盾構隧址區無自由面基巖孤石爆破預處理技術炸藥單耗確定研究

劉洪震

(中鐵隧道集團科學技術研究院有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著盾構技術的發展，越來越多的地下工程采用盾構施工，而盾構施工中所面臨的復雜多變的地層越來越難［1－4］。花崗巖為新生巖石，地層中多以巖漿的形式侵入其他地層中，且這種地層較為多見，當盾構在這種地層中施工時，就會不同程度地存在球狀風化巖體和基巖局部侵入隧道開挖斷面的情況。在這種地層條件下，盾構刀具無法有效破除該高強度巖體;同時由于巖體上部或周圍存在軟弱地層，人工破除操作困難。因此，該類花崗巖地層成為盾構工程重大風險源之一。竺維彬等［5］介紹了采用地面引孔下藥施爆的控制鉆爆法，處理深埋地層中的孤石。王鵬華［6］介紹了深埋地層中孤石的處理技術，這些處理技術包括:地下深孔爆破、冷凍、地面沖孔和人工挖孔、地表注漿以及盾構直接切削。為了確保盾構施工的順利進行，需先期采取相應的技術措施對該類地層進行預處理。對該類地層預處理多采取爆破處理的方式進行，前人多借鑒水下爆破裝藥量計算公式進行爆破參數設計［7－9］。前人研究認為，影響水下爆破炸藥單耗的因素主要有:巖石物理力學性能參數、自由面條件、爆破的水深及上覆層厚度、炸藥的性能指標等［10］。但針對深埋地層中的無自由面巖石的爆破設計依據不應簡單借鑒水下爆破裝藥量計算公式，該公式沒有表現爆破后巖石的破碎程度，這也是盾構能否順利通過該地層的關鍵，本文主要針對該問題開展研究。

1 工程特點

研究主要依托廣東臺山核電站引水隧洞工程，該核電站循環冷卻水通過1#，2#機組取水隧洞穿越海底，在東南約5 km處的大襟島南側引入核電廠區。1#，2#取水隧洞平面軸線為2條平行直線，隧洞中心間距29.2 m，建筑長度4 330.6 m/條，主要采用大斷面泥水盾構施工，最大埋深約55.75 m。隧洞外徑8.7 m，內徑7.3 m，該工程為我國第一條大斷面長距離的海底盾構隧洞工程。

根據前期地質補勘及水域地震反射波的探測，發現2個取水隧洞的洞身范圍內存在花崗巖風化殘留體(基巖與孤石)，主要分布在核電岸邊300 m范圍內。花崗巖風化殘留體與周圍巖體強度相差較大，其單軸抗壓強度大部分為80～120 MPa，甚至更高，而盾構開挖范圍內其他周邊風化或殘積土層的強度較低。因此，在盾構始發前，需提前對該地段的花崗巖風化殘留體進行預爆破處理。

2 炸藥單耗經驗公式推導

本文所討論的是無自由面巖石爆破，說明爆破作用只發生在巖體內部。當裝藥只發生在內部作用時，根據巖石的變形和破壞情況，孔壁(或峒室)周圍可以分為4個區域，即空腔區、壓碎區(也叫粉碎區或粉碎圈、壓碎圈)、破裂區(也叫裂隙區或裂隙圈或破裂圈)和震動區(也叫震動圈)，如圖1所示。

圖1 無限介質中的爆破作用分區Fig.1 Zoning of blasting action in unlimited media

當巖石產生了大量的裂隙后，代替了盾構刀盤上的刀具破巖功能，所以盾構到達該地層時，就減少了刀具破巖壓力，可以很順利地進行掘進。爆破預處理的目的就是使盾構隧址內的巖石均產生裂隙，爆破設計使炮孔間距不大于2倍的破裂圈半徑即可。目前關于破裂圈半徑的精確計算公式還沒有，可采取以下過程進行推導。

一般認為巖石爆破的壓碎區一般不超過炮孔半徑的3倍，之外的范圍為裂隙區，壓碎區理論上可以認為是由于巖石的塑性變形或剪切破壞形成的，而裂隙區則是由巖石的拉伸破壞形成的，當巖石某處爆破應力產生的切向拉應力大于該處巖石的抗拉強度時，巖石即會產生裂隙。

切向拉應力峰值可通過徑向壓應力峰值求得

式中 b=μ/1－μ(其中μ為泊松比)。

目前工程多為柱狀裝藥，本文重點討論柱狀裝藥，其裂隙區半徑計算經驗公式按式(2)計算，沖擊波峰值隨距離衰減的經驗公式可近似表示為［11－12］:

式中:p為某點的沖擊波峰值壓力;pd為炮孔孔壁的初始爆炸壓力;為比例距離=rc/r0(其中 rc是某點至裝藥中心(軸)的距離;r0是炮孔初始半徑);α為衰減指數，α=2－μ/(1－μ)(μ為泊松比，它是炸藥性質、裝藥結構、巖石性質和藥包形狀的函數)。

由式(1)和(2)可推導出裂隙區半徑

式中［σt］為巖石單向抗拉強度。

裝藥方式不同，炮孔孔壁的初始爆炸壓力計算方式也不同。

1)當耦合裝藥時，炮孔直徑也是裝藥直徑，此時pd與炸藥性質、裝藥結構和巖石性質等有關，為了簡化計算，這里引用日本學者熊尾日野(Kumao Hino)通過試驗給出柱形藥包的爆炸波在巖石內的傳播規律經驗公式系數［13］。

式中:ρw為裝藥密度;D為裝藥爆速;K為常數(ρw＞1.2 g/cm3時，K=3;ρw＜1.2 g/cm3時，K=2.1，因目前多數工業炸藥密度小于1.2 g/cm3，本文計算時取K為2.1);rb為裝藥半徑;n為爆生氣體碰撞巖壁時產生的應力增大倍數，n=8～11;r0為炮孔半徑，則不耦合系數k=rb/r0。

炸藥單耗

式中:rb為裝藥半徑;L為巖石厚度;m為炮孔間距，為保證區域內巖石充分得到破碎，這里炮孔間距取2倍裂隙區半徑，即m=2rc。

當耦合裝藥時，由式(3)、(4)和(6)可得炸藥單耗推導公式

當非耦合裝藥時，由式(3)、(5)和(6)可得炸藥單耗推導公式

3 爆破方案

3.1 鉆孔參數設計

根據實際巖石分布情況及其與隧址間的關系，采用地質鉆機鉆孔，炮孔直徑取90 mm，布孔形式采用梅花形結構，孔距a取1.0 m。根據巖層厚度及與周圍土層的關系，從最小厚度排炮孔開始起爆，通過毫秒導爆管雷管孔內延時分排起爆，為防止盲炮產生，孔內均采用雙發雷管。孔網參數布置示意圖見圖2和圖3。

圖2 爆破炮孔布置平面示意圖Fig.2 Plan layout of blasting holes

圖3 巖石爆破裝藥結構示意圖Fig.3 Charging structure of blasting holes

3.2 炸藥單耗計算

3.2.1 炸藥單耗

因受盾構開口率、破碎機及泥水管路輸送能力影響，要求巖石爆破破碎塊度不大于30 cm，爆破設計時，盡量降低爆破后巖石塊度大小。采用推導經驗公式計算，根據本工程地層中巖石特性及所采用的乳化炸藥性質，巖石強度為80～130 MPa，為了達到破碎效果，取單軸抗壓強度為130 MPa的花崗巖進行計算，其［σt］=3.7 MPa，裝藥密度 ρw=1 060 kg/m3，巖石泊松比 μ =0.14，通過泊松比計算 b=0.16，α =1.84，采用式(7)計算q=2.13 kg/m3。現場實際采用炸藥單耗為2.2 kg/m3進行裝藥爆破。

3.2.2 單孔裝藥量確定

根據理論推導炸藥單耗意義，施工時單孔裝藥量

式中:Q為單孔裝藥量，kg;q為無自由面巖石爆破單位炸藥消耗量，kg/m3;a為炮孔間距，m;H為需處理的巖石厚度，m。

根據盾構直徑及周邊環境，確定鉆孔設備和炮孔間距，其中炮孔行間距a取1.0 m，代入式(9)得:Q=2.2H。在實際操作過程中，根據調查所得巖石厚度代入式(9)計算出每孔的裝藥量，階段爆破后對爆破效果進行驗證，目前主要采用地質鉆孔取芯的方式進行，根據取芯芯樣的破碎程度及時調整爆破參數。

3.2.3 裝藥結構及起爆網絡

采用非電毫秒雷管超爆網絡，孔內外延時相結合，每孔內均采用雙發雷管，孔口及孔底各裝1發雷管，連接成2套并聯網絡，孔內裝藥采用連續裝藥。填塞長度為覆土厚度。

3.2.4 最大單段藥量的確定

根據我國相關規范［7］及國外的一些研究成果，最大段裝藥量采用薩道夫斯基的經驗公式推導:

式中:v為地震安全速度，cm/s;Q為最大段裝藥量，齊發裝藥量，kg;K為與地質條件有關的系數;α為與巖性、地形地質因素相關的爆破衰減系數。

K，α屬于經驗數值，巖石中K為30～70，軟土中K為150～250，半巖半土段K取70～150;α為爆破地震波隨距離衰減的系數，一般為1.5～2.0，較遠距離取1.5，近距離取2.0，實際變化為 0.88 ～2.80。結合本工程實際情況，暫按中硬巖取值:K=200，α=1.8，在爆破作業中，K，α也需要通過爆破振動監測用回歸方法進一步確定。

主要考慮對1#洞管片振動影響來確定最大單段藥量。兩隧道間距為19 m，控制振速取15 cm/s，按式(10)計算允許最大裝藥量為91 kg。

3.3 爆破器材的選擇

炸藥選用防水性能、安定性和起爆性能良好的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，長度為40 cm，單卷藥重1.2 kg。孔內雷管選用毫秒導爆管雷管MS1－10段，導爆管長30 m。采用起爆器進行起爆。

4 爆破破碎效果檢驗

4.1 鉆孔取芯驗證

因巖石深埋地層中，爆破后無法直接觀察到，因此現場采用地質鉆對爆破后的巖石取芯，通過對所取到的芯樣進行分析，確定最終的爆破效果是否滿足盾構通過的要求。圖4為爆破前某處巖石鉆孔取出的芯樣，巖體結構較完整，節理裂隙少。圖5為爆破后某處巖石取出的芯樣，從現場取芯結果可以看出:巖體比較破碎，大部分粒徑較小，較大粒徑也均小于原設定的30 cm要求，達到了預期的效果，爆破后盾構順利地通過了該巖石地層。

圖4 爆破前巖石鉆孔取芯圖Fig.4 Drilling cores taken before blasting

圖5 爆破后取芯驗證圖Fig.5 Drilling cores taken after blasting

4.2 對既有結構的影響

通過對已完工的1號洞管片爆破振動監測情況可知，基巖段爆破產生的爆破振動速度均較小，而孤石段爆破產生的爆破振動速度相對大些，見圖6和圖7。分析原因，一是基巖段巖性較孤石段好，地震波在巖土介質中傳播，其地震效應除決定于爆破本身性質外，主要決定于巖土介質本身的振動周期。實測表明，在軟弱的巖石中地震效應要強烈些，在堅硬的未被破壞的巖石中，其地震強度要比軟弱巖石中低。而孤石段主要是花崗巖殘積土、強風化花崗巖并且呈土狀，波阻抗比小，爆炸能量耗損小，其能量主要傳到管片襯砌上，因而，測得孤石段的振速遠大于基巖段的。另外，基巖段測試的爆破振動主振持續時間長，能量隨時間分布較為均勻。而孤石段測試的爆破振動出現波峰或波谷較大時刻，質點振動頻率較高，持續時間極短，能量不大，作用在管片上的破壞作用也就相對較小，其他時間段主振時間較長，質點振速較對較小。在進行爆破振動監測的同時也對1#洞已拼裝管片的變形情況進行了監測，爆破前后，爆破區域同里程段的管片變形較小，管片收斂及管片上浮均沒有發生明顯的變形情況，最大收斂值僅為4.3 mm，最大上浮值僅為3 mm，管片并沒發現有明顯新增裂紋等異常情況，結構是安全的。

圖6 基巖段爆破振動測試波形圖Fig.6 Form of vibration wave of blasting in bedrock section

圖7 孤石段爆破振動測試波形圖Fig.7 Form of vibration wave of blasting in boulder section

5 討論與體會

1)區別于以往的研究成果，本文重點是理論推導出了無自由面巖石炸藥單耗爆破經驗公式，在本工程花崗巖爆破預處理中得到了很好的驗證，可應用于類似工程中。

2)根據理論推導出的炸藥單耗公式，確定本工程爆破參數中的炸藥單耗，方案較為成功，破碎效果良好，滿足了盾構順利通過的要求。

3)孤石爆破產生的爆破振動幅值較大，但質點振動頻率較高，持續時間極短，能量不大，對結構物的破壞作用也相對較小。

4)根據盾構通過時所要求的巖石最小塊度，怎么更好地計算爆破后巖石的破碎塊度大小，需做進一步的研究工作。

5)怎樣降低在城區盾構施工中孤石爆破過程產生的瞬時較大振動幅值及爆破后巖石的破碎塊度大小的計算方法需做進一步的研究工作。

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