公路隧道Ⅴ級圍巖三臺階爆破技術設計及應用

毛益松,梁兵,莫志平

(1.國防科技大學, 湖南 長沙 410073;2.湖南交通工程學院高科技研究所, 湖南 衡陽市 421001;3.湖南長工工程建設公司, 湖南 長沙 410003)

1 工程概況

1.1 工程簡介

G59湖南省官莊至新化高速公路第10合同段項目部位于湖南省安化縣古樓鄉境內,設有3座隧道,分別為赤水溪隧道、土墻院隧道、向家隧道。全長3955 m,其中,左洞總長1960 m,右洞總長1995 m。隧道由Ⅴ級、Ⅳ級和Ⅲ級圍巖組成,且Ⅴ級、Ⅳ級和Ⅲ級圍巖所占比例分別為45.52%、32.26%和19.22%。隧道開挖斷面如圖1所示,以Ⅴ級圍巖SⅤa襯砌為例:寬12.7 m,高10.64 m,面積111.9 m2。隧道Ⅴ級圍巖地質屬志留系下統(S1),板巖夾變質砂巖地層,弱—中風化層巖質較硬,節理裂隙較發育,多微張,多呈塊狀、碎塊狀夾柱狀,巖石單軸抗壓強度為27.4～41.1 MPa。隧道穿過多個斷層破碎帶,地質變化大,圍巖穩定性差,據統計,Ⅴ級圍巖不同襯砌變換的最短距離為10 m,爆破參數選取變化大,爆破技術要求高。

圖1 隧道開挖斷面設計圖(單位:c m)

1.2 開挖方法

依據《公路隧道施工技術規范》(JTG/T 3660—2020)規定[1]和湖南省交通規劃勘察設計院有限公司《G59湖南省官莊至新化高速公路第10合同段隧道設計圖》[2]可知:隧道Ⅲ級圍巖采用長臺階法,Ⅳ級圍巖采用短臺階法,Ⅴ級圍巖采用環形開挖法,其中,Ⅴ級圍巖有SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4種襯砌形式,襯砌類型參數及使用地段見表1。據統計,SⅤa和SⅤb兩種襯砌形式總長度達到371 m,加上SⅤc襯砌遇到地質變化時改變施工方法的長度,占總長度的15%以上。

表1 Ⅴ級圍巖襯砌類型參數及使用地段

2 爆破技術方案

2.1 工法優化

設計中SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4種襯砌形式采用環形開挖法,即留環形開挖核心土法。為了隧道開挖快速施工、操作簡便、降低成本,根據超前鉆孔地質探測和施工經驗分析,當上臺階掌子面圍巖的自穩性好,不需要預留核心土能夠達到安全施工時,將表1中SⅤa、SⅤb的環形開挖留核心土法和三臺階法工法相互轉換[3-4],即取消上臺階核心土法,采用三臺階法,上臺階工作面用簡易臺車代替,如圖2所示。若探測到掌子面自穩性難以保證時,立即取消臺架,恢復預留上臺階核心土法。

圖2 三臺階法臺車(單位:cm)

2.2 三臺階法爆破施工方案

采取三臺階法進行爆破開挖方案時,首先,爆破施工后挖掘機清理爆渣形成臺階護坡[3],如圖3所示的,臺階回填部分的作用除了便于施工外,主要是給掌子面臺階面增加一個側壓力;其次,用楔形掏槽形式爆破開挖三臺階掌子面①部,松動爆破中臺階和下臺階的②、③、④、⑤部,并施作初期支護緊跟;再次,用裝載機通過此護坡拖回簡易臺架,出渣①部,并及時進行后期支護,施工時中臺階開挖左側約2/3寬度,右側約1/3寬度,便于上下施工機械設備。

圖3 巖石渣體臨時護坡(單位:cm)

三臺階法爆破技術措施要點:

(1)三臺階法在保證機械正常工作和圍巖穩定性許可的情況下,上臺階使用簡易臺車,安裝鋼拱架、噴漿施工方便靈活,對異常情況的處理更有效,保證施工作業人員設備的安全;

(2)臺階長度為6～10 m。過長時,初期支護短期內得不到封閉,不利于初期支護;過短相互影響嚴重,不利于施工效率的發揮;

(3)中臺階開挖時,懸空工字鋼拱架為2榀,且不得在同一環上,前后需錯位2～3 m,確保圍巖穩定。

3 爆破技術設計

3.1 臺階開挖高度確定

三臺階法施工的關鍵在于上臺階的爆破開挖,臺階高度矢跨比控制在0.3以上[4]。以SⅤa襯砌為例,上臺階高度3.80 m,開挖斷面積31.85 m2;中臺階高度3.15 m,開挖斷面積39.10 m2;下臺階(帶仰拱)高度3.73 m,開挖斷面積40.70 m2,如圖4所示。本文主要闡述三臺階法鉆爆施工參數設計及工藝。

圖4 三臺階法上中下臺階高度及面積(單位:cm)

3.2 上臺階爆破參數設計

3.2.1 循環進尺及炮孔深度

循環進尺:由于該隧道地段為Ⅴ級軟弱圍巖,開挖后自穩時間在10～16 h。根據支護工作的跟進速度,每次開挖循環進尺L=1.5 m,初期支護鋼架間距為0.5 m/榀或0.6 m/榀。

炮孔深度:炮孔深度l0為1.7 m。

3.2.2 掏槽孔形式及掏槽孔參數

掏槽孔形式:槽腔爆破效果決定整個上臺階的爆破效果,考慮上臺階炮孔所處位置和巖石的夾制作用很大,采用三對楔形掏槽孔形式,三臺階法的上臺階炮孔及掏槽孔設計如圖5所示。

圖5 上臺階炮孔布置及掏槽孔設計(單位:cm)

楔形掏槽參數:第1排掏槽角α=50°;炮孔間距為0.5～0.6 m;孔口距離為3.2 m,孔底距離為0.4 m,掏槽炮孔長度為2.21 m。

擴槽孔布置及參數:槽腔內設計二排擴槽孔,其目的是用以擴大掏槽的體積。把槽腔內碎石送出槽外,為下一級爆破提供新的臨空面,為保證爆破效果,保證不補炮。

考慮到此臺階扇形掌子面高3.8 m、寬10.96 m,距離掏槽孔0.6 m、0.70 m處布置2排擴槽孔,角度為60°、75°,炮孔長度為1.88 m、1.76 m,炮孔數量各為2×2個。

3.2.3 其他炮孔布置及參數

(1)掘進孔布置及參數[6]。掘進孔為周邊孔爆破創造有利條件。掘進孔應交錯均勻地布置在周邊孔與掏槽孔之間,并適當傾斜或垂直于開挖面打孔,力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。掘進孔炮孔間距為0.85～0.9 m,抵抗線W=0.6～0.9 m,炮孔深度為1.7 m,炮孔數量:二圈孔13個,壓爆孔2個,其他孔2個,總共為17個。

(2)周邊孔布置及參數。周邊孔參數:依據文獻[1]和爆破經驗取軟巖數據,其周邊孔間距E=0.3～0.5 m,實際取0.5～0.55 m;光爆層厚度V=0.4～0.6 m,實際取0.6 m。經計算,周邊孔數量為27個。周邊孔深度為1.7 m。

(3)底板孔布置及參數。底板孔垂直于開挖面打孔,孔距為0.80～1.2 m,底孔抵抗線W=0.70～0.85 m,炮孔深度為1.7 m,炮孔數量為11～13個。

3.2.4 裝藥量計算

(1)按照體積法計算。上臺階爆破炸藥單耗[5]平均按q=0.6～0.8 kg/m3取值,上臺階體積為54.15 m3,則裝藥量Q上=32.49～43.32 kg。

(2)按照圖解法計算。根據圖5計算,炮孔數為67個,上臺階裝藥量為35.7 kg。

(3)周邊孔裝藥集中度。按照文獻[1],板巖軟巖按q=0.15 kg/m取值。

Ⅴ類圍巖三臺階法上臺階爆破參數見表2,三臺階上臺階鉆爆經濟技術指標見表3。

表2 隧道Ⅴ類圍巖三臺階法上臺階爆破參數

表3 三臺階法上臺階鉆爆經濟技術指標

3.2.5 爆破網絡設計

上臺階起爆順序為掏槽孔→擴槽孔→輔助孔→周邊孔→底板孔;起爆方式采用1～13段毫秒延時導爆管雷管(15段較少采用),利用圈(排)間的毫秒差延時起爆;起爆網絡采用孔內延時起爆,每個炮孔內裝一發相對應毫秒導爆管雷管,將約20根導爆管采用“一把抓”的方式捆扎1束,為第一次“過橋”,每1束導爆管再用2發1段導爆管雷管,一般要求反向連接,最后再將“過橋”雷管捆扎1束,用高能起爆器起爆塑料導爆管直至整個網絡。

3.3 中下臺階爆破設計

(1)中下臺階炮孔設計:由于中下臺階的開挖都有上面、側面和立面三個自由面,因此,中臺階可以適當減少炮孔數量,其周邊孔、輔助孔和底板設計圖如圖6(a)、圖6(b)所示。

圖6 中下臺階炮孔設計(單位:cm)

(2)中下臺階爆破參數:隧道Ⅴ級圍巖三臺階法中下臺階藥量分配見表4。

表4 三臺階開挖法中下臺階爆破藥量分配

4 結論與建議

三臺階法在山嶺隧道Ⅴ級圍巖爆破施工實踐,尤其在板巖地質條件中具有如下優點:

(1)上臺階施工空間大,可直接用挖土機扒渣后裝車和裝載機吊運鋼拱架,與預留核心土法相比,工效可提高20%～30%;

(2)炮孔布置能適合鉆機鉆孔;

(3)爆破施工可以在上臺階和中下臺階左右5個作業面進行,上臺階采用楔形掏槽方式,減少了對圍巖的擾動,增加了爆破臨空面,降低了炸藥單耗;

(4)簡易臺車制作設備投入少,操作性強,三臺階的上臺階爆破設計是二臺階上臺階爆破的縮小版,爆破技術易掌握。

建議及時跟進沉降位移檢測工作,嚴格控制下臺階的開挖進尺。