鄰近寺廟群高海拔隧道鉆爆施工關鍵技術研究*

代青華,易 帥

(中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430050)

0 引言

鉆爆法作為一種高效的破巖工藝,一直廣泛應用在我國隧道施工領域,在破巖施工中取得了良好的成效[1]。但隨著建設項目覆蓋地域的高速擴展,爆區所在的工程背景更加復雜,施工中不僅存在鄰近建(構)筑物、高邊坡[2]等風險工況,對爆破安全控制技術需求高,同時對惡劣環境下提高作業工效、控制超欠挖等方面的實際需求也十分迫切。

過往研究中針對隧道爆破風險控制、技術參數優化研究多集中在爆破振動控制[3]與破巖工效提升[4]、超欠挖控制[5]等方面,主要考慮周邊建(構)筑物、地層地質、地質構造等因素,缺乏對振動預測模型應用工具、掌子面有效操作空間、軟弱圍巖排險擴挖情況的考慮。其中,過往爆破振動控制多集中在對振動規律的研究[6],亟需計算工具的更新迭代以加速推廣工程實踐。超欠挖控制研究中,軟弱破碎圍巖即使在保留高半孔率的施工質量下,排險期間掉塊、塌落依舊會形成大面積超挖,施工中常常需要采取更具針對性的控制措施[7];而在實際施工時,公路項目多利用開挖臺車平臺進行鉆孔作業,而臺車多無法覆蓋整個掌子面區域,存在鉆孔操作難、定位精度低等難題,設計與實踐的貼合度低導致作業工效、施工質量難以保證,是鉆爆施工中不容忽視的重要因素。

綜上所述,研究依托青海省同塞高速項目,基于高海拔地區鄰近寺廟群隧道爆破施工背景,針對施工中出現的超挖嚴重、鉆孔作業面不足、鄰近寺廟群爆破振動控制要求高的難題,在開展爆破振動風險識別程序研發,保障鉆爆施工期間寺廟群、人群免受振動擾動的同時,依據現場施工條件、地質環境,采用現場試驗、數值模擬、工程實測的研究手段,探究隧道鉆爆設計優化參數,解決現場施工中存在的鉆孔作業面不足、洞身超挖量大的問題,在保障本項目隧道施工安全、質量的同時,為類似條件隧道鉆爆施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

本項目為同賽高速項目第四標段,里程范圍為K33+524—K38+740段,項目起點接扎毛水庫3號隧道出口,終點為果蓋布隧道(小里程1 410m),線路總長5.216km,地處海拔3 000.000m左右,為高海拔施工區域。項目施工隧道5座,主要為德慶隧道(654m)、總庵隧道(752m)、總卡1號隧道(423m)、總卡2號隧道(1 532m)、果蓋布隧道(承建小里程1 410m),洞內主要為V/IV級圍巖,采取鉆爆法掘進施工。

依據前期地質勘察資料、施工設計圖及超前地質預報,洞身主要分布強風化砂巖夾板巖、中風化砂巖夾板巖,青灰色,中-細粒砂狀結構,中厚層狀構造,原巖結構、構造部分被破壞,節理、裂隙較發育,巖體破碎,泥質膠結,主要礦物成分為石英、長石、云母,含少量巖石碎屑,錘擊不易碎,巖芯呈柱狀,局部夾薄層板巖。

1.2 隧道施工概況

依據工程地質資料及現場勘探情況,本項目隧道進洞段采用機械開挖,淺埋段采用CD法,V級圍巖采用環向開挖預留核心土法,IV級圍巖采用兩臺階法鉆爆開挖。爆破設計輔助炮眼交錯均勻布置,周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上,光爆層厚設計取0.625m,周邊眼間距50cm、非連續裝藥;掏槽炮眼加深20cm并采用楔形掏槽,作用高度3.2m、長度1.8m;起爆采用數碼電子雷管,分段延時爆破。設計每循環進尺2.0m,爆破效率87%,每循環方量168.32m3,炸藥單耗0.76kg/m3,光爆炮眼痕跡率90%。IV級圍巖爆破參數如表1所示。

1.3 施工技術難題

1)鄰近寺廟群爆破振動安全閾值要求高 本項目主線隧道穿越山嶺兩側存在多處藏族寺廟,其中緊鄰工點總卡1號隧道進口距離當地古寺宗俄寺約220m,其余隧道工點與鄰近寺廟爆源距為300～500m,寺廟建筑年限長且本身宗教特色明顯,不僅需采用高標準振動閾值保護古建筑,還需進行多高程、多點動態精準控制,實踐操作量大且影響因素多。

2)惡劣施工環境下鉆孔作業面不足且工作量大 本項目地處高海拔地區且隧道洞內環境惡劣,采用人工手持鉆機鉆孔作業工作量大,且開挖臺車作業面難以覆蓋掌子面全區(見圖1),現場設計鉆孔質量難以保障,且惡劣環境下作業極易衍生次生事故。

圖1 現場開挖臺車及作業區

3)軟弱破碎圍巖洞身超挖嚴重 隧道掌子面構造作用明顯,褶皺發育、裂隙密集致使圍巖劣化嚴重,雖然鉆爆排煙后洞身輪廓線保留較高的半孔率,但在排險掉塊、滑落、碎落后超挖嚴重,而繼續減藥存在欠挖風險。依據前期測量,排險后洞身平均超挖約25.4cm,最大超挖深度約42cm,結合排險期間人為觀測認為超挖為動靜荷載作用下,軟弱破碎圍巖受機械擾動、自重擴展導致。

受周邊環境、地層地質及作業條件影響,現有爆破設計難以滿足現場實際施工需求,現場施工直接導致了噴混超方量逾200%,且存在擾動藏民生活的風險。因此,研究以安全第一的原則,提出優先以爆破振動控制為主,采用控制最大齊爆藥量消除對寺廟建筑及人的振動擾動隱患,然后依據現場施工條件開展提高破巖工效、控制超欠挖的鉆爆技術優化研究。

2 振動風險控制研究

考慮山嶺隧道地勢起伏變化,研究采用考慮高程放大效應的爆破振動預測模型進行分析,利用Matlab程序設計開發數值擬合、工況分析的定量化程序,便于多點位進行鉆爆振動風險的長期動態控制。

2.1 程序設計

為便于現場作業人員快速識別風險數據,研究使用的Matlab GUI工具箱進行振動預測計算程序設計,通過Matlab app designer打包運行庫生成可獨立運行的.exe文件,使用時用戶可獨立安裝后運行。程序以考慮高程放大效應的振動模型為基礎,充分考慮山嶺地形高程差影響,沿用傳統的振動衰減擬合方式預測振動閾值內最大起爆藥量,以期達到簡便高效的應用效果。

考慮高程放大效應的預測模型[8]:

(1)

式中:Q為一次起爆最大段藥量(kg);R為被保護對象至爆源中心的距離,即爆源距(m);v為被保護對象允許振動速度(cm/s);k,α分別為與爆破條件、巖石特性有關的系數;H為邊坡爆破臺階高度(m);β為與高程有關的系數,其范圍為0.25～0.28。

為便于擬合計算,擬合采用公式變換后的線性擬合方式,變換后的公式為:

(2)

2.2 應用模塊

程序主要分為讀取振動監測數據、數值擬合、工況分析三大功能區,相互之間具有一定的數據處理邏輯和順序。

1)讀取振動監測數據 該模塊為程序的初始模塊,是振動數據導入程序的接口。施工現場監測數據采用excel表格統計整理后,由該模塊選入導進程序數據庫,經識別后作為數值擬合計算的基礎數據。

2)數值擬合 該模塊為程序的核心模塊,用于對基礎數據進行衰減公式的擬合處理,獲得k,α數值。

3)工況分析 該模塊為程序的分析模塊,主要利用擬合后的相關系數進行工況數據分析。用戶通過收集實際工況爆源距、高程差數據,并依據規范、設計等要求設定振動安全閾值,計算得到爆破最大齊爆藥量,并對比設計藥量判定施工風險并指導控制爆破設計優化。

2.3 振動監測及參數獲取

爆破振動波產生時受到的影響因素較多,精準擬合衰減公式需要針對工程背景獲取一定的監測數據基礎,并加強對過程數據的校對。現場選取代表性地層、地形的路塹施工爆區布設多組監測點,利用測振儀按照一定爆源距進行振動監測,在試爆后收集監測點數據導入程序處理,如表2所示。

表2 振動監測數據及擬合

2.4 施工過程動態控制

考慮到寺廟建筑功能特殊性及人員安全,振動閾值取GB 6722—2014《爆破安全規程》最高限值0.3cm/s,同時根據過往研究基礎[8],控制爆破總時長在1s內以減少人體擾動影響,如表3所示。依據上述風險分析研究顯示,在考慮高程差效應下鉆爆施工主要風險點為宗俄寺,設計最大起爆藥量需<16.17kg,同時考慮隨掌子面推進地質的變化,施工期間仍需結合監測點復核振動預測模型參數,構建施工振動風險全過程動態控制體系,適時指導爆破藥量調整、工效優化作業。

表3 控制爆破數值

3 掏槽工效優化研究

依據現場施工實際情況,現場有效作業不足的問題主要集中在掏槽孔作業區,原設計掏槽區尺寸為3.2m×1.8m,現有作業面難以精確實現設計布孔,需依據現有作業面優化掏槽區。本項目處于施工階段,已有爆破設計基礎且現有工作面具備實測條件,研究利用既有作業區劃定掏槽區后,依據掌子面圍巖條件布設拱頂下壓孔,采用現場試驗的方式進一步探究孔數、孔位優化參數。

3.1 現場試驗設計

基于過往研究基礎及施工經驗,試驗確定采用二級復式楔形掏槽,并在頂部加設1排下壓掏槽孔,計算單孔裝藥密度取0.75kg/m(考慮最大齊爆藥量≤16.17kg),同時由于斷面尺寸限制及設計參數確定掏槽間距0.8m,設計變量為孔數、總藥量及布置形式,受掏槽區域面積、掌子面地層等因素影響,現場依據試驗中拋擲距離、破巖級配等情況逐步確定優化參數,直至最終取得滿足現場施工要求的技術參數(見表4)。為便于判別,現場每組參數計劃實踐1～3個循環,試驗過程中密切關注隧道地層變化情況,避免地質變化影響試驗判別。

表4 設計試驗掏槽孔參數

3.2 試驗分析

通過對現場多次試驗進行分析發現,試驗1采用加藥、加孔方式進行大掏槽施工,現場拋擲石塊距離較遠且巖體破碎程度高,結合掌子面地層條件分析認為原本裂隙發育的巖體可降低藥量,掏槽以松動拋擲為主;試驗2～6采用逐步減孔、減藥并增大掏槽拋擲區域的技術參數,現場試驗5～6爆破后出現明顯塊石(長度超1m)且掌子面有明顯隆起,結合超前地質預報分析認為掌子面雖然受構造作用導致裂隙發育密集,但局部仍有塊石存在。因此,試驗3,4布孔形式可達到施工要求,后續采用試驗3,4進行3個循環爆破條件下,現場掌子面掏槽完整,而在掌子面中部鉆孔爆破有效提高了破巖級配。

3.3 掏槽區布孔優化

依據最大起爆藥量、試驗分析最終確定掏槽孔布設技術參數,并依據現場地質變化情況、爆破效果進一步優化單孔藥量,最終確定掏槽爆破技術參數如表5所示,此時鉆孔均分布在臺車有效作業區內,掏槽區寬約5.3m、高5.4m,輔助孔設一定角度鉆孔以提高拋擲效果,拱頂設單排45°下壓孔,底部依據地質架設雙排/單排炮孔,設計上臺階爆破總藥量60.3kg,擴大掏槽區減孔后相比原設計減少藥量20.8kg,作業工效、經濟效益提升顯著。

表5 優化后掏槽爆破參數

4 洞身超欠挖控制

依據現場施工實際情況,超挖問題主要是指圍巖在動靜載作用下受機械擾動垮落的情況,由于鉆爆排險期間人工測量初始超挖量安全風險高,研究擬采用數值模擬的方式,分析動靜載作業下圍巖松散層規律,結合排險后初支期間量測超挖數值探究超挖控制措施。

4.1 離散元模擬

研究采用離散元3DEC程序進行模擬,利用DFN隨機節理劃分圍巖仿真現場軟弱破碎圍巖條件,按照同比例尺寸建立開挖模型。為獲取有效的爆破荷載,研究利用LS-DYNA程序建立鉆爆炸藥模型,采集巖壁面爆炸荷載后導入離散元模型。如圖2所示,設計塊體分為兩個部分:藍色區域代表圍巖,青色區域代表需要開挖的部分,采用消除模塊模擬開挖出渣過程。為便于分析計算,采用間隔為0.2～1.0m的隨機裂隙切割,采用體積為0.15m3的不規則體進行網格劃分。模型的左右兩側設置為黏性邊界;頂面為應力邊界,應力大小等同模型上邊界以上的上覆巖層自重,計算為上覆巖層容重γ與上覆巖層厚度H之積;底面為豎向位移約束;其他面為位移約束邊界[9],相關參數如表6,7所示。

圖2 離散元模型

表6 圍巖力學參數

表7 節理參數

4.2 爆炸模型及參數

在爆炸模擬過程中,塊體采用Cowper-Symonds模型(見圖3),炸藥爆炸則通過修改Ls-dyna生成的K文件,使用JWL (Jones-Wilkins-Lee)狀態方程的命令文件,采用巖石二號乳化炸藥的參數設置[9-10]。同時,考慮到爆破應力波在邊界發生反射會影響監測結果,設計邊界條件為無反射邊界條件,打開剪切波與膨脹波的吸收開關。

圖3 爆炸模型

4.3 工況模擬及實測分析

模型中圍巖沿節理有明顯的滑移、位移,直觀表現為洞身軟弱破碎巖塊的松動、掉塊,進一步采集模型中松動裂隙的分布數據,結合現場實測初支期間超挖量分析認為,受動靜載作用影響,洞身拱角處松動最為明顯,在進一步排險后受自重力、機械擾動影響,由拱角向拱頂環向延展形成主要超挖區。

4.4 超挖控制措施

4.4.1周邊孔結構優化

原設計中周邊孔連續裝藥導致炮孔內裝藥集中度過大,同時由于現場φ32藥卷、φ42孔徑耦合系數相對小,難以在一定程度均勻釋放爆炸能。因此,研究提出采用中切藥卷的方式進行非連續裝藥。如圖4所示,采用巖石2號乳化炸藥單卷φ32、長30cm,現場沿縱向分割為半圓截面藥卷后,采用孔內非連續裝藥結構,同時在原設計基礎上以0.15kg藥卷單位進行控藥。

圖4 周邊孔裝藥結構

4.4.2拱頂收緊輪廓線

依據現場實測和理論分析認為,排險松塌主要集中在拱頂兩側,圍巖在動靜荷載作用下松散后受重力沿節理裂隙塌落,考慮軟弱破碎由于自穩性差,通過采用向內收緊拱角至拱頂周邊孔輪廓線向內12～16cm的方式,降低后期超挖量。

5 工程應用

通過應用爆破風險識別程序、鉆爆設計優化參數進行隧道鉆爆施工,鄰近寺廟群施工期間未對建筑造成損傷且無藏民投訴爆破事件;洞內鉆爆開挖掏槽效果良好,現場掌子面成型平整、巖塊破碎、爆堆明顯、出渣順利;洞身超挖控制有效,初支噴射混凝土超方量降至100%以內,且未考慮回彈等損耗,施工總體達到預期,如圖5所示。

圖5 項目現場實踐

6 結語

1)基于考慮高程放大效應的振動預測模型,研發了一款高效實用、可操作性強的爆破振動風險識別程序,初次試爆后經程序分析得到控制最大起爆藥量為16.67kg,為鉆爆設計優化提供了有效的量化數據支持,大幅提高了施工全過程動態控制振動閾值的作業工效。

2)針對現場海拔高、作業面不足的施工現狀,研究設計大掏槽區鉆爆參數,采用二級復式楔形掏槽,利用拱頂下壓孔、擴槽孔、輔助孔強化破巖掏槽能力,在保障掏槽施工質量的同時提高鉆孔作業工效、節省工程成本,降低了惡劣環境下高消耗勞作可能衍生的事故風險。

3)通過收緊拱角至拱頂周邊孔輪廓線,優化炮孔結構采用高耦合非連續裝藥,在降低洞身松散層厚度的同時預留重點超挖區排險層,有效解決了軟弱破碎圍巖隧道洞身排險超挖嚴重的難題。