周边眼间距对深埋软岩隧道光爆效果影响的研究

2019-01-09刘双庆

石家庄铁路职业技术学院学报 2018年4期

刘双庆

（中铁十一局第四工程有限公司武汉 430074）

1 引言

玉磨铁路位于连接中老铁路的玉溪至磨憨段，地处哀牢山地区，地质构造发育，岩性复杂，地质灾害频繁。为降低隧道建设安全质量风险、控制成本，项目提出了以光面爆破为突破口降低爆破对围岩扰动、控制超欠挖寻求安全质量及成本综合控制的目的。

光面爆破技术经过近半世纪的发展，理论逐步完善，在普通硬岩体内的现场经验积累丰富，但对软岩的实践很少。本文以玉墨铁路新华隧道3#斜井的深埋粉砂质泥岩隧道为例，通过经验设计的爆破参数，理论计算了周边眼间距值，同时通过研究现场三级围岩周边眼间距对光面爆破效果的影响，验证和修正理论计算值，提出适合研究区的爆破参数，为减少隧道超欠挖和地质灾害防治提供技术支撑。

2 工程概况

图1 青灰色

图2 脉状方解石

研究区为中老铁路玉磨段新华隧道3#斜井，全长637 m，断面由半圆与矩形组成，断面尺寸宽7.8 m、高6.5 m，断面面积45.8 m2，埋深175 m，埋深比α大于10，属于超大深埋隧道。

斜井的围岩级别为Ⅲ级，主要由粉砂质泥岩组成，呈紫红色，局部夹青灰色（图1）。岩体较完整，节理裂隙弱发育。岩体中夹脉状方解石（图2），呈线条状镶嵌在岩体中，易形成软弱结构面。

3 光面爆破影响因素分析

影响光面爆破效果的周边眼主要技术参数有：周边眼间距、最小抵抗线、炮孔密度系数、周边孔装药量、装药结构、不偶合系数等。其中，装药量和光爆层厚度主要影响周边孔起爆后岩石的崩落效果；开挖断裂面的光滑平整度主要由周边孔间距、周边孔密集系数和光爆层厚度决定；爆破后留在壁面上的残痕率主要与不偶合系数有关。

3.1 周边眼间距

周边眼间距是影响光面爆破的重要因素。间距增大，减弱了应力波在周边眼中心连线上的叠加效果，增加了裂纹贯通的难度，同时，对于相邻周边眼，“空孔效应”难度也增大，易形成欠挖。间距较小，应力波叠加效应在周边眼连线上增强，裂纹扩展范围增大，易形成超挖。选择合适的周边眼间距对光面爆破效果尤为重要。在理论计算周边眼间距方面有经验系数法、工程类比法等多种方法。不同的方法计算结果有所差异，还需要通过现场试验进行验证分析。

3.2 周边眼密集系数

密集系数与周边眼间距负相关，与光爆层厚度正相关。密集系数越大，周边眼应力叠加效应越强，空孔效应越强，围岩扰动范围越大，易形成不必要的超挖；密集系数越小，应力波叠加效应减弱，围岩扰动范围小，可能造成隧道局部欠挖。所以，控制密集系数是影响围岩超欠挖的关键因素。

3.3 装药量

工程实践中，通常用线装药密度作为指标评价装药量，线装药密度通用符号ql表示。

式中：dc为炸药的直径，标准乳化炸药0.032m；0ρ为炸药的密度，ψ为装药系数。根据上述理论计算研究区周边孔装药量约0.072 kg/m。

3.4 光爆层厚度

光爆层厚度，即周边眼与辅助眼之间的径向距离，又称为最小抵抗线。当周边眼炸药爆炸过程中，光爆层的厚度对爆破能量的扩散、作用力均有影响。光爆层厚度过大，应力波能量部分向抵抗线转移，将影响应力波在炮孔中心连线上的应力叠加效应，达不到良好的破碎岩石的效果；光爆层厚度过小，应力波向抵抗线转移能量较少，从而增大了炮孔中心连线上的应力叠加效应，容易引起隧道的超挖现象。所以，选择合适的光爆层厚度，有利于光面爆破效果的加强。根据唐景文[1]关于光爆层厚度对光面爆破效果的研究可知，光爆层厚度W小于400 mm时，围岩扰动较强，易出现超挖现象；光爆层厚度W大于700 mm时，应力波叠加后无法形成贯通裂缝，导致局部出现欠挖。所以光爆层厚度宜取500 mm、600 mm。根据上述理论综述分析，该斜井光爆层厚度W取500 mm。

3.5 装药结构与不偶合系数

周边眼装药方式一般采用间隔非偶合装药形式，即药量之间采用空气间隔，药卷直径小于周边眼直径，且由于药卷重力作用，药卷与周边眼形成偏心状态。药卷爆炸的过程中，通过释放应力波对岩体产生震裂作用，同时，压缩药卷之间的气体产生压力作用，促使岩石的节理裂隙张开度增大，从而加剧岩体的破碎及崩落。张奇等人[2]通过大量的爆破试验得出：当不偶合系数达到2.5时，作用在炮壁上的冲击波压力只有原始压力的1/16。因此周边眼采用不偶合装药结构可以提高断裂面的光滑平整度。李禹锡等人通过研究边墙和拱部的偏心不偶合装药爆破孔间的贯穿规律，提出了边墙孔偏心不偶合系数大于2.06时，最大孔间距几乎保持不变。

结合上述理论可知，合理的范围内尽量增大不偶合系数，对围岩光面爆破效果有积极作用。本斜井采用40钻头的风枪钻进，炮孔直径约42 mm，炸药为乳化炸药，药卷直径约32 mm，计算得出径向不偶合系数为1.31。

4 周边眼间距理论计算

目前，周边眼间距计算理论较为成熟，主要有断裂力学法、经验参数法、工程类比法。

（1）经典断裂力学理论[3]

式中：E—周边眼间距，mm；k1为调整系数，一般取值范围[6,14]，岩石硬度大，k1取大值，硬度小，取小值；r为周边眼炮孔的半径,现场炮孔半径为21mm； f为岩石的普氏系数，根据现场测试结果， f取9。计算结果见表1。

表1 周边眼间距计算结果

（2）经验系数法

依据周边孔密集系数理论，周边孔密集系数一般取值[0.8，1]，光面爆破效果较为理想，周边孔间距的计算方法：

式中：E—周边眼间距，mm；周边眼密集系数根据现场经验取 0.8；光爆层厚度根据设计参数W取500mm。经计算，E=400mm。

（3）工程类比法

现场工程爆破人员根据施工经验总结的周边眼间距与直径的比值一般在12～20范围内，计算周边眼间距公式为：

式中：E—周边眼间距，mm；d为周边眼炮孔的直径,现场炮孔直径42 mm；计算结果E随比值系数变化见表2。

表2 E随比值系数变化计算结果

经上述理论计算，周边眼间距理论计算值差异较大，经典断裂力学和经验系数法计算结果相似，间距值宜选取400mm。现场爆破经验公式理论计算值与前2者差异性较大，需要通过试验求证。

5 不同周边眼间距试验

5.1 光爆参数设计

研究区工程爆破炮孔平面布置图如图3所示。光面爆破周边眼、掏槽眼、辅助眼间距，装药量与装药结构如表2所示（图周边眼间距选取500 mm）。

图3 斜井炮孔平面布置图

斜井断面炮孔总共98个，分周边眼、辅助眼和掏槽眼，其中周边眼设置44个，辅助眼23个，掏槽眼31个。周边眼采用间隔空气不偶合装药，一条乳化炸药分为4段，分别等距离放入炮孔中。辅助眼和掏槽眼均采用连续不偶合装药。装药量、炮孔角度及炮孔间距见表3。

表3 炮孔相关参数表

爆破采用电雷管延时起爆，起爆顺序掏槽眼、辅助眼和周边眼。炮孔与起爆器连接图见图4。

图4 斜井炮孔与起爆器连接图

5.2 不同周边眼间距试验

据邓诗泉[4]研究沪昆高铁黄连山隧道可知，岩石质地软硬不同时，周边孔密集系数介于[0.5-1.2]。当现场周边眼间距大于60mm时，光面爆破效果均不理想。同时，根据玉墨铁路新华隧道和石头寨隧道现场爆破施工作业人员施工情况可知，周边眼间距均应控制在小于70 mm内。通过经典断裂力学和经验方式方法计算结果差异较大，本试验拟采用现场光面爆破试验确定最优周边眼间距值，并对周边眼间距计算理论验证。结合上述周边眼间距计算理论值，选取不同的间距值进行爆破试验，试验变量间距分别取300 mm、400 mm、500 mm、600 mm。随周边眼间距变化，光爆面周边眼数量、炮孔密集度见表4。