沙特NEOM隧道項(xiàng)目支洞光面爆破關(guān)鍵技術(shù)研究

王 瑋

(連云港明達(dá)工程爆破有限公司,江蘇 連云港 222021)

0 引言

自進(jìn)入炸藥爆破開挖巖體的時(shí)代以來,人們就在不斷嘗試減小超挖和對(duì)保留圍巖的破壞,以控制落石風(fēng)險(xiǎn)及減少昂貴的支護(hù)費(fèi)用,由此發(fā)展出了不同的爆破控制技術(shù)。首先是開挖輪廓外預(yù)設(shè)線排孔[1],即利用密集的線性排列空孔阻斷爆破裂隙的發(fā)展和爆破振動(dòng)的傳播,從而保護(hù)開挖區(qū)域外圍巖,這一方法成本高昂且耗時(shí)較長,現(xiàn)已很少投入使用。緩沖孔爆破是由加拿大研究人員提出的[2],其孔距和抵抗線與光面爆破類似,裝藥結(jié)構(gòu)也采用導(dǎo)爆索串聯(lián)間隔裝藥,區(qū)別在于孔內(nèi)縫隙用碎石充填,以降低孔壁上的初始?jí)毫Α９饷姹萍夹g(shù)廣泛用于露天及地下爆破施工[3],并且至今都是地下控制爆破的主要技術(shù)手段。預(yù)裂爆破則是在光面爆破技術(shù)上的一次回溯,其原理與線排孔預(yù)先阻斷爆破裂隙和爆破振動(dòng)一致,只是成縫手段從機(jī)械鉆孔變?yōu)楸坪罂组g裂隙貫通。

本文從控制爆破原理入手,使用經(jīng)驗(yàn)公式分析光面爆破效果不佳的原因,并針對(duì)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行改進(jìn),通過儀器測量、觀測平整度等方式對(duì)改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。采用的改進(jìn)方法可為類似地下爆破施工提供一定參考。

1 工程概況

沙特NEOM隧道項(xiàng)目包含6條支洞,總長8 415m,項(xiàng)目位于沙特北部城市塔布克省境內(nèi)山區(qū),臨近約旦和埃及。圍巖由花崗巖、安山巖、閃長巖、砂巖等組成,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為30～170MPa,地下水不發(fā)育,以裂隙水為主,圍巖支護(hù)級(jí)別為S1～S5。

隧道由美國AECOM公司承擔(dān)設(shè)計(jì),美國BECHTEL公司提供監(jiān)理咨詢,執(zhí)行英國標(biāo)準(zhǔn),采用挪威法施工。典型開挖斷面為11.69m(寬)×8.62m(高),面積86.26m2。

2 爆破方案

本項(xiàng)目采用鐵建重工ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺(tái)車,采用空孔直線掏槽爆破方法,炮孔直徑45mm,空孔直徑127mm。爆破選用的炸藥為Saudi Chemical生產(chǎn)的Kemulex含鋁乳化炸藥,規(guī)格為40mm×550mm×500g和32mm×550mm×500g。孔內(nèi)起爆雷管為Sanel LP,延期時(shí)間200～6 500ms。孔外連接雷管為Bunch Connector,延期時(shí)間25ms。40g/m規(guī)格導(dǎo)爆索用于周邊孔光面爆破裝藥,5g/m規(guī)格導(dǎo)爆索用于搭配孔外連接雷管起爆孔內(nèi)雷管使用。炮孔布置如圖1所示,爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

圖1 全斷面炮孔布置Fig.1 Holes layout of full section

3 光面爆破影響因素

光面爆破的影響因素較多,主要為周邊孔間距和抵抗線、鉆孔質(zhì)量、圍巖力學(xué)性能、巖石節(jié)理裂隙、爆破器材性能、裝藥結(jié)構(gòu)等。項(xiàng)目開展初期光面爆破效果較差,具體表現(xiàn)為超欠挖嚴(yán)重、開挖輪廓面呈鋸齒狀、半孔率較低等,如圖2所示。多次修改裝藥結(jié)構(gòu)、周邊孔間距、周邊孔抵抗線等參數(shù)后,光面爆破效果幾乎沒有出現(xiàn)顯著改善。因此本文改進(jìn)方向放在周邊孔間距和抵抗線以外的其他因素上。

圖2 爆后輪廓面Fig.2 Profile after blasting

3.1 鉆孔質(zhì)量

根據(jù)殘留的半孔及孔底痕跡可以發(fā)現(xiàn)鉆孔質(zhì)量不高,鉆孔常出現(xiàn)炮孔歪斜、周邊孔底部連線呈波浪形等問題。這些問題反映了臺(tái)車操作人員不能熟練掌握全電腦臺(tái)車的使用要點(diǎn),出現(xiàn)如推進(jìn)速度過快、周邊孔外插角不統(tǒng)一等情況。

3.2 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)

緩沖孔沿用了崩落孔的裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[4]計(jì)算耦合裝藥條件下的裂隙區(qū)半徑:

(1)

(2)

式中:Rfr為裂隙區(qū)半徑(m);P為炸藥爆轟波陣面壓力(Pa);dsh為壓縮區(qū)直徑(m);ρ為炸藥密度(kg/m3);D為炸藥爆速(m/s);r為炮孔半徑(m);τc為巖石抗剪強(qiáng)度,一般為抗壓強(qiáng)度的0.1～0.4倍(Pa);Rsh為壓縮區(qū)半徑(m);d為裝藥直徑(m);σcomp為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Pa)。

項(xiàng)目所有隧道均為下斜隧道,炮孔內(nèi)均有一定的鉆孔殘留水。因此使用式(3)[5]計(jì)算含水不耦合炮孔條件下沖擊波傳播至孔壁時(shí)的波陣面壓力。

(3)

式中:Kd為不耦合系數(shù),炮孔直徑與裝藥直徑之比;α為沖擊波衰減指數(shù),取0.72;QVS為所使用的炸藥爆熱(kJ/kg);QVT為TNT爆熱,取4 200kJ/kg。

炸藥生產(chǎn)廠家提供的Kemulex炸藥性能參數(shù)為密度1 220kg/m3,爆速4 800m/s,爆熱3 800kJ/kg。將式(3)代入式(1)～(2)計(jì)算可得,φ40mm炸藥在圍巖中爆轟所形成的裂隙區(qū)半徑為0.3～0.9m。因此緩沖孔爆破形成的裂隙可延伸超過光爆層發(fā)展至被保留巖體中,周邊孔爆破時(shí)高壓氣體侵入裂隙將導(dǎo)致裂隙區(qū)圍巖脫落形成超挖。

3.3 周邊孔荷載持續(xù)時(shí)間

炮孔爆炸荷載持續(xù)變化可分為3個(gè)階段[6],第1階段為炸藥傳爆階段,在此階段炸藥爆轟產(chǎn)生的沖擊波傳入圍巖形成應(yīng)力波,炮孔內(nèi)荷載呈躍變式上升;第2階段為在應(yīng)力波的作用下炮孔壁上產(chǎn)生裂隙向四周發(fā)展并貫通巖層抵達(dá)臨空面,此時(shí)炮孔內(nèi)荷載開始衰減;第3階段為高壓氣體釋放階段,高壓氣體進(jìn)一波擴(kuò)展裂隙,使得高壓氣體擴(kuò)散并逸出到大氣中,這一階段荷載逐漸下降并趨于外界壓力。

可以使用式(4)～(9)[6-7]對(duì)3個(gè)階段的荷載進(jìn)行計(jì)算:

(4)

Cf=(0.2-0.3)Cp

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:T為炮孔爆炸荷載持續(xù)時(shí)間(s);L1為裝藥長度(m);D為炸藥爆速(m/s);LS為孔距(m);Cf為裂隙平均擴(kuò)展速度(m/s);L2為填塞長度(m);Va為爆轟氣體逸出速度(m/s);Ca為爆轟氣體卸載波速度(m/s);γ為爆轟氣體絕熱指數(shù),對(duì)于工業(yè)炸藥取3;Pj為C-J面爆轟壓力(Pa);ρj為C-J面爆轟產(chǎn)物密度(kg/m3);ρ為炸藥密度(kg/m3)。

式(4)是按爆破漏斗建模得到的計(jì)算式,爆轟氣體從孔口逸出。對(duì)于隧道光面爆破,爆轟氣體的逸出部位是其最小抵抗線方向,因此式(4)可簡化為式(10):

(10)

式中:LB為周邊孔抵抗線(m)。

對(duì)于本項(xiàng)目,周邊孔孔深5m,填塞長度0.4m,周邊孔抵抗線為0.6m,爆速取導(dǎo)爆索爆速,為6 500m/s,炸藥密度1 220kg/m3;圍巖P波速度為3 000～6 000m/s。代入式(4)～(10)計(jì)算可得炮孔爆炸荷載持續(xù)時(shí)間為1～2ms。孔內(nèi)起爆雷管技術(shù)性能手冊(cè)給出的延期誤差如表2所示。周邊孔內(nèi)雷管多選用4 000ms以上長延期雷管,最大延期誤差時(shí)間均大于350ms。由此可見周邊孔荷載持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于孔內(nèi)起爆雷管的延期誤差,因此周邊孔的爆破實(shí)際上是每個(gè)孔獨(dú)立完成的,沒有形成相鄰孔間應(yīng)力波的聯(lián)合作用。一方面先爆孔改變了后爆孔的最小抵抗線方向,容易造成欠挖,另一方面后爆孔產(chǎn)生的高壓氣體容易滲入先爆孔形成的裂縫中,從而造成超挖。

表2 延期與誤差時(shí)間Table 2 Delay time and vary time

3.4 周邊孔傳爆結(jié)構(gòu)

爆破后可發(fā)現(xiàn)大量導(dǎo)爆索殘留,周邊孔內(nèi)則可發(fā)現(xiàn)炸藥殘留,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)雷管已在炸藥內(nèi)部爆炸,但炸藥卻未能正常起爆。經(jīng)分析,該問題是由乳化炸藥自身敏化原理和起爆雷管延期誤差雙重因素引起的。

乳化炸藥在敏化前不具備雷管感度,需在乳化基質(zhì)中引入一定數(shù)量及粒徑分布的氣泡。敏化方式可分為發(fā)泡劑化學(xué)敏化和引入空心結(jié)構(gòu)微球物理敏化。使用化學(xué)敏化工藝生產(chǎn)的乳化炸藥抗壓性較差,在遭受深水壓力、撞擊、沖擊波等外界加壓時(shí)[8-9],敏化氣泡合并或逸出乳化基質(zhì),造成炸藥減敏失效。周邊孔距離較近,先爆炮孔產(chǎn)生的沖擊波傳入后爆炮孔時(shí)會(huì)劇烈壓縮孔內(nèi)炸藥,從而使得炸藥失去雷管感度,這會(huì)造成周邊孔距離成倍增大,無法形成光面爆破效果,形成局部欠挖。

3.5 周邊孔與緩沖孔延期間隔

爆破后可在周邊孔的中部和孔口發(fā)現(xiàn)應(yīng)處于孔底的完整藥卷,且未發(fā)現(xiàn)雷管和導(dǎo)爆索。而部分已爆的周邊孔底部孔壁則光滑完整,無爆破形成的放射狀裂痕。這一問題會(huì)引起局部欠挖,嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致光爆層局部未脫落,需重新爆破處理。

原設(shè)計(jì)中周邊孔與緩沖孔設(shè)計(jì)延期間隔為3s,假設(shè)拖曳導(dǎo)爆索的巖石以自由落體的方式下落,則可拖曳導(dǎo)爆索44.1m,這已遠(yuǎn)超炮孔的長度。這表明緩沖孔先行爆破導(dǎo)致的周邊孔區(qū)域部分巖體脫落,可拖曳孔外連接導(dǎo)爆索,從而造成藥卷、導(dǎo)爆索和雷管偏離設(shè)計(jì)位置。

4 改進(jìn)措施

4.1 提高鉆孔質(zhì)量

為提高鉆孔質(zhì)量,項(xiàng)目部邀請(qǐng)廠家技術(shù)人員駐點(diǎn)指導(dǎo)培訓(xùn),幫助操作手熟悉設(shè)備性能、操作要領(lǐng)和參數(shù)設(shè)置。并對(duì)操作手團(tuán)隊(duì)評(píng)優(yōu)評(píng)先,選擇水平高者擔(dān)任主操作手,負(fù)責(zé)周邊孔的鉆鑿。

現(xiàn)場技術(shù)人員、測量人員會(huì)同操作手在爆破后根據(jù)爆破效果及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù),避免操作手因畏懼欠挖而盲目擴(kuò)大外插角的情況。經(jīng)過培訓(xùn)及技術(shù)部門全方位介入鉆孔后,鉆孔質(zhì)量得到極大提升,解決了周邊孔偏斜、孔底落點(diǎn)雜亂等問題。

4.2 改變緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算可得裝藥直徑為32mm時(shí)裂隙區(qū)半徑為0.2～0.7m。綜合考慮鉆孔數(shù)量后,在不影響原有緩沖孔孔距及抵抗線情況下,將緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)改為孔底3支φ40mm藥卷裝藥,中部及頂部采用4支φ32mm藥卷裝藥,如圖3所示。中部及頂部抵抗線較小的部位使用小直徑藥卷可避免裂隙侵入圍巖,底部的大直徑藥卷則可在保證緩沖孔的爆破效果下無需增加炮孔。

圖3 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)的變化Fig.3 The change of cushion hole charging structures

在3A級(jí)圍巖中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),掌子面中心線左側(cè)采用修改后的緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu),中心線右側(cè)則仍沿用全部φ40mm藥卷的裝藥結(jié)構(gòu)。爆破清渣后輪廓平整度如圖4所示,左側(cè)及拱頂部位輪廓面較平整,平整度在±10cm以內(nèi),右側(cè)邊墻及拱腳位置輪廓面呈鋸齒狀,平整度達(dá)到-25-+15cm,表明改變緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)主要起到控制超挖的作用,這與計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖4 不同緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)光爆效果Fig.4 Smooth blasting effect of different cushion hole charging structures

4.3 減少周邊孔延期誤差

從雷管自身性能考慮,即使采用高精度導(dǎo)爆管雷管,其延期誤差也達(dá)到了4～10ms[11],這依然超過了周邊孔荷載持續(xù)時(shí)間。而沙特市場上電子雷管均來源于進(jìn)口,本身不僅價(jià)格昂貴,而且供應(yīng)也難以得到保障。因此選用導(dǎo)爆索起爆法來同時(shí)起爆周邊孔,根據(jù)周邊孔孔距0.55m,5g/m規(guī)格導(dǎo)爆索爆速為7 000m/s,可計(jì)算出相鄰的周邊孔起爆時(shí)差間隔僅為0.08ms,能滿足應(yīng)力波聯(lián)合破裂巖石的需求。

現(xiàn)場操作中使用5g/m規(guī)格導(dǎo)爆索串聯(lián)周邊孔,炮孔內(nèi)的導(dǎo)爆索與孔外傳爆導(dǎo)爆索采用水手結(jié)綁扎的形式連接,傳爆導(dǎo)爆索應(yīng)盡可能貼近巖面。同時(shí)孔內(nèi)設(shè)置了1發(fā)高段位延期雷管,以防傳爆導(dǎo)爆索被切斷形成盲炮。

采用5g/m規(guī)格導(dǎo)爆索串聯(lián)周邊孔后,拱頂部位半孔率可達(dá)95%以上,光面爆破效果良好。但邊墻位置依然呈鋸齒狀超挖嚴(yán)重。結(jié)合爆堆高度分析原因?yàn)橄缺诳仔纬傻穆涫袛嗔诉厜Σ课坏目淄鈧鞅瑢?dǎo)爆索。將傳爆導(dǎo)爆索更換為強(qiáng)度更高的40g/m導(dǎo)爆索后,光面爆破效果得到了一定改善,平整度提高。更換傳爆導(dǎo)爆索后的光面效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 更換傳爆導(dǎo)爆索后的光面效果對(duì)比Fig.5 Comparison of the smooth effect after replacing the detonating cord

4.4 改變周邊孔傳爆結(jié)構(gòu)

充分利用周邊孔內(nèi)的導(dǎo)爆索,增加起爆能解決炸藥減敏問題,將原來的雷管-炸藥-導(dǎo)爆索傳爆結(jié)構(gòu)改為雷管-導(dǎo)爆索-炸藥傳爆結(jié)構(gòu)。實(shí)施方法為將雷管與導(dǎo)爆索綁扎在一起后,插入藥卷2/3處,導(dǎo)爆索末端比雷管末端長1～2cm,確保雷管的裝藥部位可以緊密貼合導(dǎo)爆索,以防雷管不能起爆導(dǎo)爆索和炸藥從而造成整個(gè)孔內(nèi)裝藥失效。

使用加強(qiáng)起爆結(jié)構(gòu)起爆孔內(nèi)炸藥,即使炸藥減敏失效,導(dǎo)爆索的持續(xù)傳爆也能維持炸藥的低速爆轟,從而在圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力波和一定的高壓氣體,達(dá)到光爆效果。改變周邊孔傳爆結(jié)構(gòu)后,現(xiàn)場不再出現(xiàn)包含已爆雷管的殘藥,局部欠挖減少,光面爆破效果得到改善。

4.5 減少周邊孔與緩沖孔的延期間隔時(shí)間

取孔內(nèi)藥卷位移限制距離為0.3m,采用自由落體公式計(jì)算,此時(shí)周邊孔與緩沖孔的延期間隔時(shí)間為247ms,綜合現(xiàn)有雷管的延期間隔時(shí)間考慮取200ms。

將周邊孔與緩沖孔的延期間隔時(shí)間調(diào)整為200ms后,爆后未在孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)完整藥卷,且炸藥未在孔底設(shè)計(jì)部位爆炸的情況也基本杜絕。改進(jìn)后的延期段別如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的延期段別Fig.6 Improved delay sequence

5 結(jié)語

1)光面爆破的效果是由多種因素決定的,主要因素為鉆孔質(zhì)量、緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)、周邊孔延期誤差,次要影響因素為周邊孔傳爆結(jié)構(gòu)和周邊孔與緩沖孔的延期間隔時(shí)間。

2)緩沖孔內(nèi)裝藥半徑關(guān)系到裂隙區(qū)半徑,裂隙區(qū)侵入圍巖中將影響周邊孔的光面爆破效果。

3)導(dǎo)爆管雷管自身延期精度無法達(dá)到周邊孔應(yīng)力波聯(lián)合破裂巖石的條件,使用導(dǎo)爆索起爆周邊孔內(nèi)裝藥可以滿足這一需求。使用傳爆導(dǎo)爆索連接邊墻部位周邊孔時(shí)可以換用高強(qiáng)度導(dǎo)爆索,以防導(dǎo)爆索被先爆炮孔的落石切斷。

4)當(dāng)孔距過近時(shí),先爆孔產(chǎn)生沖擊波壓縮后爆孔內(nèi)炸藥將導(dǎo)致炸藥減敏失效,雷管和導(dǎo)爆索聯(lián)合作用增強(qiáng)起爆能可有效解決這一問題。

5)周邊孔和緩沖孔之間的延期過大可能會(huì)造成周邊孔內(nèi)藥卷被拖曳偏離設(shè)計(jì)位置,二者的延期間隔需控制在200ms以內(nèi)。