隧道硬巖全斷面楔形掏槽爆破技術(shù)的應(yīng)用

■趙曉峰

(福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福州 350001)

1 前言

隧道和地下工程是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，隨著國家建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，隧道工程建設(shè)如何提高效率降低成本，是當(dāng)前的一大難題。目前隧道掘進(jìn)的主要手段是鉆爆法，而掏槽是影響爆破成功以及進(jìn)尺大小的關(guān)鍵因素，所以研究掏槽技術(shù)具有十分重要的意義[1，2]。掏槽爆破[3]涉及爆破作用、應(yīng)力場分布、巖石破碎及拋擲全過程，爆破作用又屬于三維問題，且掏槽爆破是爆破近區(qū)問題，爆破介質(zhì)在爆炸載荷作用下的力學(xué)行為具有非線性特征。因此在掏槽爆破機(jī)理研究中，數(shù)學(xué)解析、數(shù)值模擬和物理模擬都有較大難度，深入系統(tǒng)的研究不多，目前常見的文獻(xiàn)多是根據(jù)現(xiàn)場施工情況的經(jīng)驗總結(jié)。直孔掏槽機(jī)理有一些初步的理論研究[4]，而楔形掏槽爆破機(jī)理的研究發(fā)展較慢，只停留在經(jīng)驗總結(jié)和試驗階段。隨著隧道施工裝備的大型化和機(jī)械化，帶來了全斷面深孔爆破技術(shù)[5-6]的推廣和應(yīng)用，深孔直眼掏槽技術(shù)[7]有了較大的發(fā)展，并得到廣泛的應(yīng)用。但是直眼掏槽炸藥消耗量大，炮眼利用率偏低，并需要大直徑中空孔為其提供臨空面，在一定程度上限制了深孔直眼掏槽技術(shù)的普遍應(yīng)用。且在巖石條件復(fù)雜、巖性既堅硬又有較大韌性、破巖條件十分困難的情況下，直眼掏槽很難保證掏槽爆破效果，此時楔形掏槽爆破技術(shù)卻能顯示出更大的優(yōu)越性[8-10]。

2 工程概況

九峰隧道為長隧道，按上下行設(shè)計為左右兩條獨(dú)立的隧道，其中左洞長1411m，右洞長1380m，左洞起點樁號：B0+229，終點樁號：B1+640，右洞起點樁號：A0+230，終點樁號：A1+610。隧道進(jìn)口位于平面曲線范圍內(nèi)，出口位于平面直線范圍內(nèi)。隧道縱坡坡率/坡長：左洞為2.95%/1411m，右洞2.95%/1380m。隧道設(shè)計凈寬為13.5m、凈高為5m的三心圓曲墻式襯砌斷面，隧道進(jìn)、出口均為端墻式。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果揭示，主要地層特征性質(zhì)自上而下為：該處山體巖性以粉砂巖為主，局部發(fā)育有節(jié)理裂隙密集帶，隧道洞身段以中風(fēng)化粉砂巖為主，巖體較為完整，為堅硬巖，側(cè)壁較穩(wěn)定，圍巖級別以Ⅱ、Ⅲ為主，局部存在多條節(jié)理裂隙密集帶，巖體較破碎，側(cè)壁穩(wěn)定性差，拱部無支護(hù)可產(chǎn)生小坍塌，地下水主要為基巖裂隙水，開挖時主要呈淋雨-點滴狀出水。

3 斜眼楔形掏槽設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)及取值

楔形掏槽是由兩排以上的相鄰對稱的傾斜炮孔組成，爆破后形成楔形的槽，掏槽根據(jù)形狀劃分成水平楔形、垂直楔形兩種形式。隨著九峰隧道不斷掘進(jìn)，開挖面所處的上部山體高度不斷增加，巖石地應(yīng)力增高，同時圍巖的韌性強(qiáng)度不斷增加，圍巖完整性變好，可爆性降低，經(jīng)常出現(xiàn)掏槽效果不理想，同樣鉆孔深度爆破后的循環(huán)進(jìn)尺降低，甚至出現(xiàn)圍巖夾制力過大，掏槽爆破擠死而半邊未爆破剝離，需要重新鉆孔補(bǔ)炮現(xiàn)象。因此，為了改善隧道爆破進(jìn)尺低、掏槽擴(kuò)槽夾制擠死、擴(kuò)槽區(qū)爆破留巖坎嚴(yán)重、掌子面凹凸不平等狀況，本文結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗及各類掏槽技術(shù)研究成果[1-10]，對九峰隧道硬巖全斷面掏槽爆破進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對如何正確使用楔形掏槽進(jìn)行隧道爆破進(jìn)行研究。

3.1 斜眼楔形掏槽設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)

斜眼復(fù)式楔形掏槽設(shè)計涉及諸多影響因素，應(yīng)予以統(tǒng)籌考慮。由炮孔夾角θ、掏槽孔對數(shù)、掏槽高度A、孔口間距 b、掏槽孔底距 d、超深 h、炮孔傾斜度(1∶n)、炮孔長度L、擴(kuò)槽孔和掏槽孔最小抵抗線 (近似認(rèn)為孔底間距)W、掏槽深度 H、起爆順序等主要要素組成(如圖 1、2)。

圖1 復(fù)式楔形掏槽孔網(wǎng)參數(shù)立面示意圖

圖2 復(fù)式楔形掏槽孔網(wǎng)參數(shù)平面示意圖

3.2 藥量計算經(jīng)驗公式

掏槽孔裝藥量應(yīng)控制在適量范圍，裝藥量過大不僅會增大爆破擾動范圍，而且容易產(chǎn)生遠(yuǎn)距離飛石破壞洞內(nèi)設(shè)施，裝藥量能滿足槽腔拋渣徹底即可。在多數(shù)隧道爆破設(shè)計施工中，掏槽爆破藥量計算大多都是憑著經(jīng)驗進(jìn)行簡單取值和確定，不利于隧道爆破設(shè)計施工有章可循。結(jié)合前人經(jīng)驗，我們認(rèn)為：由于隧道掏槽為單自由面的爆破，應(yīng)根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論結(jié)合合理分布炸藥能量原則，第一級掏槽孔應(yīng)采用單自由面的球形藥包藥量計算公式，第二級及以上掏槽應(yīng)采用淺孔爆破藥量計算公式，擴(kuò)槽孔和輔助孔按淺孔爆破藥量計算公式，并結(jié)合表1進(jìn)行取值。

式中：，a——相鄰孔孔距，m；

b——相鄰掏槽孔排距，m；

H——掏槽深度，m；

N——同層掏槽深度Wi時的掏槽炮孔數(shù)，個；

K——標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗，kg/m3；

Wi——同層掏槽孔的掏槽深度或孔底抵抗線，m；

f(n)——爆破作用指數(shù)函數(shù)，f(n)=0.4+0.6n3，n為爆破作用指數(shù)；

L——炮孔長度，m；

Q單——單孔裝藥量，kg；

q線——單孔平均線裝藥量，kg/m。

3.3 計算參數(shù)及線裝藥量參考取值

表1示出了楔形掏槽炮孔裝藥量計算參數(shù)。

表1 楔形掏槽炮孔裝藥量計算參數(shù)

3.4 楔形掏槽基本形式

斜眼掏槽根據(jù)實際的地質(zhì)情況及開挖面寬度，可采用多重楔形掏槽或非對稱多重楔形掏槽等方式(如圖 3)，主要有如下6種形式：

4 孔網(wǎng)參數(shù)合理取值探討

4.1 掏槽孔深度H

楔形掏槽深度與鑿巖設(shè)備構(gòu)造、開挖斷面以及地質(zhì)情況密切相關(guān)，實際施工時需要將地質(zhì)因素作為決定進(jìn)尺的先決條件，不同斷面和不同地質(zhì)條件對掏槽孔爆破時的圍巖夾制影響不同。

(1)按開挖斷面大小來確定(如表 2)；

(2)按地質(zhì)情況來確定(如表3)；

(3)按巖石的可爆性確定(如表4)。

4.2 掏槽參數(shù)與巖石極限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

掏槽參數(shù)由巖石性質(zhì)決定，根據(jù)工程經(jīng)驗，可由表 5推薦選擇：

4.3 擴(kuò)槽孔抵抗線W

擴(kuò)槽孔抵抗線過大與不均勻，有可能造成孔底圍巖自我夾制擠死現(xiàn)象，且不利于提高整體炮孔利用率，建議按表6進(jìn)行考慮：

圖3 楔形掏槽各種形式示意圖

表2 開挖斷面大小決定的掏槽深度

表3 地質(zhì)情況決定的掏槽深度

表4 巖石可爆性決定的允許一次最大掏槽深度(m)

表5 掏槽參數(shù)與巖石極限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表6 擴(kuò)槽孔底抵抗線W取值

4.4 起爆順序

掏槽孔爆順序十分重要，是影響循環(huán)進(jìn)尺、爆破振動的關(guān)鍵因素，但實際施工時為圖省事，施工人員經(jīng)常以一排或一圈為一個段來進(jìn)行分段，根本沒有考慮到維護(hù)圍巖穩(wěn)定、改善爆破效果等因素。根據(jù)在一些隧道做過的振速測試結(jié)果表明[7-9]：在采用楔形掏槽的情況下，雷管使用ms1、3、5、7、9 共計 5 個段別的導(dǎo)爆管毫秒延期雷管，在距工作面5m附近的最大質(zhì)點振動速度為 20～25cm/s；如果在同等條件下，通過增多分段來減少單段齊爆藥量，即用 ms1、3、4～15段各段，則距工作面 5m附近的最大質(zhì)點振動速度陡降為 5～12cm/s，并且其軟弱圍巖超前支護(hù)以外的圍巖坍落高度，也由原來的 1～2m下降為 0～0.5m。也就是說，在不良地質(zhì)條件下施工時，可以利用掏槽孔爆順序來控制爆破振動、減少圍巖擾動，有效的抑制塌方產(chǎn)生。

多重楔形掏槽的炮孔間時差，建議根據(jù)以下原則來進(jìn)行選擇：兩層間時差應(yīng)大于 50～75ms；使用拋擲爆破時，軟巖大于75ms，硬巖大于50ms，掏槽孔與擴(kuò)槽孔間應(yīng)大于75ms。沿掏槽孔高度方向，雷管應(yīng)連段設(shè)置，起爆模式見下圖(如圖 4)。

圖4 起爆順序示意圖

5 鉆孔的控制與調(diào)整

一般情況下開挖面大多不平整，比較適合斜眼掏槽爆破，各孔網(wǎng)參數(shù)必須考慮開孔位置、傾斜度、炮孔深度等因素的影響，當(dāng)理論炮孔位置位于凹處時，實際開孔位置需向內(nèi)移動△H1=nh1，炮孔減少△L1=h1(1+n2)1/2，當(dāng)理論炮孔位置位于凸處時，實際開孔位置需向外移動△H2=nh2，炮孔加長△L1=h2(1+n2)1/2，孔底設(shè)計成相距約 20cm的孔間距來防止鉆孔交叉。當(dāng)不作上述孔位及孔長調(diào)整，實際孔底會有較大差別，這也是為什么在同等條件下，兩個班開挖會產(chǎn)生不同的循環(huán)進(jìn)尺的緣故(如圖5、6)。

圖5 楔形掏槽炮孔參數(shù)調(diào)整示意圖

圖6 楔形掏槽錯誤鉆孔示意圖

5.1 鉆孔角度控制

現(xiàn)場施工人員受技術(shù)水平約束，難以把握鉆孔的角度和方向，一般采取的做法是在掏槽中心鉆孔并插入標(biāo)明刻度的炮棍，利用鉆孔夾角或者斜率n來控制方向。也可以采取打鉆參照點的方式進(jìn)行控制調(diào)整 (具體操作見后述)。

6 不利的楔形掏槽形式

6.1 加大楔形掏槽范圍和分區(qū)掏槽

用斜眼楔形掏槽，能很好降低開挖成本，因為掏槽區(qū)槽腔體積較大，有利于后續(xù)炮孔的爆破。同時鉆孔精度對進(jìn)尺的影響遠(yuǎn)小于直眼爆破，正由于這一點斜眼掏槽在隧道隊伍中普遍得以運(yùn)用。在實際施工中，施工隊伍對于難爆的圍巖，會采用以下兩種形式調(diào)整：一是加大掏槽高度，二是同一工作面設(shè)兩次掏槽(如圖7)，這樣不利于炸藥能量合理分布，容易打亂其它炮孔特別是擴(kuò)槽孔的布置，加大鉆孔工作量，延長工作時間，不建議采用。

圖7 楔形掏槽形式調(diào)整示意圖

6.2 大角度、大抵抗線

采用大角度、大抵抗線的做法弊大于利，因為單位體積的炸藥消耗量對特定的爆破介質(zhì)而言為一常數(shù)，采用這種做法時炮孔數(shù)會較少，但在總用藥量不變的情況下，勢必單孔用藥量會較多，導(dǎo)致齊爆裝藥量增大，加大了擾動破壞范圍，降低了圍巖的自穩(wěn)定能力；大角度、大抵抗線雖然減少了炮孔數(shù)，可縮短鉆孔時間，但掏槽孔采用大角度、擴(kuò)槽孔和輔助孔容易形成大抵抗線，容易出現(xiàn)擴(kuò)槽區(qū)圍巖夾制爆破堵死現(xiàn)象，掏槽大塊，需要補(bǔ)炮，得不償失，不建議采用。

7 等距扇形布孔掏槽爆破優(yōu)化設(shè)計

7.1 等距扇形布孔掏槽爆破設(shè)計計算

參照以上楔形掏槽孔網(wǎng)參數(shù)選取原則、設(shè)計方法、藥量計算公式，結(jié)合九峰隧道工程實際，對硬巖全斷面掏槽根據(jù)圍巖情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。考慮對輪廓面圍巖的保護(hù)，周邊孔采取先進(jìn)的預(yù)裂(光面)輪廓控制爆破技術(shù)、優(yōu)化爆破網(wǎng)路等保護(hù)圍巖技術(shù)措施，二圈孔(緩沖孔)與周邊眼圈距取小值；擴(kuò)槽孔和輔助孔采取孔口和孔底排距均等的“等距扇形布孔”設(shè)計方法(如圖 8、9)，同時，擴(kuò)槽孔、輔助孔離掏槽孔越遠(yuǎn)，爆破作用指數(shù) n選取應(yīng)逐步遞減，即炮孔離周邊輪廓越近，n遞減，計算結(jié)果詳見表7、8。

表7 楔形掏槽爆破參數(shù)計算表

表8 擴(kuò)槽孔、輔助孔爆破參數(shù)計算表

圖8 楔形掏槽爆破炮孔立面布置圖

圖9 楔形掏槽爆破炮孔平面布置圖

7.2 等距扇形布孔掏槽爆破施工放樣方法

經(jīng)過對九峰隧道斜眼楔形掏槽進(jìn)行“等距扇形布孔”優(yōu)化設(shè)計后，根據(jù) CAD作圖和計算結(jié)果(如圖10)，掏槽擴(kuò)槽區(qū)帶各種炮孔網(wǎng)參數(shù)選取均較為合理，認(rèn)為設(shè)計是合理的。各炮孔延長線扇形交匯點大約在距離掌子面向外 8.3m的輪廓面拱腰邊墻上，按照便于施工原則，我們提出打鉆參照點施工方法：“一級打鉆參照點開鉆，二級打鉆參照點調(diào)整”施工方法。即：加強(qiáng)現(xiàn)場管理，利用臺車長度6m外邊緣在隧道輪廓面對應(yīng)位置作為一級打鉆基本參照點，預(yù)先開孔；利用各炮孔延長線交匯點作為二級打鉆精度參照點，在交匯點處放樣劃線打釘固定掛線，再水平拉緊測線校對鉆孔角度精度，適當(dāng)調(diào)整開孔角度與方向，能確保孔底距離基本相等，能很好解決現(xiàn)場無高精度量測工具造成開孔角度、方向無法定位及精度問題，各排孔均等距布置，鉆孔人員自行布孔放樣簡單方便；也解決了因布孔不合理造成隧道爆破主爆區(qū)炸藥能量分布不合理，掏槽擴(kuò)槽爆破孔底堅硬圍巖自我夾制擠死現(xiàn)象，能有效提高循環(huán)進(jìn)尺。

圖10 各炮孔打鉆參數(shù)控制示意圖

8 爆破效果

通過試炮調(diào)整各參數(shù)，注意凹凸不平掌子面的鉆孔調(diào)整，細(xì)化各孔分段，經(jīng)后期實測，在Ⅱ、Ⅲ級圍巖條件下，設(shè)計 4m循環(huán)進(jìn)尺，均能達(dá)到 3.6～3.8m的實際進(jìn)尺，設(shè)計 3.8m循環(huán)進(jìn)尺，均能達(dá)到 3.4～3.6m的實際進(jìn)尺，大大減少了掏擴(kuò)槽區(qū)夾制擠死補(bǔ)炮現(xiàn)象，提高工效；且整個工作面比之前更為平整，更方便下一循環(huán)的鉆孔爆破工作。而優(yōu)化掏槽爆破前的設(shè)計3.8m循環(huán)進(jìn)尺，只能達(dá)到3.1～3.3m的實際進(jìn)尺，假設(shè)每次鉆進(jìn)的深度、炮孔數(shù)、火工品使用量相等情況下，每公里減少循環(huán)數(shù)約為26次，也就是說能減少26次的鉆孔、裝藥、警戒、通風(fēng)、出渣、排險等時間，減少 26次火工品的浪費(fèi)，同時減少擠死補(bǔ)炮次數(shù)，降本增效明顯。

9 結(jié)束語

正確使用和掌握全斷面楔形掏槽爆破技術(shù)，能減少盲目施工造成的鉆孔、裝藥、警戒、通風(fēng)、出渣、排險等時間的浪費(fèi)和火工品的浪費(fèi)，更有效提高硬巖條件的施工速度；較寬的槽腔體積，能保證進(jìn)尺穩(wěn)定，在加快施工進(jìn)度，降低工程成本同時，減少擠死補(bǔ)炮次數(shù)，降本增效明顯。合理的等距扇形布孔的楔形掏槽爆破新技術(shù)設(shè)計，能保證工程整體質(zhì)量又有利于提高施工隊伍的技術(shù)素質(zhì)，促進(jìn)隧道設(shè)計施工的科技進(jìn)步，提高企業(yè)核心競爭力，值得在類似工程大力推廣和應(yīng)用。