光面爆破技術(shù)在木座隧道中的應(yīng)用及優(yōu)化

摘 要：為解決隧道濕噴混凝土損耗超量問題，以木座隧道為例，對(duì)光面爆破進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)光面爆破施工過程中的炸藥量計(jì)算、周邊眼布置、裝藥結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化，最大程度地控制圍巖擾動(dòng)，減少超挖。本文對(duì)常規(guī)爆破和優(yōu)化后爆破的效果進(jìn)行分析，確定V級(jí)圍巖爆破采用底部加強(qiáng)藥＋聚能管裝藥（間隔裝藥）＋水袋+雙層周邊護(hù)壁孔爆破模式，圍巖的松動(dòng)圈半徑縮小了40%，最終有效鉆孔深度達(dá)3.55m，炮孔有效利用率達(dá)到96%，雙層周邊眼護(hù)壁的防護(hù)效果顯著。可以為光面爆破在破碎巖體條件下的施工技術(shù)提供數(shù)據(jù)參考，對(duì)控制隧道超欠挖具有經(jīng)濟(jì)意義。

關(guān)鍵詞：光面爆破；周邊眼；間隔裝藥；超欠挖

中圖分類號(hào)：U 45" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在隧道爆破開挖過程中，由于各地段圍巖地質(zhì)類型不相同，因此無(wú)法使用同一種爆破參數(shù)，否則會(huì)對(duì)部分隧道工程爆破質(zhì)量及施工進(jìn)度產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致嚴(yán)重的超欠挖問題。針對(duì)不同圍巖地質(zhì)，為了提高爆破質(zhì)量，需要在隧道爆破施工中不斷優(yōu)化施工方案，以適應(yīng)施工條件的變化，同時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，規(guī)避超欠挖等問題[1]。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)的理論和方法進(jìn)行了大量研究。

光面爆破是一種控制周邊輪廓線、維持圍巖穩(wěn)定的科學(xué)施工技術(shù)，尤其在周邊輪廓線要求較高的隧道、地鐵等爆破施工中具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，有助于形成規(guī)整、符合設(shè)計(jì)要求的爆破輪廓線[2]。

光面爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)范圍較小，在隧道爆破施工中有利于保證圍巖的穩(wěn)定性，在完整性較好的巖體施工過程中有較大優(yōu)勢(shì)，但是在圍巖強(qiáng)度較差，巖體較為破碎的巖體中，普通光面爆破技術(shù)對(duì)巖體更容易形成超挖現(xiàn)象，使支護(hù)成本增加。因此，優(yōu)化光面爆破在破碎巖體條件下的施工技術(shù)，從而控制隧道超欠挖更有意義。

1 工程概況

木座隧道為特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)2594m。隧道最大埋深分別為653m、697m。木座隧道洞口段圍巖等級(jí)為V級(jí)，洞身段分別為V級(jí)、IV級(jí)、Ⅲ級(jí)。IV級(jí)圍巖以中微風(fēng)化云母鈉長(zhǎng)片巖為主，夾少量絹云片巖和韌性剪切帶，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較好，屬較硬巖，巖體呈中厚層狀、塊狀構(gòu)造，V級(jí)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化云母鈉長(zhǎng)片巖為主局部夾雜漂石堆積體發(fā)育為主，受風(fēng)化作用影響，巖體松散、破碎，多夾黃褐色破碎帶，夾層局部有孤石、夾泥堆積，圍巖自穩(wěn)能力差、層間結(jié)合力差，隧道開挖后，拱頂及側(cè)壁容易掉塊和局部坍塌。

對(duì)木座隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析，木座隧道洞口段的圍巖多為軟弱破碎圍巖，因此當(dāng)隧道洞口段爆破開挖時(shí)，V級(jí)圍巖段采用機(jī)械開挖和光面爆破方式，洞身IV級(jí)圍巖段采用光面爆破[3]。

2 V級(jí)圍巖常規(guī)爆破設(shè)計(jì)

在木座隧道爆破初期，根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)隧道某段進(jìn)行光面爆破試驗(yàn)，使待爆破的巖石松動(dòng)且?guī)r壁不受或少受破壞；在爆破后，對(duì)爆破效果進(jìn)行分析。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

孔徑D為42mm，考慮圍巖不穩(wěn)定等情況，掏槽孔、輔助孔、周邊孔、底板孔孔深根據(jù)實(shí)際情況取值，具體見表1和表2。

采用楔形掏槽，周邊輪廓布置周邊孔，按光面爆破要求進(jìn)行布孔和裝藥，開挖部分炮孔布置如圖1所示。

2.2 爆破效果分析

采用上述光面爆破方案爆破開挖后輪廓圍巖成形不規(guī)則，如圖2所示。可以看出，輪廓周圍巖炮孔殘痕較少，隧道拱頂輪廓為波折形分布，巖塊掉落分界面位置存在局部超挖，最大線性超挖約為30cm。左拱肩、右拱肩以及邊墻巖體較為完整，局部存在欠挖，左、右拱肩最大線性欠挖分別約為20cm、15cm。

3 V級(jí)圍巖隧道光面爆破技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化

在保持其他影響因素不變的情況下，只考慮周邊孔間距對(duì)隧道超欠挖的影響，對(duì)不同級(jí)別的圍巖來(lái)說，周邊孔間距有一個(gè)最合理的值。當(dāng)周邊孔間距大于該合理值時(shí)易發(fā)生欠挖現(xiàn)象，當(dāng)周邊孔間距小于合理值時(shí)，易發(fā)生超挖現(xiàn)象。

根據(jù)眾多試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，對(duì)V級(jí)圍巖來(lái)說，在模擬的所有工況中，當(dāng)炮孔間距約為40cm時(shí)，可以呈現(xiàn)較好的爆破效果，可以將隧道超欠挖控制在合理的范圍內(nèi)。

通過木座隧道左線圍巖的爆破效果分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，在木座隧道左線圍巖段裝藥結(jié)構(gòu)采用底部加強(qiáng)藥＋聚能管裝藥（間隔裝藥）＋水袋+雙層周邊護(hù)壁孔爆破。

3.1 炮孔參數(shù)

孔徑D為42mm，掏槽孔、輔助孔、周邊孔、底板孔孔深等根據(jù)圍巖質(zhì)量、破碎情況等實(shí)際情況取值，具體見表3。

采用楔形掏槽，周邊輪廓布置周邊孔，按光面爆破要求布孔和裝藥[4]。

根據(jù)不同地質(zhì)條件和施工進(jìn)度確定炮眼深度，一般為0.7～2m，掏槽眼加深10%～20%。

根據(jù)公式（1）計(jì)算炮眼數(shù)目N。

（1）

式中：K為單位炸藥消耗量，㎏/m3；s為開挖面積，m2；r為炸藥的線裝藥密度，㎏/m；n為炮眼裝藥系數(shù)（0.2～0.4）。

周邊眼間距：E＝（12～18）d。抵抗線：W＝（1.0～1.5）E。裝藥量集中度：q＝0.09～0.19kg/m。

炸藥及裝藥參數(shù)：木座隧道選用?32mm的巖石乳化炸藥。

用公式（2）計(jì)算單位炸藥消耗量。

（2）

式中：f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；S為開挖斷面面積，m2；k為考慮不同炸藥的修正系數(shù)。

實(shí)際單孔裝藥量根據(jù)不同圍巖類別裝藥系數(shù)計(jì)算后確定，Ⅴ級(jí)圍巖炮孔裝藥系數(shù)見表4。

周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)采用直徑?32mm藥卷，周邊眼裝藥模式為不耦合間斷裝藥，并采用空氣間隔。

炮孔填塞采用有堵塞爆破，炮泥作為填塞物，其炮泥材料取黃泥∶沙=3∶1，用木質(zhì)炮棍把將所有裝藥孔的炮泥填塞緊實(shí)，填塞長(zhǎng)度不小于30cm[5]。裝藥結(jié)構(gòu)周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 炮孔布置

爆破時(shí)為了解決超挖問題，施工中針對(duì)V級(jí)軟弱破碎圍巖設(shè)置了雙層周邊眼[6]，而在外層周邊眼采用了光面護(hù)壁爆破的開挖方法，在研究中利用有限元軟件來(lái)模擬光面護(hù)壁爆破對(duì)防止超挖的效果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

原施工方案中最外層為周邊眼，次外層為輔助眼，改進(jìn)后的施工方案將外層輔助眼設(shè)置為內(nèi)層周邊眼，整個(gè)斷面的炮孔設(shè)置如圖4所示。

周邊眼裝藥采用不耦合間斷裝藥，并采用水袋間隔，將輔助眼改為周邊眼直接減少了炸藥的使用量。在隧道開挖斷面設(shè)置雙層周邊眼，布孔間距為450mm。采用反向爆破方式，雙層周邊眼中，在外層周邊眼使用護(hù)壁管，整個(gè)斷面起爆時(shí)先引爆周邊眼再引爆輔助眼，先利用外層周邊眼炸出基本的輪廓線，內(nèi)層周邊眼則不用護(hù)壁管，起爆內(nèi)層周邊眼形成完整的斷面，這樣能夠減少超挖現(xiàn)象，周邊孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

起爆順序依次為掏槽孔→掘進(jìn)孔→輔助孔→周邊孔→底板孔。起爆網(wǎng)路采用束狀聯(lián)結(jié)，利用一段毫秒導(dǎo)爆雷管綁扎，使用激發(fā)針激發(fā)導(dǎo)爆雷管。

3.4 爆破結(jié)果分析

原始方案爆破效果與優(yōu)化后爆破效果對(duì)比見表5。

根據(jù)工程爆破中常規(guī)爆破及現(xiàn)場(chǎng)光面爆破優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，最終形成了底部加強(qiáng)藥＋聚能管裝藥＋水袋間隔裝藥爆破方案，滿足木座隧道建設(shè)要求的光面爆破設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)表5，對(duì)比原爆破方案，間隔底部裝藥大直徑輔助掏槽孔能夠增加爆破面積，而雙層周邊眼護(hù)壁爆破可以有效地減少對(duì)保留巖體一側(cè)的振動(dòng)損傷[7]，光面爆破方案爆破效果有顯著提高，有效控制了隧道圍巖損傷及超欠挖現(xiàn)象，隧道輪廓面光滑、平整、圍巖損傷程度低，炸藥使用量減少了27.66%，圍巖的松動(dòng)圈半徑縮小了40%，最終有效鉆孔深度達(dá)到3.55m，炮孔有效利用率達(dá)到96%，雙層周邊眼護(hù)壁的防護(hù)效果顯著。現(xiàn)場(chǎng)效果如圖6所示。

4 結(jié)論

鑒于木座隧道洞口及部分洞體圍巖強(qiáng)度較差、巖體較破碎，采用普通爆破對(duì)隧道開挖更容易形成超挖現(xiàn)象，本項(xiàng)目采用光面爆破的方式，對(duì)爆破機(jī)制、參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而對(duì)圍巖擾動(dòng)進(jìn)行控制，減少超挖。

本文對(duì)木座隧道周邊眼進(jìn)行優(yōu)化，采用雙層周邊護(hù)壁孔爆破，最大程度地減少超欠挖，而雙層周邊眼護(hù)壁爆破可以有效地減弱對(duì)保留巖體一側(cè)的振動(dòng)損傷，圍巖的松動(dòng)圈半徑縮小了40%，雙層周邊眼的防護(hù)效果顯著。

本文對(duì)裝藥方式進(jìn)行優(yōu)化，采用底部加強(qiáng)藥＋聚能管裝藥＋水袋間隔裝藥爆破形式，水袋間隔[8]、底部裝藥、大直徑輔助掏槽孔能夠增加爆破面積，有效鉆孔深度達(dá)到3.55m，炮孔有效利用率達(dá)到96%。

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