隧道Ⅳ級圍巖上臺階爆破設計方案優化

王文科,蘇 鑫

（武漢工程大學 資源與安全工程學院,湖北 武漢 430073）

0 引言

光面爆破指沿開挖斷面輪廓線布置密集炮孔,采用不耦合裝藥方式或者裝填低威力炸藥,在主爆區之后起爆,沿設計輪廓線將光爆層崩落,獲得光滑、平整的壁面,達到控制輪廓線的目的[1]。

19 世紀 50 年代,光面爆破技術很快被應用在各種不同的巖層爆破中,并且隨著研究的不斷深入,在各種復雜地質條件下可獲得較理想的爆破效果[2]。但由于施工和管理經驗發展的不夠成熟,部分掘進爆破施工還達不到理想的光面爆破效果。

隨著云南、貴州等地方的發展,隧道爆破越來越常見,且大多數隧道含有Ⅳ級圍巖。對于復雜的爆破施工,光面爆破設計通常較理想化,對施工現場實際情況考慮較少,導致現場施工與設計不符,施工難度大。為此,需進行調整,優化爆破設計中的參數,使其與現場施工條件更相符,更有利于工人施工和現場監管人員監督管理,從而保證施工質量。

1 工程概況

某隧道爆破開挖設計,循環進尺為3.00 m,掏槽方式為雙楔形掏槽,一階楔形掏槽孔孔距為1.00 m,孔深為2.04 m,二階楔形掏槽孔孔距為2.00 m,孔深為3.32 m,眼底間距均為20 cm。該隧道采用光面爆破,而光面爆破周邊眼通常布置在輪廓上,或者布置在輪廓線內側10 cm,具體情況視巖石的堅硬程度而定,為達到光面爆破的效果,周邊眼角度為2°,孔底落在輪廓外10 cm,其他炮孔參數(輔助孔深度、間距)及具體炮孔布置如圖1 和圖2 所示。

圖1 炮孔布置立面圖(單位:cm)

圖2 炮孔布置平面圖(單位:cm)

從設計角度來看,周邊眼全部落在輪廓線上,輔助眼均勻地分布在掏槽眼和周邊眼之間,掏槽眼很好地布置在掌子面上,爆破設計合理。但是,由于受該隧道現場施工條件的影響,工人架設鑿巖機難以打出設計中的角度,施工較難。該隧道具體施工方式為工人站在地上或者鑿巖臺架上,手持YT-28 型氣腿式鑿巖機鉆眼。YT-28 型鑿巖機規格尺寸長為661 mm,配備的FT160BD 氣腿長度為1.4 m,釬桿長度為3.5 m 和4 m,主要以釬桿4 m 為例進行優化。裝載機尺寸為7 900 mm×3 000 mm×3 400 mm(長×寬×高)。臺架尺寸如圖3 所示。

圖3 臺架尺寸(單位:cm)

隧道是Ⅳ級圍巖,必須進行拱架支護,隧道總設計要求拱架支護距離掌子面不能大于1.6 m,現場實際距離為0.8 m,支架厚度為15 cm。如果周邊眼布置在輪廓上,那么周邊眼實際角度將嚴重超過設計的2°,顯然不能滿足爆破設計的要求,且現場受臺架尺寸的限制,導致掏槽孔和輔助孔均不能按照設計施工,因此,必須優化爆破設計方案。

2 設計方案優化

根據上述情況,針對現場實際與設計之間存在的問題,若按原爆破設計施工,必須增大拱架支護與掌子面之間的距離,這顯然是違反了設計要求的安全距離,即拱架支護距離掌子面不能滿足大于1.6 m 的要求,使隧道開挖存在嚴重的安全隱患。

楔形掏槽是在工作面上由兩排對稱的傾斜炮眼組成,爆破后形成如楔狀的槽腔。臨空面的性質(大小、數量)決定了爆破效果的好壞,由于隧道爆破只有一個自由面,為了使隧道整體爆破效果更好,必須通過掏槽方式人為地創造出新的自由面(臨空面),如果選用不正確的掏槽方式會降低炮孔利用率,甚至降到60%～70%,并且還會產生不良的爆破效應,如爆破振動大[3]。楔形掏槽與錐形掏槽都是盡量在炮眼底部集中裝藥,使炸藥爆炸時形成更大的威力把巖石爆破成拋擲漏斗。槽眼排距(每對槽眼的垂直距離)、眼數及槽眼角度根據巖石軟硬程度決定,排距一般為0.3～0.5 m,眼數一般為4～6 個,槽眼角度一般為60°～70°。楔形掏槽能提供較大區域的槽腔體積,有利于后續炮孔的爆破[4],提高循環進尺和炮孔利用率,減少炮孔數量,且適用性較強。根據工程經驗,采用手持風鉆進行爆破開挖的爆破作業,大多采用斜掏槽[5]。楔形掏槽有利于加快施工進度、降低工程成本。因此,該隧道選用楔形掏槽方式。

3 優化參數確定

結合現場的實際條件對爆破參數進行優化。

該隧道每循環進尺為3.00 m,考慮到炮孔利用率通常在80%以上,掏槽孔通常比輔助孔垂直深度深10～20 cm,為保證安全,炮孔利用率取80%,因此,輔助眼深度均為3.50 m,第一階掏槽孔垂直深度為2.58 m,第二階掏槽孔垂直深度為3.70 m。經現場調整,最終確定掏槽孔間距分別為2.50 m和3.50 m,孔底尺寸為20 cm,角度為66°,孔深分別為4.05 m 和2.82 m。周邊眼布置在輪廓線內15 cm 處,角度為77°,孔底落在輪廓線外66 cm處,炮眼間距約為50 cm,孔深3.59 cm,每兩個周邊眼之間距離隧道輪廓5 cm 處加設一個平行于周邊眼深1.2 m 的小孔,該小孔裝0.3 kg 的炸藥。受到臺架尺寸限制,輔助眼間需要盡可能均勻地分布在周邊眼和掏槽眼中間,優化后的炮孔布置和炮孔俯視圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 優化后的炮孔布置(單位:cm)

圖5 優化后的炮孔俯視圖(單位:cm)

4 方案優化前后爆破效果對比

圖6 和圖7 為爆破方案優化前后的爆破效果。通過對比可以看出,圖6 中有嚴重的超挖現象,主要是周邊眼傾斜角度過大引起,而且壁面上留下的殘孔率很低。按照優化后爆破方案的參數進行布孔、裝藥,爆破輪廓明顯,孔痕率明顯增加,不存在超欠挖現象,爆破塊度均勻且便于裝載機裝運,明顯提高了施工進度,可以滿足工程質量要求,施工進度能得到保證。

圖6 優化前爆破效果

圖7 優化后爆破效果

5 結論

1)理想化的設計往往由于沒有或者較少考慮現場的實際情況,操作難度大,難以達到爆破效果,甚至有可能會給工程帶來損失。

2)設計人員只有結合現場實際條件才能做出更加符合要求的設計方案。

3)優化后的方案在確保安全施工和進度控制要求的前提下,爆破的輪廓狀況可以達到施工質量的要求,且優化設計符合現場實際情況,方便技術人員現場管理。

4)本優化方案是依托該隧道實際參數進行優化,如Ⅳ級圍巖需要支護的厚度、斷面大小和鉆孔機械設備等。如果任意一個條件發生了改變,則需要根據現場的實際情況,重新進行爆破參數的調整。