長大隧道機(jī)械化施工的光面爆破應(yīng)用與研究

夏 林

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

1 爆破方式簡介

1.1 工程概況

蔡營隧道位于南安市南部石井鎮(zhèn),進(jìn)口位于蔡營采石場石材堆積區(qū),出口位于采石場中部地區(qū),起點(diǎn)里程DK201+450,終點(diǎn)里程DK204+700,全長達(dá)3250 m。隧址區(qū)屬剝蝕低山區(qū),山坡與山間谷地的相對高差最大約228 m,線路通過區(qū)域最大海拔為280 m,山體自然坡度約30°～50°,地勢起伏顯著,山體表面植被旺盛。隧址區(qū)主要地表裸露燕山晚期第二次侵入含黑云母花崗巖(γ53b)。

1.2 常規(guī)爆破方案

常規(guī)爆破方法受鉆機(jī)型號和開挖臺架的限制,所有炮孔的直徑均為50 mm,單循環(huán)進(jìn)尺設(shè)計(jì)為3.5 m。由于蔡營隧道是高速鐵路雙線設(shè)計(jì),斷面較大,綜合考慮,采用毫秒延期非電導(dǎo)爆管雷管、普通導(dǎo)爆管、CHA-500型起爆器、激發(fā)針等組合進(jìn)行爆破施工。采用三級復(fù)式楔形掏槽布置,共布置 18個(gè)掏槽孔,中間兩排炮孔間距為140 m,掏槽孔與掌子面的夾角約為60°～75°,孔口距為30 cm;沿隧道設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)側(cè)0.05 m處,進(jìn)行周邊孔的布置工作,掌子面與鉆孔角度的夾角φ>2°。周邊孔的孔間距分布不均勻,孔距在45～80 cm區(qū)間分布;炮孔堵塞采用較稀的炮泥以及炸藥包裝箱,且僅在炮孔孔口堵塞。

由于常規(guī)爆破方中爆破參數(shù)不夠合理、施工設(shè)備以及施工臺架的結(jié)構(gòu)與尺寸的影響,導(dǎo)致現(xiàn)場爆破效果不理想,進(jìn)而對爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。基于機(jī)械化的施工技術(shù),并結(jié)合爆破試驗(yàn),對爆破參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化,最終得到適于高速鐵路長大斷面條件下、結(jié)合機(jī)械化技術(shù)的光面爆破施工方案。

1.3 機(jī)械化光面爆破方案

常規(guī)爆破方法受鉆機(jī)型號和開挖臺架的限制,導(dǎo)致施工效率較低,與之相比的光面爆破法,基于機(jī)械化施工方法,使用三臂鑿巖臺車實(shí)施光面爆破[2-4]。該爆破方法不僅可最大限度的確保爆破面不受破壞,保持爆破面的平整,還可以有效的確保圍巖的穩(wěn)定[5]。光面爆破是在設(shè)計(jì)開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與最小抵抗線相匹配的光爆孔,并采用不耦合裝藥或其他特殊的裝藥結(jié)構(gòu)[6,7],在開挖主體爆破后,光爆孔內(nèi)的裝藥同時(shí)起爆,從而形成一個(gè)貫穿光爆炮孔且光滑平整的開挖面。

2 光面爆破優(yōu)化

2.1 周邊孔布置參數(shù)優(yōu)化

依附三臂鑿巖臺車液壓使用臺架布置合理的周邊孔位置。

作為控制開挖輪廓面平整度的主要因素:周邊孔間距(E),當(dāng)孔間距(E)取(10～15)d時(shí),其炮眼直徑(d)一般為35～45 mm,因此周邊孔間距(E)取值范圍:40～60 cm。另外,內(nèi)圈眼孔距一般取為80～120 cm。

作為直接影響光面爆破效果的主要因素:最小抵抗線W(光面層厚度),其取值范圍一般為(13～22)d,通常W≥E,因此最小抵抗線(W)一般取50～70 cm。

周邊孔布置示意圖如1所示,需要強(qiáng)調(diào)的是,如果光爆層的厚度小于周邊炮孔的孔距,其除了影響光面爆破的效果,也存在破壞周邊炮孔導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 周邊孔布置間距/cm

2.2 周邊裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為充分實(shí)現(xiàn)光面爆破,應(yīng)嚴(yán)格控制其實(shí)現(xiàn)條件,不僅需把控周邊孔的裝藥量,還需要設(shè)計(jì)適宜的裝藥結(jié)構(gòu),確保炸藥均勻分布于孔深周圍。

設(shè)計(jì)選用間隔裝藥法,將炸藥均勻布設(shè)于炮眼處,確保爆炸力沿炮眼全長均勻分布,并用導(dǎo)爆索傳爆。導(dǎo)爆索需要插入孔底藥卷10～15 cm并反向放入炮孔,防止導(dǎo)爆索從藥卷中扯出。放置導(dǎo)爆索時(shí)需確保其不打結(jié),另外導(dǎo)爆索在孔口需要留有40 cm左右用于綁接主導(dǎo)爆索。

2.3 導(dǎo)爆索連接方式優(yōu)化

為了達(dá)到光面爆破效果,確保周邊孔能同時(shí)起爆,導(dǎo)爆索的使用在爆破中顯得尤為重要。據(jù)施工現(xiàn)場反映,在之前的導(dǎo)爆索用于設(shè)計(jì)周邊炮孔的起爆網(wǎng)路中,經(jīng)常出現(xiàn)盲炮現(xiàn)象,導(dǎo)致后期補(bǔ)炮耽誤施工進(jìn)度。為此工人為了降低補(bǔ)炮工作量就放棄使用導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路,而是將2～3根支導(dǎo)爆索綁在一發(fā)起爆雷管上進(jìn)行爆破施工。

由于高段別雷管延期時(shí)間誤差范圍較大,如13段雷管的延期時(shí)間為650±50 ms,導(dǎo)致周邊炮孔很難達(dá)到同時(shí)起爆的目的,光面爆破效果較差且浪費(fèi)雷管。

在采用導(dǎo)爆索的現(xiàn)場施工中,因?yàn)橹Ь€導(dǎo)爆索在孔口相互搭接形成周邊孔起爆網(wǎng)路的混亂,爆破中容易出現(xiàn)盲炮。為了避免炮孔中的支線導(dǎo)爆索在孔口相互搭接造成的傳爆可靠性下降,需要將支線導(dǎo)爆索統(tǒng)一連接到主導(dǎo)爆索上。如果支導(dǎo)爆索采用傳統(tǒng)的搭接方式接到主導(dǎo)爆索上,需要考慮主導(dǎo)爆索的傳爆方向,只能在主導(dǎo)爆索一端設(shè)置起爆雷管,而采用T型接法可以不用考慮搭接導(dǎo)爆索的傳爆方向性,便于在主導(dǎo)爆索兩端都設(shè)置起爆雷管,增加網(wǎng)路可靠性。因此,在現(xiàn)場施工中炮孔的支線導(dǎo)爆索T型搭接到主導(dǎo)爆索上進(jìn)行爆破施工。

2.4 三臂液壓鑿巖臺車機(jī)械化施工

液壓鑿巖臺車是一種實(shí)現(xiàn)沖擊作用的機(jī)械裝置,通過驅(qū)動(dòng)高壓油泵,實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),達(dá)到一定的沖擊效應(yīng)[8]。液壓鑿巖臺車鉆孔直徑為34～45 mm,鉆孔深度一般在3～5 m,滿足現(xiàn)場施工及規(guī)范鉆孔要求,使用過程中具有動(dòng)力消耗少,利用率高,鑿巖速度快,噪音低等特點(diǎn)。

以蔡營隧道出口光面爆破為依托,通過人工常規(guī)爆破和鑿巖臺車機(jī)械化輔助爆破的對比,首先確定了機(jī)械化施工的可行性,其次分析機(jī)械化施工帶來的優(yōu)勢,并以此形成一套機(jī)械化光面爆破施工作業(yè)模式。如表1所示。

表1 人工與機(jī)械化施工對比表

人工光面爆破主要是通過人工手持鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔,鉆孔過程中,因?yàn)槿斯げ倏v鉆機(jī),對鉆機(jī)的掌控?zé)o法做到長時(shí)間的精確把控,導(dǎo)致人工鉆孔的精度偏差會(huì)較大,進(jìn)而對裝藥及后期爆破存在較大的人為因素的影響。且因?yàn)殂@機(jī)數(shù)量多,施工噪音大,對施工人員的身體會(huì)造成不同程度的損傷。人工手持鉆機(jī)架設(shè)在拼裝的施工臺架上,在鉆孔過程中,因?yàn)榕_架的印象,對部分點(diǎn)位無法在準(zhǔn)確的位置上進(jìn)行鉆設(shè),對后期裝藥爆破存在較大的影響。

機(jī)械化光面爆破施工是以三臂鑿巖臺車為依托,通過紅外線定位儀對爆破點(diǎn)位進(jìn)行精確對點(diǎn),而后臺車就位,通過機(jī)械的精確把控,在刨除人為因素和施工臺架的影響,在精度、人力、施工速度、施工環(huán)境上有著極大的改進(jìn)。

3 機(jī)械化光面爆破施工工藝

機(jī)械化光面爆破主要運(yùn)用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)爆破[9-10],其爆破施工工藝流程如下。

(1)施工準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備主要是臺車進(jìn)洞、接水電以及臺車定位的工作。作業(yè)班組將臺車開至掌子面合理位置,輔助人員接通水電,做好安全用電設(shè)施準(zhǔn)備,同時(shí)測量人員和作業(yè)班組對臺車進(jìn)行定位,確保臺車臂展在隧道有限空間范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

(2)測量放樣

測量人員通過全站儀,依托三臂鑿巖臺車上部施工臺架對隧道大斷面爆破點(diǎn)位進(jìn)行放樣,確保爆破點(diǎn)位的準(zhǔn)確性。

(3)臺車鉆孔

清理掌子面上的浮石和破碎層以便于鉆孔,將頂部和周邊的凸石清理掉以保證周邊孔的爆破質(zhì)量,操作人員通過控制面板和手柄來控制鉆臂的移動(dòng),按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的布孔圖,通過操作鉆臂的方位和角度與車載電腦上顯示的鉆孔設(shè)計(jì)的參數(shù)相符合時(shí),使推進(jìn)梁向前推進(jìn)頂?shù)綆r石,按下開始按鈕,鑿巖臺車自動(dòng)完成一個(gè)規(guī)劃孔的鉆鑿過程。

(4)裝藥堵塞

裝藥人員在三臂鑿巖臺車施工臺架上進(jìn)行裝藥,需要使用炸藥推送桿檢查鉆孔的質(zhì)量,并將炸藥通過桿長按照要求深度推送到洞孔中。對做好裝藥后的孔洞通過炮泥進(jìn)行堵塞,以確保爆破質(zhì)量。

(5)T型連接起爆網(wǎng)絡(luò)

T型接法可以不用考慮搭接導(dǎo)爆索的傳爆方向性,便于在主導(dǎo)爆索兩端都設(shè)置起爆雷管,增加網(wǎng)路可靠性,減少盲炮的發(fā)生概率,避免因補(bǔ)炮造成的施工時(shí)間的浪費(fèi)。

(6)起爆

洞內(nèi)其他作業(yè)人員和相關(guān)機(jī)械退出洞后,爆破人員拉響通知安全警報(bào)進(jìn)行爆破,爆破結(jié)束即開始通風(fēng)降塵。

4 結(jié) 論

(1)對原有人工光面爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,周邊炮孔未出現(xiàn)盲炮現(xiàn)象,并且半孔率大于80%,光面爆破效果良好,通過減少超挖,大大減少了混凝土的使用量,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(2)機(jī)械化施工大大節(jié)省了隱蔽工程中人力資源的使用,通過機(jī)械施工代替人工作業(yè)主要有以下優(yōu)勢:縮短光面爆破鉆孔時(shí)長,減少人工作業(yè)數(shù)量,有效的降低隧道內(nèi)機(jī)械施工噪音,提高隧道作業(yè)工人施工環(huán)境水平,進(jìn)一步提高鉆孔質(zhì)量,保證了光面爆破效果。

(3)蔡營隧道出口通過機(jī)械化施工進(jìn)行光面爆破,消除了原本人工光面爆破的缺點(diǎn),提高了工作質(zhì)量,縮短施工周期,加快施工進(jìn)度,在經(jīng)濟(jì)性和施工合理性上較人工作業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢。