软岩隧道斜井超欠挖钻爆技术与优化设计

2018-03-27任丽娜张晓华

西部探矿工程 2018年3期

任丽娜，张晓华

（中交一航局第三工程公司，辽宁大连116083）

1 概述

项目位于滇南山区，地形及交通条件恶劣，地质构造复杂多变，本标段隧道施工占比达92.6%,其中斜井施工长度7.8km，正线隧道施工长度25.7km，斜井占正线隧道施工的30.03%，其中斜井和正线Ⅳ/Ⅴ级围岩占比达78.16%，软弱围岩开挖施工难度大，为确保施工顺利进行，针对围岩特点进行优化，重点对钻眼、布眼、装药量及段落联接进行有效控制；假如不采取科学、动态施工，不仅影响隧道岩壁平整度及周边成形效果，还会危及到周边围岩的稳定性，增加了支护喷射混凝土回填量，引发拱顶脱空等安全/质量事故，造成项目成本亏损，所以优化钻爆设计对保证隧道施工安全、质量及进度，提高围岩的稳定性，节省项目成本具有重要的意义[1-4]。

方坤对南五台公路隧道爆破设计提出改进意见[5]，炮眼之间距离控制在0.7m左右，使爆破参数得到了合理优化；邹树梅以多打孔少装药施工模式，减轻弱爆破对软弱围岩的扰动为出发点,重点优化软弱围岩的微爆破设计方案[6]；贾明伦通过爆破试验及数据分析，完善泥岩、风化岩地段爆破方案，介绍兰新铁路站前I标，大阳山隧道黄土岩性及浅埋段施工，同时制定浅埋段爆破药量控制，对地表结构物造成的破坏力，严格控制段落微差爆破施工方法[7]；王梅通过钻眼深度及炮孔的装药量，特别是周边眼装药量的控制，根据开挖循环进尺，采取堵塞残余孔弱爆破施工措施[8]，有效控制了爆破共震力造成围岩扰动破坏；参考了唐中华研讨的宜万铁路八字岭隧道，对灰岩、凝灰岩夹白云岩地段爆破设计[9]，确定了不同围岩条件下的光面爆破，钻眼、布孔及装药量等关键施工要点，有效解决了掘进断面超/欠挖等疑难问题。

2 现场地质情况

曼木树2号斜井位于正线DK423+000处，线路左侧设置，斜井总长1666.81m，采用无轨单车道施工运输，最大斜坡度为-10%，净空尺寸为7.5m（宽）×6.2m（高），斜井全部为Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，隧道施工穿过（J2h）泥岩、顺层页岩夹板岩地段，目前掌子面拱顶、拱腰出现砂岩夹少量炭质泥岩。

泥质板岩，肉红色，局部出现叶片状顺层结构，节理裂隙发育，手摸裂面光滑，岩质较软。岩层走向与斜井中线夹角13°，产状为N20°W/45°SW倾向线路左侧，横断面45°视倾角，掌子面右侧存在顺层偏压，拱顶、拱脚有渗、滴水现象，遇水碾压后软化崩解。

2.1 掌子面围岩情况调查

围岩沿隧道中轴线岩性变化较大，从5月27日至6月4日现场调查中，岩性由泥质板岩慢慢过渡至泥岩夹凝灰岩，掌子面左侧出现泥质凝灰岩（粉末状），灰绿色，右侧拱顶为板岩，肉红色，岩层层面构造发育明显，拱顶及右侧拱腰有滴水、渗水现象，对钻孔、布孔、装药影响比较大。

2017年6月2日，爆破施工结束后，进行现场超欠挖实测，台阶法开挖施工，上台阶进尺为3.0m，开挖轮廓线左边墙超挖小于0.1m，属于合理可控制范围；拱顶、右拱腰超挖0.2～0.3m；右拱脚超挖约0.2m；右边墙、右墙脚局部超挖约0.4～0.5m。

2.2 钻眼参数现场实测调查

一级掏槽孔竖向间距控制在0.8m左右，水平间距3.4m（外八字），角度55°，钻孔深度3.5m；二级掏槽孔竖向间距控制在0.4m左右，水平间距为4.0m，角度62°，钻孔深度3.0m，偏差绝对值为7°，一、二级掏槽眼之间距离为0.3m；共设置一层内圈眼，环向之间距离为0.8～1.4m，与二级掏槽孔间距0.75m；底板眼水平间距0.9～1.05m，下插角-3°～-6°；周边眼环向间距0.5～0.7m，外甩（插）角5°，钻杆深度为3.1m，按支护两榀钢架长度2.4m为准，掘进长度超进0.6m，拱顶出现掉块，掌子面拱顶及右下角拱腰超/欠挖现象严重。

3 爆孔施工工艺

通过对2#斜井现场多次勘察和研究，再次对钻爆工艺进行优化调整，要求做到拱部及断面松动危岩清除、量测布眼、钻眼、清眼、装药、残孔堵塞、导爆索应用及微差导爆管联接；控制炮眼数量、角度、深度及结构尺寸布置，尤其单孔装药量的控制，必须严格按优化后工艺执行。

3.1 炮眼布置

（1）炮眼布置前，先采用挖掘机配合人工清除掌子面松动危岩、上台阶底板虚渣及回弹喷射混凝土。

（2）施工测量放样开挖断面轮廓线，炮眼位置、数量及结构尺寸；现场采用红漆做记号，标定隧道中心线，对称划出掏槽眼位置，然后进行内圈眼、周边眼及压顶眼布置，布孔结束、检查确认无误后，方可进行钻眼施工作业。

3.2 炮眼钻孔

（1）采用28#手动或三臂风机钻眼，钻孔直径为42mm。

（2）严格控制钻眼的角度和深度，特别是周边眼和一级掏槽眼的倾斜角度，严格按优化工艺执行；要求现场技术主办，在炮孔钻眼施工中，做好钻孔施工技术指导及地质素描记录，为下循环施工提供依据。

3.3 炮眼清孔

（1）炮眼施工结束后，撤出钻孔设备，进行炮孔清理工作，确保孔深满足施工要求。

（2）采用吹风管进行清孔，清除孔内渣体、积水及污泥，确认眼孔无堵塞后，方可将孔口封堵（防止底眼孔积水或小碎石再次堵塞炮孔，建议采用编织袋或废纸堵塞）。

3.4 炮眼装药

（1）由开挖班施工人员，配合专业爆破技术人员进行装药，装药过程中应严格控制周边眼、内圈眼及掏槽眼的装药量，要求提前计算炮孔眼药量，提高装药施工效率。

（2）眼底药倒插导爆雷管，一手抓住导爆管脚线，慢慢放进炮孔眼口处，然后用∅30mmPVC炮棍，轻轻推入炸药至眼底；每孔装药时，注意装药过程中，推力均匀，不得强推，确保每节药首尾连接密实（除周边眼外）。

3.5 炮眼堵塞

（1）宜用废旧纸或黄泥作残余孔堵塞物，将黄泥捏成条状，优化残余孔约为20～50cm。

（2）堵塞物慢慢用力推进，然后压实以充分接触炸药，依次用力推实堵塞物，确保残孔长度堵塞密实。

3.6 爆管联接

（1）为减少爆破共震力，对周边围岩扰动破坏，现场必配1段、3段、5段、7段、9段、11段微差导爆管，实现周边眼、内圈眼、掏槽眼及底板眼各自独立引爆，减弱爆破共震力对拱部围岩完整性的破坏，达到预裂爆破效果。

（2）联接导爆索和导爆管、导爆管与电雷管时，均采用胶粘带绑扎；为防止导爆管产生盲炮现象，绑扎导爆管与电雷管时，宜包裹少许炸药（电雷管需插入炸药中），达到共同引爆效果。

3.7 爆破作业与起爆

（1）装药联接结束后，由专职爆破员统一指挥，现场人员全部撤离，必须在安全距离之外躲藏。

（2）引爆线长度不得小于200m，采用12Ⅴ电压起爆，确保现场人员及机械设备，全部撤出安全距离之外后放可引爆，同时关闭洞外通风设备，以防爆破气流对风袋造成损坏。

4 改进的钻眼爆破炮孔设计

结合斜井工程地质情况，施工队伍的作业习惯，通过和现场技术人员、施工负责人共同研讨，对2#斜井7.5m（宽）×6.2m（高）断面尺寸进行优化钻爆；建议采用短台阶开挖，上台阶施工高度控制在3.75m，按每循环2.4m进尺，具体钻眼结构尺寸布置、钻孔药量参数修订如下。

4.1 炮孔参数设计

（1）掏槽眼。采用两级掏槽眼、楔形外“八”字掏槽对称布置，一级掏槽眼内掏角度72°，两侧掏槽眼水平距离2.4m，距隧道中线1.2m，共3层，每层竖向间距为0.5～0.65m，每侧3个炮孔，共设置6个炮孔，每孔钻眼深度3.2m；二级掏槽眼内掏角度79°，两侧掏槽眼水平距离3.4m，与一级掏槽眼水平间隔0.5m，共2层，每层高度间距不得大于0.58m，钻眼深度3.0m，每侧2个炮孔，共4个炮孔；一、二级掏槽眼距底眼高度0.6m，见图1、图2；新增压顶眼2个孔，每孔水平间距0.75m，距2层内圈眼竖向距离0.6m，钻眼深度3.2m，下插角-20°；通过多次试验，掏槽眼及压顶眼平均系数均取0.75kg/m3，则每孔装药量为：q掏={平均孔深[（3.2m+3m+3.2m）/3]-残孔堵塞长度0.4m}×平均系数0.75=2.05kg，每孔药量2.05kg。

掏槽眼总装药量Q掏=2.05×（6+4+2）=24.6（kg）。

图1 掏槽眼和压顶眼布置示意图

图2 掏槽钻孔控制平面图

（2）内圈眼。第一层内圈眼环向间距0.7m，环向布置，炮孔角度与隧道中线平行，钻眼深度2.7m，共13个炮孔；第二层内圈眼环向间距0.8m，第二层与第一层内圈眼水平间距0.7m，环向布置，与隧道中线内插角度84°，钻眼深度2.9m，与二级掏槽眼间隔0.6m，共9个炮孔，见图3；内圈眼装药平均系数取0.6kg/m3，则每孔装药量为：n内=[平均孔深（2.7m+2.9m）/2-残孔堵塞长度0.4m]×平均系数0.6=1.44kg，每孔总药量1.44kg。

内圈眼总装药量N内=1.44×（13+9）=31.68（kg）。

图3 内圈眼布置示意图

图4 周边眼布设示意图

（3）周边眼。周边眼距开挖轮廓线-0.1m环向布置，拱顶120°范围内钻眼下插角-2°～-1°，拱腰以下钻眼角度与隧道中线水平，炮眼间距0.45m，钻眼孔深2.7m，共25个炮孔。装药采用间断隔离方式，间断长度0.32m，现场红线导爆索串联爆破，通过现场多次试验后，光面效果比较理想，见图4；周边眼每孔装药量平均系数为0.45kg/m3,则单孔装药量为：z周=单孔装药长度（0.32×4）×平均系数 0.45=0.57（kg），每孔总药量0.57kg。周边眼间断隔离装药布置示意图，见图5。

周边眼总装药量Z圈=0.57×25=14.3（kg）。

4.2 钻孔施工精度控制要点

根据斜井设计施工图，Ⅳ级围岩钢架间距为1.2m，按每循环开挖两榀钢架间距，则每次开挖进尺不得大于2.6m；掏槽眼钻孔施工，精准控制外“八”字掏槽角度，一级掏槽控制角度72°，钻孔深度3.2m，每侧距离隧道中心线1.2m；二级掏槽控制角度79°，钻孔深度为3m，每侧距离隧道中心线1.7m；第二层内圈眼距二级掏槽眼0.6m，钻孔深度为2.9m，环向布置，与隧道中线内插角度84°；第一层内圈眼距第二层内圈眼0.7m环向布设，钻孔环向距离0.7m，钻眼角度平行隧道中线，钻孔深度为2.7m；周边眼距第一层内圈眼0.6m，钻孔深度2.7m；压顶眼位于一级掏槽眼上方，与隧道中线对称布设，与第二层内圈眼竖向距离0.6m，钻眼下插角-20°，钻眼深度为3.2m；底板眼位于隧道导坑底板上0.1m处，共11个钻孔，每孔水平之间距离0.75m,钻眼下插角-5°，钻孔深度3.2m。