光面爆破在隧道中的应用及经济效益

2020-09-29李超

工程建设与设计 2020年16期

李超

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

1 引言

张吉怀铁路隧道地属红层地质，为典型易滑地形。地层岩性主要以泥质粉砂岩为主，受雪峰山隆起带影响，褶皱、构造发育、断层等，隧道多具压性特征。线路以大角度穿越，受构造影响较小。Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道总长的95.2%。因此，Ⅳ、Ⅴ级围岩地段如何更好地控制隧道开挖的安全，及隧道超挖引起的喷射混凝土超方，减少工序循环时间尤为关键。而光面爆破这一施工工艺，可以更好地保证施工安全，控制超挖引起的材料消耗和时间成本，从而提高经济效益。

2 工程概况

新建张家界至吉首至怀化铁路线路从张家界地区黔张常铁路张家界西站引出，途经湘西土家族，苗族自治州管辖的永顺县、古丈县、吉首市和凤凰县，由麻阳苗族自治县至沪昆客专怀化南站，正线全长243.265km。铁路等级：高速铁路；正线数目：双线；设计行车速度：350km/h；线间距：5.0m。ZJHZQ-9标段3 分部起讫起止里程为：DK215+126.27～DK225+202.53，线路全长10.076km。其中，桥梁1 032.28m，隧道8 468.44m，路基585.83m，正线隧道比83.96%。混凝土总方量约47.39m3。隧道穿越围岩较差，多数为Ⅳ、Ⅴ级围岩，以红褐色泥质粉砂岩为主。隧道产值占据绝大部分。全线隧道初支喷射混凝土作业所有围岩均采用光面爆破和湿喷工艺。隧道Ⅲ级围岩410m 占比4.8%、Ⅳ级围岩3930m 占比46.4%、Ⅴ级围岩4 128.44m 占比48.8%，喷射混凝土8.72m3，其他混凝土34.19m3。

3 爆破参数设计和施工

3.1 光面爆破机理

光面爆破机理是：光面爆破自掏槽眼开始起爆，形成临空面，由内向外逐层起爆。在形成圆顺临空面的前提下，周边眼互为导向孔。起爆后光爆层岩体沿周边眼连线开裂，产生圆顺的开挖轮廓。又称为轮廓爆破或周边爆破[1]。

3.2 光面爆破施工

3.2.1 开挖作业工序

工序：测量放线—钻孔平台就位—钻孔—钻孔质量验收—装药堵塞炮孔—连接起爆网路—起爆—通风—危石排险处理—本循环总结。

3.2.2 技术要点和参数选择

本项目部围岩多为Ⅳ、Ⅴ级泥质粉砂岩，岩体较破碎，岩石强度不高，饱和单轴抗压强度普遍少于15MPa，岩体波速2 600～4 400m/s，多为软质岩[2]。

本文选取代表性较强的Ⅳ级围岩参数和应用进行论述。

1）根据围岩的特性，使用低冲击度和低爆速的小直径炸药。

经现场适用率抽检后，采用φ32mm 的2 号岩石乳化炸药，炸药长30cm，0.3kg/节。爆炸性能试验指标：密度1 300kg/m3，爆速≥4 600m/s，猛度≥16mm，做功能力≥260mL，殉爆距离≥6cm。

2）周边眼常用参数的选择是控制开挖轮廓平整度的重要因素。周边眼间距较大，会减弱应力波在周边眼中心连线上的叠加效果，增加裂纹贯通的难度，对于相邻周边眼，“空孔效应”也会增大，易形成欠挖。距离较小，则应力波在周边眼连线中的叠加效果越大，裂纹扩展的范围增加，易形成超挖。通常，周边眼的距离E=（12～15）d，炮孔的直径为d=35～45mm。最小抵抗线W（光爆层的厚度），直接影响光面爆破效果和爆碴块度。其取值在（13～22）d范围内，且W≥E。结合文献，并通过现场试验优化确定，采用E=45cm，d=42mm，W=60cm。

3）周边眼密集系数K=0.75，一般情况，以K=E/W=0.7～1.0为宜。

4）确定炸药的单耗量q和周边眼装药集中度Q。炸药单耗量对装药效率，炮孔利用率，开挖壁面的平整度和围岩的稳定性有很大影响。它取决于岩性，断面面积，炮孔直径和炮孔深度等多种因素。炸药单耗量取0.693kg，周边眼光爆层炮眼装药集中度Q=qEW=0.19kg·m-1。

5）周边眼装药结构和装药量，是达到光面爆破效果的重要条件。周边眼采用间隔空气非耦合装药形式，径向不耦合系数D=d炮眼/d炸药=1.31。即药节与炮孔内存在着空气间隙时，爆破将在间隙中衰减，从而降低了对孔壁的冲击力，减少传递到岩面的爆炸能量。具体周边眼装药方式：竹片间隔绑扎为串，0.3kg 药节分成3 小节。孔底装药1/3 节，间隔60cm/小节，依次向孔口装药，炮泥堵塞距离孔口30cm 处。周边眼均设置导爆索，导爆索引到孔底药节处。孔底药节采用反包导爆索形式。导爆索均采用“T”形连接，自两侧拱脚向上依次连接，交汇于拱顶。为保证爆破质量，避免瞎爆，周边眼设置5 处加装雷管，于周边眼药卷第2 小节。

6）选择合适的掏槽形式以获得理想的掏槽效果，形成新的临空面。并采用毫秒微差有序起爆，使爆破按掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼的顺序进行，以便从内到外逐次开辟临空面。

3.2.3 炮孔布置和爆破实施

根据不同围岩的装药系数进行计算，并结合现场爆破效果调整爆破参数至最优。Ⅳ级围岩爆破参数、炮孔布置如下，如图1 所示。

设计炮孔深度3.3m，进尺3m 循环，炮孔利用率100%，开挖量257.34m3，炸药单耗量0.693kg。

图1 钻爆设计图（单位：cm）

3.2.4 光面爆破成果展示

选取的掌子面是项目常见Ⅳ级围岩，红层节理裂缝较陡倾，拱顶存在与掌子面成80°夹角节理；拱腰、拱脚节理裂隙发育，围岩局部破碎。爆破完成后，开挖轮廓线完整，拱部平整度好，岩面超挖较少，炮眼残眼率90%。

结合现场的开挖轮廓3D 扫描图分析得：采用光面爆破后的超挖量从平均35cm 减少到15cm，上台阶平均超挖量减少了4m3/m。炮眼残存率和超挖深度满足光面爆破标准。

4 效益总结

4.1 材料效益

4.1.1 混凝土消耗

上台阶喷射混凝土用量减少4m3/m，结合现场实际称重和相关文献，喷射混凝土回弹量取20%计算，喷射混凝土的实际使用量减少4.8m3/m。喷射混凝土单价380 元/m3，施工成本164.27 元/m3。

综上，混凝土消耗方面产生直接经济效益2 612.4 元/m。

4.1.2 炸药、雷管消耗

综合分析表明，光面爆破的使用与常规爆破炸药的使用，以及炮孔的布置基本相同，根本区别在于光面爆破的周边眼采用串状装药结构结合导爆索的形式。

光面爆破3m 循环，消耗导爆索181.6m，成本908 元，周边眼雷管节约46 发，减少成本230 元。因此，上台阶炸药和雷管的成本增加了226 元/m。

4.1.3 总计

由于材料消耗减少的成本为2 386.4 元/m。全线隧道8 468.44m，产生经济效益2 020.91 万元。

4.2 时间效益

在当前的围岩条件下，项目多采用2 台阶施工工法光面爆破钻孔装药时间增加了0.5h，但是光面爆破减少了对围岩的扰动和超挖，因此，减少了出渣排险和喷射混凝土的时间。整个一循环减少工序时间1h。

隧道正常进尺施工过程中，一个掌子面工人约90 人，每月所需人工费和机械费，共计费用90.2 万元，定额到每小时为1 252 元。故掌子面因工序时间缩短，减少3.75 万元/月。

隧道施工中，安全步距牵扯整体的挖掘进尺，故以二衬台车工作面计为正常施工工作面来计算时间效益。项目全线共计12 个二衬台车，即每台车施工705m 二衬，正常施工工期为7 个月/掌子面。工序时间产生经济效益315.7 万元。

4.3 安全质量效益

使用光面爆破技术，周边眼会留有大量空气柱，应力集中变小，从而减少了炮震对围岩的松动深度、破碎程度和震动范围，避免了常规爆破对围岩干扰大的问题，充分利用了围岩的自承能力，减少落石概率，保证隧道施工的安全。光面爆破的使用也极大限度地减少了超挖，并避免了由于超挖而在初支背后面形成空洞的隐患和后续注浆费用，减少了湿喷厚度过厚产生掉块的危险。