環(huán)向切縫聚能管在隧道掘進(jìn)中的試驗(yàn)研究

周 凱，趙新琛，崔步云，蔣志明，彭 松，張慶彬

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114)

目前地下工程開挖主要以鉆爆法為主，掏槽爆破極大影響著掘進(jìn)效率。為提高地下工程的掘進(jìn)效率，不少學(xué)者對(duì)不同掏槽方式的掘進(jìn)效果和工程適用性開展了研究工作，包括復(fù)式桶式掏槽[1]，雙楔形、單螺旋和九孔掏槽，二級(jí)、加輔助掏槽孔、加裝藥中心孔復(fù)楔形掏槽[2]，混合掏槽[3]，復(fù)式楔形掏槽[4]，內(nèi)、外楔形結(jié)合的雙楔形掏槽[5]等。還有學(xué)者通過優(yōu)化爆破參數(shù)以增加掘進(jìn)進(jìn)尺[6-10]，以上研究主要通過采用不同掏槽方式和優(yōu)化掏槽爆破參數(shù)來增加掘進(jìn)進(jìn)尺。另外，為達(dá)到特定的工程目的和提高炸藥能量利用率，有學(xué)者研究了聚能爆破與常規(guī)爆破在裂紋擴(kuò)展和爆破漏斗方面的差異[11-12]；還有學(xué)者通過設(shè)計(jì)聚能裝置以實(shí)現(xiàn)炸藥能量的合理分布[13-16]，并將其成功用于隧道超欠挖控制[17]。

通過上述研究成果可以看出，關(guān)于掏槽孔掘進(jìn)效果的研究主要基于常用掏槽形式的爆破參數(shù)的優(yōu)化，且關(guān)于聚能爆破的研究也主要集中于其機(jī)理和能量分布的研究，實(shí)際應(yīng)用中也主要用于隧道周邊孔爆破以控制超欠挖，而將聚能爆破和掏槽爆破結(jié)合起來進(jìn)行研究的成果較少。為此，筆者基于爆破聚能理論設(shè)計(jì)出一種新型的環(huán)向切縫管，并將其應(yīng)用于隧道掏槽孔爆破中，研究其實(shí)際應(yīng)用效果。

1 工程概況

桑植隧道位于黔(江)張(家界)常(德)高鐵，隧道起訖里程為DK147+276.75～DK152+335，全長(zhǎng)5 058.25 m，為設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h的Ⅰ級(jí)雙線隧道，隧道斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 桑植隧道橫斷面設(shè)計(jì)Fig.1 Cross-section design of Sangzhi tunnel

為研究環(huán)向切縫聚能管在隧道中的實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，選取DK150+501～DK150+449.1區(qū)段為試驗(yàn)段，該區(qū)段圍巖屬于III級(jí)圍巖，巖體為三疊系下統(tǒng)大冶群薄層灰?guī)r，埋深大，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育且富水，層間結(jié)合力較弱，隧道開挖拱頂可能發(fā)生塌方及掉塊，且可能遇到高壓溶腔水及突水、涌水現(xiàn)象。

試驗(yàn)段采用全斷面施工、三臂鑿巖臺(tái)車鉆鑿炮孔，掏槽選用二級(jí)掏槽，炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥，采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管并跳段使用。爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

注：數(shù)字1、3、5、7、9、11、13、15為雷管段別。圖2 全斷面爆破設(shè)計(jì)Fig.2 Blasting design of the full section

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)向切縫聚能管設(shè)計(jì)

環(huán)向切縫聚能管選用壁厚2 mm、內(nèi)徑36 mm、外徑40 mm的PVC管。兼顧經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場(chǎng)的易操作性，聚能管的長(zhǎng)度確定為85 cm(包含2節(jié)藥卷長(zhǎng)度和一定預(yù)留長(zhǎng)度)。切縫沿PVC管環(huán)向切割成3等份，各等份間保留約1 cm的管材使PVC管不致斷裂[18]。試驗(yàn)過程中考慮切縫縱向間隔分別為2、3、4、6 cm。

2.2 環(huán)向切縫聚能管藥包掏槽爆破試驗(yàn)

在不改變?cè)刑筒蹍^(qū)爆破參數(shù)的前提下，將環(huán)向切縫聚能管內(nèi)裝入炸藥，然后將裝填好炸藥的聚能管送入掏槽孔底部，然后再進(jìn)行正常裝藥，聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示，炮孔布置和爆破參數(shù)分別如圖4和表2所示。

圖3 環(huán)向切縫聚能管結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the circular slit shaped tube

注：數(shù)字1、3、5為雷管段別。圖4 環(huán)向切縫聚能管藥包爆破試驗(yàn)炮孔布置Fig.4 Layout of the blastholes with circular slit shaped tube

表2 環(huán)向切縫管參數(shù)

2.3 掌子面中部增設(shè)超深孔的聚能管爆破試驗(yàn)

在環(huán)向切縫管裝入掏槽孔的基礎(chǔ)上，在隧道掏槽區(qū)域的中心位置從上至下增設(shè)4個(gè)超深直孔，孔深4.8 m，超深0.5 m，并在超深孔底部放入裝好炸藥的環(huán)向切縫管，采用反向起爆方式起爆，裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示，炮孔布置及爆破參數(shù)如圖6和表3所示。

圖5 環(huán)向切縫聚能管超深孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the circular slit shaped tube in the ultra-deep hole

注：數(shù)字1、3、5為雷管段別。圖6 超深孔炮孔布置Fig.6 Layout of ultra-deep holes

表3 超深孔爆破參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 環(huán)向切縫管爆破試驗(yàn)

1)掘進(jìn)效率。為分析爆破效果，收集了采用環(huán)向切縫管爆破的隧道進(jìn)尺和炮孔利用率數(shù)據(jù)，并將其與未采用環(huán)向切縫管的爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(見圖7)。

圖7 進(jìn)尺對(duì)比Fig.7 Comparison of the footage

可以看出，采用環(huán)向切縫管的聚能爆破比未采用該切縫管的普通爆破在爆破進(jìn)尺和炮孔利用率方面均存在一定幅度的提高，采用環(huán)向切縫管進(jìn)行爆破時(shí)，平均進(jìn)尺由3.79 m增加到4.05 m，增加了0.26 m；平均炮孔利用率提高了7%且全部達(dá)到95%以上。

由試驗(yàn)掏槽平均進(jìn)尺與環(huán)向切縫間距關(guān)系(見圖8)可知，隨著環(huán)向切縫管切縫的縱向間距的增加，掏槽進(jìn)尺與炮孔利用率也隨之增加，當(dāng)切縫的縱向間距在3～4 cm時(shí)爆破效果最優(yōu)，掘進(jìn)進(jìn)尺和炮孔利用率平均為4.18 m和99%。當(dāng)切縫間距為6 cm時(shí)，掏槽掘進(jìn)進(jìn)尺和炮孔利用率不升反降，說明環(huán)向切縫聚能管在實(shí)際應(yīng)用中被環(huán)向切縫的縱向間距影響。

圖8 試驗(yàn)掏槽平均進(jìn)尺與環(huán)向切縫間距的關(guān)系Fig.8 Relationship between the average footage and the longitudinal spacing of the circumferential slits

2)掏槽爆破振動(dòng)效應(yīng)。為對(duì)比掏槽孔采用環(huán)向切縫聚能管爆破引起的振動(dòng)情況，利用薩道夫斯基公式對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合(見圖9)，得到采用環(huán)向切縫聚能管的掏槽爆破所引起的振動(dòng)比未采用環(huán)向切縫管的一般爆破引起的振動(dòng)衰減慢。

圖9 掏槽區(qū)1段雷管起爆爆破振速對(duì)比Fig.9 Comparative of the blasting vibration velocity caused by the first segment of detonator

3.2 加設(shè)超深孔爆破試驗(yàn)

1)掘進(jìn)效率分析。掏槽孔采用環(huán)向切縫管爆破時(shí)，平均進(jìn)尺和炮孔利用率分別為4.05 m和97%(見圖7)，在此基礎(chǔ)上增加超深孔且采用環(huán)向切縫管爆破時(shí)，得到平均進(jìn)尺和炮孔利用率分別為4.18 m和98%(表4)，進(jìn)尺進(jìn)一步提高了0.13 m，炮孔利用率提高了1%。

表4 加設(shè)超深孔的爆破試驗(yàn)進(jìn)尺及炮孔利用率

另外，增設(shè)超深孔爆破試驗(yàn)時(shí)，增設(shè)的超深孔采用了MS1段雷管和MS3段雷管兩種段別的雷管進(jìn)行了起爆，對(duì)比二者之間的進(jìn)尺和炮孔利用率，發(fā)現(xiàn)采用與掏槽孔同段雷管起爆超深孔時(shí)的爆破進(jìn)尺和炮孔利用率均高于采用MS3段雷管起爆增設(shè)的超深孔(見圖10)，這主要因?yàn)椴捎猛卫坠芷鸨羁讜r(shí)增加了掏槽爆破的能量，而采用MS3段雷管引爆超深孔時(shí)，因?yàn)槠浔萂S1段雷管滯后爆破，中間掏槽區(qū)域的巖石已經(jīng)開始向掌子面臨空區(qū)域發(fā)生了一定的位移，所以其能量更多的作用于掏槽區(qū)被拋擲區(qū)域的巖體，從而降低了爆破進(jìn)尺和炮孔利用率。

2)掏槽爆破振動(dòng)效應(yīng)。通過對(duì)比只安裝環(huán)向切縫管與增加超深中間孔的爆破振速(見圖10)得知，采用環(huán)向切縫管并增設(shè)超深孔時(shí)，會(huì)大大增加掏槽爆破的振動(dòng)。如爆心距25 m時(shí)，僅采用環(huán)向切縫管聚能爆破引起的振動(dòng)速度值為5.52 cm/s，而采用環(huán)向切縫管、增設(shè)超深孔時(shí)且采用MS1段雷管起爆時(shí)，引起的最大振動(dòng)速度為28.11 cm/s，后者是前者的5倍左右。這主要是因?yàn)樵鲈O(shè)超深孔的同時(shí)也增加了掏槽區(qū)域的一次齊爆藥量，進(jìn)而增加了爆破振動(dòng)速度。

圖10 爆破振速對(duì)比Fig.10 Comparison of blasting vibration velocity

4 結(jié)論

1)環(huán)向切縫管以及在此基礎(chǔ)上增設(shè)的超深孔均可有效地提高掘進(jìn)效率，不會(huì)給施工增加較高的成本和額外地工作量，操作簡(jiǎn)單易行，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2)環(huán)向切縫管用于掏槽爆破可平均提高掏槽進(jìn)尺0.26 m，提高炮孔利用率7%，且環(huán)向切縫的縱向間距為3～4 cm時(shí)效果最佳，且引起的振動(dòng)衰減較慢。

3)環(huán)向切縫管和超深孔一起采用時(shí)，將進(jìn)一步提高掏槽爆破進(jìn)尺0.13 m，提高炮孔利用率1%，且中間超深孔采用MS1段雷管引爆的應(yīng)用效果要優(yōu)于采用MS3段雷管引爆，但MS1段雷管較MS3段雷管提高了振動(dòng)速度，所以能否在實(shí)際工程中應(yīng)用要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。