隧洞開挖單循環進尺對超挖量的影響研究

2021-05-14 00:25:02楊玉銀，李俊峰，楊仕杰，郝利軍，白軍平

四川水力發電 2021年2期

楊玉銀，李俊峰，楊仕杰，郝利軍，白軍平

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 概述

在隧洞開挖施工中，通常認為單循環進尺越大其超挖量越大，并且認為單循環進尺對超挖量的影響非常顯著，主要有以下幾種觀點：一種是習慣性地認為單循環進尺與超挖量成正比關系，比如單循環進尺1 m時超挖量為1個單位體積V，那么，單循環進尺3 m，其超挖量即為3V；另一種觀點認為單循環進尺與超挖量成平方關系[1，2]，比如單循環進尺1 m時其超挖量為1個單位體積V，那么單循環進尺3 m，其超挖量即為9V。在地下工程開挖施工技術規范[3]中是這樣描述的：相鄰兩排炮孔的巖面錯臺取決于鉆手的操作水平和鉆孔深度，排炮鉆進越深，兩排炮間巖面的錯臺越大，因此，必須合理選擇排炮進尺。

以上觀點均認為：單循環進尺越深，其超挖量越大，并且單循環進尺對超挖量的影響非常顯著。但是在實際爆破施工中我們發現：以上觀點均具有一定的局限性。隨著單循環進尺的增大，超挖量并沒有成正比或平方關系增大，單循環進尺對超挖量的影響不是很明顯，因而需要我們進一步探索、研究隧洞開挖中單循環進尺與超挖量的關系，筆者對此研究進行了詳述，具體的研究目的如下：

(1)通過研究，進一步明確隧洞開挖中單循環進尺對超挖量的影響程度。

(2)為隧洞開挖施工中的單循環進尺選擇提供支撐依據。

2 研究的基礎

(1)鉆孔工具的選擇：在隧洞開挖施工中，最常用的鉆孔工具為YT28型手風鉆。因此，對鉆孔工具的研究選用YT28型手風鉆，鉆孔直徑為38～42 mm，(圖1(a))，基本結構尺寸見圖1(b)。

(a)鉆機實物

(b)結構尺寸圖1 YT28型手風鉆結構圖

(2)鉆孔要求[4，5]：鉆掌子面左側墻周邊孔時，要求鉆機調壓閥外側緊貼左側墻巖面向前推進；鉆掌子面右側墻周邊孔時，要求鉆機氣管彎頭側緊貼右側墻巖面向前推進；鉆頂拱周邊孔時，要求鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面向前推進。

(3)鉆桿長度要求：鉆孔時，設定鉆桿剩余20 cm左右時停止鉆孔，即鉆桿總長度至少比設計單循環進尺多20 cm。

(4)周邊孔爆破方法：采用光面爆破[6，7]。對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖，其半孔率一般為85%以上，可以有效控制鉆孔外超挖，降低爆破對圍巖的擾動。

3 研究采用的計算模型

3.1 研究采用的計算模型

周邊孔鉆孔狀態及孔底超挖計算模型見圖2。模型基本要素如圖2所示：L1為設計單循環進尺，cm；L2為鉆機貼巖面點至掌子面的垂直距離，cm；L3為鉆機至掌子面預留距離，cm；L4為鉆機貼墻側至鉆機尾部距離，cm；a為鉆機緊貼

圖2 周邊孔鉆孔狀態及孔底超挖計算模型

巖面點至鉆桿中心線延長線的交點距離，cm；a1、a2為周邊孔最小鉆孔外偏角，°；△r為孔底徑向超挖值，cm；△r1為理論平均徑向超挖值，cm。

3.2 基本要素值的確定

(1)設計單循環進尺L1：研究時選取的計算隧洞開挖中最常用的單循環進尺：200 cm、250 cm、300 cm、350 cm、400 m，并需進行計算結果的分析與對比。

(2)鉆機貼巖面點至掌子面的垂直距離L2：由單循環進尺L1、鉆機至掌子面預留距離L3、鉆機貼巖面點至鉆機尾部距離L4三部分組成，即L2=L1+L3+L4。

(3)鉆機至掌子面預留距離L3：取L3=20 cm，即鉆機尾部至掌子面20 cm左右時停止鉆進。

(4)鉆機貼巖面點至鉆機尾部的距離L4：根據圖2，①當鉆機調壓閥外側緊貼左側墻巖面或鉆機氣管彎頭外側緊貼右側墻巖面時，取計算值L4=52 cm；②當鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面時，取計算值L4=38 cm。

(5)鉆機緊貼巖面點至鉆桿中心線延長線的交點距離a：根據圖2，①當鉆機調壓閥外側緊貼左側墻巖面時，取計算值a=11 cm；②當鉆機氣管彎頭外側緊貼右側墻巖面時，取計算值a=14 cm；③當鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面時，取計算值a=11 cm。

(6)周邊孔最小鉆孔外偏角a1、a2按式(1)計算:

α1=α2=tan-1(a/L2)

(1)

(7)孔底徑向超挖值△r按式(2)計算:

△r=L1·tan(α1)

(2)

(8)理論平均徑向超挖值△r1按式(3)計算

△r1=△r/2

(3)

4 計算驗證

為了使此次的研究結果具有普遍性，筆者以隧洞施工中最常用的單循環進尺2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m為例進行了計算研究。

4.1 計算結果

采用以上單循環進尺時，根據式(1)、式(2)，其相應鉆孔外偏角和孔底徑向超挖情況計算結果見表1。

根據式(3)和表1，其理論平均徑向超挖值計算結果見表2。

表1 單循環進尺與周邊孔孔底徑向超挖值計算表

表2 理論平均徑向超挖值計算表

4.2 計算結果分析

(1)從表1中的計算結果不難看出：隨著單循環進尺由2 m逐漸增大至4 m，鉆孔外偏角和孔底超挖發生了以下變化：

①隨著單循環進尺的逐漸增大，鉆孔外偏角逐漸減小：調壓閥外側由2.32°逐漸減少至1.34°；氣管彎頭外側由2.95°逐漸減少至1.7°；排氣口頂部由2.44°逐漸減少至1.38°。

②隨著單循環進尺的逐漸增大，孔底超挖有所增大，但增大幅度非常小：調壓閥外側由8.1 cm逐漸增大到9.36 cm；氣管彎頭外側由10.31 cm逐漸增大到11.87 cm；排氣口頂部由8.52 cm逐漸增大到9.63 cm。

③同一單循環進尺條件下，右側墻(氣管彎頭側)超挖量最大，頂拱超挖量(排氣口頂部)居中，左側墻(調壓閥側)超挖量最小。

(2)從表2中的計算結果看：隨著單循環進尺由2 m逐漸增大至4 m，理論平均徑向超挖值有所增大，但增大的幅度很小：調壓閥外側由4.05 cm逐漸增大到4.68 cm；氣管彎頭外側由5.16 cm逐漸增大到5.94 cm；排氣口頂部由4.26 cm逐漸增大到4.82 cm。

5 實踐檢驗

在實際施工過程中，孔底徑向超挖值△r的大小可以通過前后兩茬炮之間的錯臺大小進行驗證。在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞工程施工中，為了監測隧洞鉆孔質量和孔底徑向超挖量的大小，分別對10#施工支洞和1#尾水隧洞主洞進行了連續10茬炮的孔底錯臺量測。

5.1 10#施工支洞量測情況

10#施工支洞量測洞段為0+299.62～0+332.12，屬Ⅱ類圍巖，開挖斷面呈城門洞形，寬8.16 m、高7.38 m，平均單循環進尺3.25 m,觀測點位為左側墻高1.65 m孔、右側墻高1.65 m孔與頂拱中心孔。兩茬炮間的具體錯臺量測結果見表3。

5.2 1#尾水隧洞主洞

1#尾水隧洞主洞觀測洞段為TRT(1)2+005.38～TRT(1)1+1 967.26屬于Ⅱ類圍巖，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.6 m、高13.45 m，上層開挖高度為9 m,平均單循環進尺3.81 m,觀測點位為上層左側墻高1.65 m孔與右側墻高1.65 m孔、頂拱中心孔。兩茬炮間具體的錯臺觀測結果見表4。

以上兩個量測洞段邊頂拱光面爆破半孔率均在95%以上，平均徑向超挖值均在10 cm以內。從表3中的觀測結果看，只要嚴格管理鉆孔作業人員，認真按照鉆孔要求鉆孔完全可以將鉆孔外偏角和孔底徑向超挖值控制到最小范圍。