成貴鐵路瓦斯長大隧道控制爆破技術

楊延勇

(中鐵二十局集團有限公司第四工程有限公司, 山東青島 266061)

成貴鐵路瓦斯長大隧道控制爆破技術

楊延勇

(中鐵二十局集團有限公司第四工程有限公司, 山東青島 266061)

針對在建的成貴鐵路高瓦斯興隆坪隧道爆破施工難題，結合該隧道工程地質及水文條件，運用基礎理論分析、最優化方法和現場驗證等方法，確定了隧道開挖循環進尺、炸藥單耗、孔網參數以及起爆方法等，充分保證了隧道開挖施工的安全穩定順利進行。結果表明，提出的瓦斯長大隧道爆破控制技術能夠保證工程施工安全，可為類似工程提供了較好的借鑒和參考。

隧道工程; 控制爆破; 瓦斯; 施工

新建鐵路成都至貴陽鐵路興隆坪隧道，進口里程D2K185+090，出口里程DK187+893，中心里程D2K186+491.5，隧道全長2 803 m，為單洞雙線隧道。隧道圍巖類別為：Ⅲ級圍巖1 340 m、Ⅳ級圍巖590 m、Ⅴ級圍巖755 m。隧道洞身最大埋深約60 m，線間距4.6 m，設計速度250 km/h。DK185+090～DK186+379.631段位于半徑為9 000 m的曲線上，其余段位于直線段上。興隆坪隧道位于老翁場大型氣田核心區，線路右側1 200 m位置為老翁場六號氣井，為高瓦斯隧道。

1 瓦斯長大隧道工程條件與開挖方法分析

1.1 隧道工程地質條件分析

1.2 隧道開挖方法

參考隧道工程技術[1-2]，Ⅲ、Ⅳ級圍巖均采用臺階開挖方法，Ⅴ級圍巖采用臺階法附加仰拱施工，具體如圖1和圖2所示。上臺階每循環進尺按圍巖類別控制，Ⅲ級圍巖不大于2 m，Ⅳ級圍巖不大于2榀拱架，Ⅴ級圍巖不大于1榀拱架，下臺階邊墻不大于2榀拱架；Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱一次開挖不大于3 m。開挖后，及時施作初期支護，盡早封閉成環。Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護封閉成環距離掌子面不得大于35 m。

圖1 臺階法開挖橫斷面

圖2 臺階法附加臨時仰拱開挖橫斷面

2 瓦斯爆破參數設計

按照隧道爆破技術及理論[3-5]，爆破參數如下。

2.1 循環進尺L0和孔深L

根據地勘資料中的圍巖條件，暫定爆破循環進尺為2 m，實際開挖后再根據現場實際地質情況進行動態調整。孔深為循環進尺長度加上炮孔超深長度，其中一般炮孔超深長度定為0.2 m，掏槽孔的超深長度定為0.4 m(垂直深度，掏槽孔實際孔深根據設計圖確定)。故一般炮孔孔深為2.2 m，掏槽孔孔深為2.4 m。

2.2 單耗q與總裝藥量Q

單位巖體炸藥消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而且影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產率、材料消耗、掘進成本、斷面輪廓質量以及圍巖的穩定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物流力學性質、斷面、炸藥性能、炮眼直徑和深度等。可以利用明捷利公式式(1)進行計算。

(1)

式中:C為裝藥直徑對單位耗藥量的影響系數，見表1，取1.0；K為炮眼深度對單位耗藥量的校正系數，見表2，取0.8；S為隧道斷面面積(m2)；e為炸藥做功能力校正系數，按照式(2)計算；φ為裝藥密度矯正系數，一般φ=0.78～0.8，取0.8；f為巖石堅固性系數，該隧道Ⅳ級圍巖取f=6。

(2)

式中:ex為炸藥作功能力(ml),煤礦許用炸藥ex≥210ml；h為炸藥猛度(mm),煤礦許用炸藥h≥8mm。

表2 炮眼深度對單位耗藥量的校正系數

根據《隧道工程》，總裝藥量Q可以根據單位巖體炸藥消耗量q、隧道斷面面積S和炮孔孔深L按式(3)計算確定。

Q=qSL0

(3)

式中:Q為總裝藥量(kg)；q為單位巖體炸藥消耗量(kg·m-3)；S為隧道斷面面積(m2)；L0為循環進尺(m)。

2.3 掏槽形式

采用二級復式楔形掏槽進行掏槽爆破，掏槽布置如圖3所示。

圖3 二級復式楔形掏槽(單位:cm)

2.4 光爆參數

以Ⅲ級圍巖為例，圍巖相對較為堅硬，因此周邊眼間距適當縮小，可以控制爆破輪廓，避免超欠挖，隧道斷面周邊眼間距E值選用E=45 cm。

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層，光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W，隧道斷面W=65 cm。

光爆孔裝藥不耦合系數r=D/d。其中D為炮孔直徑，取42 mm;d為藥卷直徑，取25 mm。R=42/25=1.68。

2.5 裝藥結構

掏槽眼和底眼采用正向起爆，用“封口機”自動灌水，自動泥封口。周邊眼采用間隔不耦合裝藥結構，炮泥封口。

3 炮孔布置及起爆網路

依據爆破設計施工方法[6-7]，只允許采取串聯網路。

3.1 炮眼布置原則

(1)掏槽炮眼布置在開挖斷面的中部采用直眼掏槽，炮眼方向在巖層層理或節理明顯時，不得與其平行，應呈一定角度并盡量與其垂直。

(2)周邊炮眼沿設計開挖輪廓線布置，以保證爆出的斷面符合設計要求。

(3)輔助眼交錯均勻布置在周邊眼和掏槽眼之間，力求爆下的石渣塊度適合裝渣的需要。

(4)周邊眼與輔助眼的眼底應在同一垂直面上，以保證開挖面平整，但掏槽炮眼應加深10～20 cm。

(5)炮眼布置數量視隧道開挖斷面的大小和圍巖情況而定。

3.2 炮眼布置

為能更好地闡明炮眼布置，在此僅對Ⅲ級圍巖的正洞上臺階掘進炮眼進行說明，其他不做贅述。

上臺階炮眼數目按式(5)進行計算

(5)

式中:q為單位用藥量，根據隧道爆破以往經驗取q=1.0 kg/m；s為隧道面積；r為炸藥每米重量，本工程選用φ32 mm藥卷，r=0.78 kg/m；n為炮孔裝藥系數，本隧道為減少爆破震動，控制最大藥量，采取密孔，小藥量，取n=0.53。

計算可得N=qs/rn=1.0×59/(0.78 ×0.53)=143個

根據斷面實際布置情況，優化為156個，其炮孔布置圖上臺階如圖3，爆破參數列于表3。

表3 正洞Ⅲ級圍巖上臺階爆破參數

3.3 起爆網絡及相關設計計算

3.3.1 起爆網絡及計算

網絡聯結采用串聯，按掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼→起爆器順序連接。正洞全斷面上臺階爆破時，雷管數156個，孔口聯結線(銅線1mm2，單股，電阻17.5Ω/km)需要150m，起爆器主線(銅線5.5mm2，7股，電阻3.18Ω/km)需要700m(起爆距離300m，超過安全距離200m的要求)。網絡總電阻按式(6)進行計算:

R=R1+R2+nr

(6)

式中:R為總電阻；R1為主線電阻；R2為孔口聯結線電阻；n為電雷管數目；r為每個電雷管電阻。

計算得:

R=700×3.18÷1000+150×17.5÷1000+156×6.3=988 Ω

通過網絡及每個電雷管的電流為:

(7)

式中:R為總電阻；V為起爆電壓；I為通過網絡電流；I為通過每個電雷管電流。

計算可得:I=2000/988=2.03A

根據《爆破安全規程(GB6722-2014)》規定直流電起爆流經每個雷管的電流不小于2A，符合要求，本網絡可以起爆。正洞下臺階爆破設計中，雷管數目遠小于正洞上臺階數目，更可以起爆，此處不作計算。

3.3.2 起爆方法

采用毫秒電雷管起爆炸藥，防爆起爆器起爆電雷管。

從實際施工看，按本文確定的施工開挖方法、爆破設計參數和炮孔布置及起爆方式，能夠滿足高瓦斯隧道安全施工要求。采用目前確定的爆破控制技術能夠保證經改裝后施工機械設備安全使用，同時滿足施工要求圍巖穩定，為類似工程提供了一個全新的思路。

4 結論

(1) 在建高瓦斯興隆坪隧道地質條件較為復雜，必須結合工程實際情況，確定出合理循環進尺、炸藥單耗、孔網參數以及起爆方法等才能保證工程施工順利。

(2) 確定合理爆破控制技術，不僅可以解決洞內高瓦斯燃燒或者爆炸保證工程安全進行，同時也能保證施工機械設備安全使用。

(3) 參照文中爆破控制技術，能夠有效解決這類高瓦斯隧道安全施工，為類似工程提供了較好的借鑒經驗。

[1] 郝俊鎖, 沈殿臣, 王會軍. 梅嶺關瓦斯隧道施工技術[J]. 現代隧道技術，2011(2):141-144.

[2] 張俊波. 鐵路隧道施工技術研究[J]. 黑龍江交通科技，2012(1):75-76.

[3] 張平祥. 寶峰隧道下穿既有線鐵路隧道施工技術[J]. 廣州建筑，2012(5):24-28.

[4] 肖福磊, 郭威, 趙言洞. 大斷面高瓦斯隧道爆破與安全[J]. 公路交通科技:應用技術版，2008(12):168-170.

[5] 姚旭君. 成簡快速路龍泉山2#高瓦斯公路隧道爆破施工技術[J]. 四川水力發電，2010(S1):14-16.

[6] 趙偉. 發耳高瓦斯公路隧道開挖爆破技術[J]. 隧道建設，2015(4):369-372.

楊延勇(1980～)，男，高級工程師，從事隧道與地下工程施工技術與管理工作。

U456.3+3

B

[定稿日期]2015-12-02