微臺階精細(xì)爆破開挖工法在軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用

洪俊財(cái)

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510599)

1 工程概況

清林隧道起訖樁號：左線ZK52+905.895～ZK53+250，長度為344.105 m，最大埋深86.35 m，縱坡坡度1.40%；右線YK52+927.344～YK53+430，長度502.656 m，出口設(shè)計(jì)標(biāo)高約107.2 m，最大埋深97.07 m，縱坡坡度1.40%。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)鉆探成果，隧址范圍覆蓋層厚度大，地表未發(fā)現(xiàn)基巖出露，未測得節(jié)理裂隙發(fā)育情況，圍巖鉆孔巖芯為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，黃褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀-短柱狀，巖質(zhì)較硬，局部夾較堅(jiān)硬沙巖薄層。圍巖等主要為IV、V級。

2 施工工法分析選擇

2.1 微臺階法+精細(xì)爆破控制

安全步距：上下臺階距離較短，上臺階長度一般為3～5 m，高度為4 m，下臺階高度為6 m。掌子面與仰拱安全步距可以保證在30～35 m，滿足強(qiáng)制性要求。

施工效率：操作空間加大，上下臺階同時鉆孔，同時爆破、同時出渣，挖機(jī)操作空間加大，施工效率加快。

測量工效：上下臺階一次開挖完成，只需測量一次就完成。

工序銜接：上下臺階工序可以平行施作，開挖作業(yè)占用空間較少，工序間互相干擾降低。

爆破控技術(shù)：該技術(shù)主要采取定量化爆破設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)手段以及設(shè)計(jì)原理，對即將要執(zhí)行的爆破方案不斷優(yōu)化，包含有施工過程中的開挖分區(qū)、方式以及臺階高度等，明確爆破規(guī)模以及方式，通過對爆破技術(shù)的應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終有效控制爆破效果，減少有害效應(yīng)。

安全控制：臺階距離較短，能夠快速封閉成環(huán)，及時跟進(jìn)仰拱及二襯施作，確保安全。

2.2 其他工法

主要有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階臨時仰拱法、CRD法、CD法、下導(dǎo)洞法、弧形導(dǎo)坑開挖法，此類工法雖然能很好控制隧道變形，預(yù)防塌方，但是在施工中工序繁多，需要安裝、拆除大量的臨時支撐，作業(yè)空間小，進(jìn)度緩慢，成本加大，其中下導(dǎo)洞法自上而下爆破對圍巖擾動較大，三臺階臨時仰拱法對掏槽眼用藥量限制較大。

通過綜合各項(xiàng)因素分析，通過施工對比，論證了微臺階工法在工效、資源投入等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為保證隧道安全快速掘進(jìn)，采用微臺階結(jié)合精細(xì)爆破技術(shù)施工工法。

3 適用范圍

建議用于采取臺階法施工的軟弱圍巖地段。

4 微臺階施工方法

4.1 臺階長度、高度確定

微臺階長度和高度要做到既能確保各臺階在開挖過程中的穩(wěn)定，也要有一定的施工空間，方便機(jī)械作業(yè)，微臺階分上中下臺階和上下臺階兩種，本工程采用上下微臺階法，上臺階長度一般為3～5 m，高度為4 m，下臺階高度為6 m。

4.2 臺架加工

在臺架加工過程中，可以使用全斷面或者半斷面的作業(yè)臺架進(jìn)行改裝，只有需要在原作業(yè)臺架的掘進(jìn)方法加裝懸臂操作平臺便可。

4.3 微臺階開挖精細(xì)爆破專項(xiàng)設(shè)計(jì)

(1)循環(huán)進(jìn)尺

循環(huán)進(jìn)尺關(guān)系到裝藥量多少，Ⅳ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.6～2 m，若圍巖破碎嚴(yán)重時，上臺階每循環(huán)進(jìn)尺可以縮小到1 m，Ⅴ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺0.8～1 m。

(2)掏槽形式

采用斜眼楔形掏槽，掏槽眼深度根據(jù)拱架間距和循環(huán)進(jìn)尺確定。

(3)孔眼布置

在孔眼布置工作中，需要嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)開展布置工作，從上臺階拱腳處入手，將其控制在35～40 cm。在布置過程中要注意，該入手部位極易出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，可以通過加密丁字眼和調(diào)整藥量控制，空眼直徑42 mm，裝藥眼直徑42 mm，φ32藥卷連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔裝藥，堵塞長度：0.2 m。

(4)炮眼深度

合適的炮眼深度有利于提高掘進(jìn)速度和炮眼利用率，最大炮眼深度一般為斷面寬度B的(0.5～0.7)倍，可以利用炮眼利用率和計(jì)劃循環(huán)進(jìn)尺確定炮眼深度，所確定的炮眼深度還應(yīng)該與出渣能力相適應(yīng)，使每個作業(yè)班完成整數(shù)循環(huán)，炮眼深度按下列公式(1)計(jì)算

L為炮眼深度

(1)

式中：L為每掘進(jìn)循環(huán)的計(jì)劃進(jìn)尺；n為炮眼利用率，取值大于0.85。

周邊及輔助眼深度：Ⅴ級圍巖為0.8～1.0 m，掏槽孔和底板孔加深20～30 cm。

(5)爆破參數(shù)

不耦合系數(shù)D的選擇：D=42/32=1.31

周邊眼間距：E=(8-12)d=12×42=0.5 m，

取(0.5 m±0.2 m)左右都可以

抵抗線：W=(1.0-1.5)E=1.2×0.5=0.6 m。

(6)裝藥量

想要合理控制超欠挖現(xiàn)象，需要嚴(yán)格控制爆破過程中的裝藥量，在周邊眼部位，可以采用間隔裝藥的方式進(jìn)行爆破。裝藥量按下列公式(2)計(jì)算

Q=qv

(2)

式中：Q為每個爆破循環(huán)的總用藥量；q為爆破每立方巖石所需炸藥的用量，kg·m-3;V為每個循環(huán)進(jìn)尺的巖石總體積數(shù)，由于各炮眼受巖石夾制情況不同，裝藥量也不同，按照裝藥系數(shù)分配每個炮眼的裝藥量。以下為Ⅴ級圍巖裝藥計(jì)算，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及施工數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算校核

周邊眼裝藥集中計(jì)算

周邊眼單孔裝藥量

q=k×α×W×L×λ=1.4×0.5×0.6×1×1=0.42 kg

掘進(jìn)眼單孔裝藥量

q=k×α×W×L×λ=1.4×0.5×0.6×1×0.9=0.38 kg

(7)堵塞

炮眼裝藥后的剩余空間，須用炮泥堵塞，炮泥采用粘土與細(xì)砂的混合物，其比例為2∶1，淺孔堵塞長度為20 cm。

(8)起爆順序

起爆順序?yàn)樘筒垩邸o助眼→周邊眼→底板眼，底板眼裝藥量可以適當(dāng)加大，目的是起到拋碴作用。

(9)選擇合理的雷管起爆

非電毫秒雷管起爆間隔小，防止串段，采用1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段、15段段別和2段、4段、8段、10段、12段、14段別雷管進(jìn)行起爆。

4.4 噴射混凝土

當(dāng)巖面存在有滲水現(xiàn)象時，工作人員可以從實(shí)際情況入手，先噴砂漿，而后在砂漿當(dāng)中加大有關(guān)速凝劑的劑量，在確保初噴穩(wěn)定的情況下，再將其控制在原設(shè)計(jì)用量。如果巖面出現(xiàn)較大出水量，可以通過埋設(shè)盲管、鑿槽等方式，將多余的水引導(dǎo)排出之后在噴射混凝土。

4.5 監(jiān)控量測

(1)周邊位移量測、拱頂下沉、地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀測。

(2)噴層表面的觀察以及裂縫狀況的描述和記錄。

(3)通過收斂數(shù)據(jù)收集分析掌握施工安全情況。

5 微臺階安全控制要點(diǎn)

(1)在使用為臺階法開展施工活動時需要注意，保障上下臺階平行推進(jìn)的同時，防止已施作的臺階出現(xiàn)掉拱現(xiàn)象，有關(guān)系統(tǒng)錨桿等需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求開展施工活動。

(2)重視上臺階施工，保證上臺階開挖支護(hù)過程掌子面穩(wěn)定，嚴(yán)禁拉中槽開挖，保證各臺階相互協(xié)調(diào)施工。

(3)因?yàn)樵谑┕せ顒又校煌谱用娴墓ば虼嬖谟薪徊娆F(xiàn)象，因此所有施工人員以及設(shè)備要嚴(yán)格按照規(guī)定線路開展施工活動。

(4)根據(jù)實(shí)際揭示圍巖情況、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報資料合理確定開挖進(jìn)尺。

(5)開挖臺架移動過程中，臺架周邊10 m范圍嚴(yán)禁站人，臺架行走路面盡量平順，以防臺架在移動過程中傾覆。

(6)嚴(yán)格采取“上下緊跟、左右緊墊”的安全措施，即上臺階拱架緊跟掌子面不留空隙，仰拱初支緊跟下臺階封閉成環(huán)，各臺階拱架左右拱腳落到實(shí)處。加強(qiáng)控制鎖腳施工質(zhì)量，嚴(yán)控鎖腳打設(shè)的角度、長度、注漿及與拱架的連接，盡可能地保證后期減緩沉降速率。

6 成果檢測

較之其他工法，微臺階+精細(xì)爆破工法，施工進(jìn)度明顯加快，并且超欠挖由原來的30%降低到12%，并且滿足了掌子面與仰拱的安全步距要求，Ⅳ級圍巖月進(jìn)度由原來的70 m到現(xiàn)在微臺階開挖工法的80～90 m，每月開挖進(jìn)度比以前提高了15～20 m，炮眼利用率達(dá)到了90%以上，既提高了功效，又保證了爆破效果，因?yàn)樯吓_階不能使用大型機(jī)械，需要人工完成工作較多，要發(fā)揮微臺階優(yōu)勢，必須保證各臺階均能正常推進(jìn)。

7 結(jié)束語

將精細(xì)爆破技術(shù)和微臺階開挖工法有效結(jié)合，能夠有效改善圍巖的自身穩(wěn)定性，減少爆破工作對周邊巖石帶來的擾動現(xiàn)象，有助于巖石斷面快速閉合，最終提高施工活動的開挖水平，控制了超欠挖，保證了爆破效果，同時提高了隧道設(shè)備使用效率，縮短了工序銜接時間，提高了施工效率，縮小了隧道安全步距，滿足了規(guī)范要求。