中的規定。參加爆破施工的工程技術人員必須持有國家主管部門頒發的安全作業證上崗,并經過巖石爆破施工技術的短期培訓。

爆破工作按規定的信號(預告信號、起爆信號、解除警報信號)執行;爆破后檢查爆破效果,如有啞炮,按爆破安全規程有關規定及時處理;解除警報命令發布前,無關人員不準進入爆破現場。

5 光面爆破效果

在河口隧道上半斷面光面爆破施工過程中,由于參數選取合理,過程控制到位,措施得當,爆破后半孔率基本達到了90%以上,超欠挖現象較少,圍巖穩定、巖面規則、平整,為初期支護、二次襯砌創造了良好的條件。

6 結語

通過對唐家山隧道光面爆破設計的探討,結合現場地質變化不斷修正爆破參數,摸索出了適合唐家山隧道的鉆爆方法。在光面爆破施工過程中掏槽眼和周邊眼的設計參數、孔眼布置、裝藥量是開挖斷面能否滿足設計要求的關鍵環節。良好的光面爆破效果減少超挖量及噴射混凝土、二襯混凝土用量,節約爆破物品,降低施工成本,同時也為下半斷面爆破開挖提供良好的安全施工條件。

[1]劉正雄等著.隧道爆破現代技術.中國鐵道出版社,1999.9.

[2]鐵二院主編.鐵路工程設計技術手冊:隧道.中國鐵道出版社,1999.6.

[3]鐵二局主編.鐵路工程施工技術手冊:隧道.中國鐵道出版社,1999.4.