将军山隧道光面爆破技术与参数的选择

颜长明 毛静民 张吉祥 张自强

(1.浙江省台州市鸿泰爆破工程有限公司 浙江 台州:318000; 2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉:430080)

1 工程概况

将军山隧道净宽 10m,净高 5m,隧道全长748m,其中明挖部分长度58m,V级围岩区域长度75m,掘进断面积 97.55m2,IV级围岩区域长度95m,掘进断面积 88.06m2,Ⅲ级围岩区域长度520m,掘进断面积75.37m2,隧道开挖量约4.9万m3。将军山隧道进洞口段位于沟谷地带,自然坡度约8°,地形等高线与隧道轴线近正交,上覆坡洪积层含碎石,厚约9.6m,坡面植被较发育;下部中风化凝灰岩节理发育,岩体破碎,稳定性较差,边坡大部分为含粘性土碎石组成,稳定性较差。出口段位于缓坡地带,自然坡度约12°,地形等高线与隧道轴线呈大角度斜交,坡面植被较发育,表部坡洪积含粘性土碎石,厚约9.2m;下伏中风化凝灰岩节理发育,岩体破碎,稳定性较差。

将军山隧道出入口处西南方向80m、东南方向50m处有民房(图1)。隧道开挖段环境比较良好。周边爆破环境一般,环境复杂的爆破开挖量较少。

2 隧道开挖爆破方案

2.1 开挖方案

图1 将军山隧道及环境平面图

隧道爆破施工中普遍存在两个问题,一是如何充分发挥炸药能量,提高炮眼利用效率;二是如何控制开挖轮廓和爆破对围岩的有害扰动。由于开挖对象、环境的复杂性和开挖目的、用途的多样性,爆破开挖并没有一成不变的模式,设计的目的就是要采用适用的技术解决开挖中的问题。

从隧道进口向隧道出口方向独头掘进,Ⅳ、V级围岩稳定性较差,局部会产生塑性变形,开挖面允许暴露时间短,超前小导管注浆后可提高围岩稳定性,采用正台阶开挖法能有效减少爆破对围岩的破坏。Ⅲ级围岩基本稳定的,可以采用全断面开挖,但考虑到它的横断面积大等不利因素,仍采用正台阶法开挖。上部4m超前一个循环开挖,再开挖下部台阶,在隧道开挖作业时,必须采取微差、光面等控制爆破,以确保施工效果和安全。

2.2 隧道施工方法与措施

采用YT-24型气腿式凿岩机钻孔(Φ40mm)、直眼掏槽的爆破作业方式掘进。干燥炮孔采用Φ32mm的2#岩石硝铵炸药,有水地段用Φ32mm的乳化炸药,掏槽眼和辅助眼采用连续装药结构,周边眼采用Φ25mm的乳化炸药和连续装药结构实现光面爆破。非电毫秒微差导爆雷管网络实现微差起爆。隧道上台阶装岩采用PC60型小型号挖机,下台阶装岩采用ZL-50装载机,5t自卸式汽车直接运至业主指定的弃碴场。

微差、光面爆破具有以下优点:

(1)爆破后岩面平整,减少超欠挖,减少炸药用量,减少支护混凝土用量;

(2)岩碴块度均匀适中,有利于装碴,为后期铺挂防水板及二次衬砌施工缩短时间;

(3)微差爆破减少了对围岩的冲击、振动,减少支护投入,节约施工成本,增加效益。

2.3 喷锚支护

以新奥法理论指导开挖、支护施工,隧洞在开挖施工中,必须对围岩进行位移量测、数据分析,及时采取相应的措施,尽量保持围岩的整体性和稳定性,确保施工安全。

Ⅳ级和V级围岩稳定性较差,局部会产生塑性变形,开挖前先打超前小导管,注浆稳固围岩,开挖后再挂网锚喷支护;Ⅲ围岩基本稳定,开挖后采取挂网喷砼支护,必要时安装先锚后灌式注浆锚杆。

3 隧道爆破设计

3.1 炮眼参数选用和计算

隧道爆破参数的种类有:正台阶的断面布置;掏槽方式;光面爆破参数(最小抵抗线、炮眼间距、密集系数、不偶合系数、装药集中度);炮眼参数(炮眼直径、深度、间距、抵抗线、孔数);药量参数(炸药单耗、单孔药量、段药量、总药量、延米药量);装药结构;起爆参数。根据不同的地质条件,按经验初选参数,再通过现场试爆确定下来。下面以将军山隧道V级围岩为例,对爆破开挖中主要参数选用进行计算。

隧道实际开挖宽度12.20m,高9.8m,选用正台阶爆破开挖的方法。上台阶(4m以上)面积33.43 m2,类比其它工程单耗取1.4kg/m3,钻孔孔径40mm,设计每循环进尺1.5m,由工程类比可取炮眼平均深度L为1.65m,其中直眼掏槽的孔深为1.8m,辅助孔和周边孔孔深1.65m。下台阶5.8m的开挖面积64.12,由于增加了一个自由面,单耗取1.1kg/m3,钻孔孔径40mm,设计每循环进尺2.0m,由工程类比可取炮眼平均深度L为2.2m,其中直眼掏槽的孔深为2.3m,辅助孔和周边孔孔深2.2m。

炮孔数N(不包括未装药的空眼数),按式(1)计算,上、下台阶孔数计算见表1。

式中:q——单位炸药消耗量;s——开挖面积; r——每米长度炸药的重量;n——炮孔装药系数。

表1 上、下台阶孔数计算表

3.2 单孔药量的计算

每个炮孔的装药量按式(2)计算,上、下台阶单孔装药量计算见表2。

Q=n·L·r (2)

式中:n——炮孔装药系数;L——孔深;r——每米长度炸药量。

表2 上、下台阶单孔装药量Q计算值、实际值表

3.3 控制光面的参数

周边眼间距适当缩小,可以控制爆破轮廓,避免超欠挖,又不致过大地增加钻眼工作量,孔间距 E的大小与岩石性质、炸药种类、炮眼直径 d有关,一般为 E=(8～18)d,本断面选用 E=60cm。

光面爆破层就是周边眼与最外层辅助眼之间的一围岩层,光面爆破层厚度就是周边眼的最小抵抗线W,为80cm。

周边眼的间距 E与光面爆破层厚度W有密切关系,E/W表示为周边眼密集系数 K。本例 K= 0.75。

炮眼直径与药卷直径之比称为不偶合系数,周边眼不偶合系数为1.6。

3.4 爆破参数的确定

3.4.1 上部台阶爆破参数

隧道V级围岩地段上部台阶每循环进尺1.5 m,循环方量50.15 m3,炸药单耗1.4kg/m3,具体药量可根据实际岩性调整,周边眼采用Φ25mm小药卷,其余炮眼采用Φ32mm药卷,有水炮眼采用乳化炸药,根据同类隧道施工经验,掏槽眼孔排距取30cm×30cm;周边孔距取600mm。

掏槽孔、辅助孔、周边孔爆破参数列入表3,每循环药量为71.55 kg(4.8+45.0+21.75),与按进尺计算的每循环约量 Q=33.43＊1.5＊1.4= 70.2kg基本相符,参数选取可行,实际施工中可根据效果适当调整。

表3 隧道V级围岩地段上部爆破参数表

3.4.2 下部台阶爆破参数

下部台阶设计每循环进尺2.0 m,循环方量128.24 m3,炸药单耗1.1kg/m3,具体药量可根据实际岩性调整,周边眼采用Φ25mm小药卷,其余炮眼采用Φ32mm药卷,有水炮眼采用乳化炸药,根据同类隧道施工经验,掏槽眼孔排距取15cm×15cm;周边孔距取600mm。详见爆破参数表4。

按进尺计算的每循环约量Q=64.12＊2.0＊1.1=141.0kg与掏槽孔、辅助孔及周边孔装药量之和(6.0+83.2+45=134.2kg)基本相符,参数选取可行,实际施工中可根据效果适当调整。

表4 隧道V级围岩地段隧道下部爆破参数表

4 起爆网路

采用孔内毫秒微差起爆网路,雷管段别见起爆网络图,四通联接,最后用导爆管引至安全起爆点施爆。根据被保护对象的类别、允许振速v、爆距 R、振动衰减系数α与爆源性质系数 K计算出每一迟发段的限定药量Q,用于校正最大段发药量。计算公式如下,

式中,需要考虑洞口民房和洞内围岩两处被保护对象,根据经验,对洞口民房,K=150,α=1.5, R=50m,v=1.5cm/s,相应的最大段发药量Q为12.5kg;对洞内围岩,K=16.23,α=1.29,R=5m, v=5cm/s[4],相应的最大段发药量Q为8.1kg。

图2 V级围岩地段上、下台阶工作面孔位及起爆网络

根据经验,类似V级围岩地段隧道爆破振动频率均在100ms以下,为避免振动强度的叠加作用,必须跳段使用雷管,特别是1～5段的雷管,由此设计如图2所示起爆网络。

5 爆破效果及结论

对浙江省三门县将军山隧道采用正台阶法开挖方法和微差、光面爆破技术,爆破后经检测验收,周边轮廓基本符合设计要求,岩石壁面基本平整,起伏度在15cm以内。爆破后岩面保留有半眼孔痕,整体性好的围岩半眼率大于85%。爆破后,在围岩壁面上无粉碎损伤,无明显新生裂隙,对围岩破坏轻微。爆破后围岩稳定,基本无剥落现象,大的危石浮石少。循环进尺理想。当炮眼深度达3.0m时,每循环进尺达到2.7m以上。石碴最大块40cm,碴堆集中,抛距30m。取得了比较理想的爆破效果。

[1] 东兆星.爆破工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2] 刘殿中.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[3] J TJ042-94.公路隧道施工技术规范[S].

[4] 齐景嶽.隧道爆破现代技术[M].北京:中国铁道出版社,1995.