隧道软弱围岩开挖光面爆破技术在桂溪隧道的应用

2021-08-18周志伟

中国水能及电气化 2021年7期

周志伟

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

1 工程概况

桂溪隧道出口位于桂溪镇甘溪村木耳厂北侧附近山间冲沟的出口，冲沟宽约30m，沟深2～5m左右，沟口堆积主要为冲积下来的孤石、漂石等。桂溪隧道为特长隧道，根据合同要求，本次施工左线总长度为3047.917m，起讫桩号ZK191+377.083～ZK194+425，右线总长度为3083.623m，起讫桩号K191+335.877～K194+419.5，其最大埋深分别为752.8m、710m。隧道洞口段围岩级别为Ⅴ级，洞身段为Ⅴ级、Ⅳ级。隧道地址选择在秦岭与松潘甘孜、杨子地台地槽褶皱系交汇的地方，位于龙门山中央断裂带东侧，距离断裂带大约2.5km，地质构造复杂。根据物探、工程地质调绘及钻探可知，隧址区内发育有六条裂隙密集带或构造破碎带。

2 光面爆破概要

2.1 光面爆破作用原理

光面爆破是合理选择爆破参数的先进控制爆破技术，破岩机理十分复杂，需要充分考虑各项指标。一般而言，当起爆炸药的时候，岩石会产生两种效应，一种是冲击波效应，另一种是爆炸气体膨胀做功所起的作用。前者主要是爆破时爆破物在高温高压的环境下所形成的外部冲击，后者主要是由于爆炸压缩空气所导致的外部冲击。光面爆破与局部爆破有所不同，其要求周边眼同时起爆，通过应力波以及爆生气体准静压力作用，形成作用力,使得炮眼之间的连线所具有的切向拉应力强度高于岩石抗拉强度，进而造成贯通式裂缝[1]。此外，还可以有效抑制孔壁非贯通式裂缝，防止裂缝方向不一致，避免周围岩石的破坏，使得爆裂面变得更加平整。

2.2 光面爆破的技术要点

为保证软弱围岩光面爆破效果，需要掌握的技术要点如下：根据具体情况，以隧道掌子面围岩为基础，合理布置爆破眼分布，同时科学设定眼的间距、最小抵抗线，最大限度地提升所打钻眼的质量[2]；周边眼装药量严格控制，将一截药卷平均分成4份，采用间隔装药的方式，使爆炸力沿炮眼均匀分布；使用小直径卷和低爆速、低猛度的炸药对周边眼进行布药；起爆时需要保证微秒的微差，按照设计好的顺序进行，同时安排好掌子面的挖掘程序，使光面爆破能够在一定范围内获得合理的临空面。

3 工程光面爆破实施准备

3.1 钻孔与爆破器材

用气腿式TY-28风枪或凿岩台车打眼，炮孔直径d为42mm，人工装药，炸药采用φ32的2号岩硝铵药卷，周边眼采用φ25的光爆专用小药卷(满足不耦合系数1.5～2.0要求)，使用非电毫秒雷管配合塑料导爆管网络起爆。

3.2 爆破实施参数设计

3.2.1 掏槽眼参数

在选择掏槽的时候，为了方便爆破，一般采用垂直楔形，开挖面和炮眼之间的夹角为α，上面炮眼和下面炮眼(两对)间距为a，位于同一平面上的掏槽眼(1对)，其间距为b，这一因素是影响掏槽效果的主导性因素之一[3](具体参数见表1)。

表1 垂直楔形掏槽爆破参数

3.2.2 周边炮眼主要参数

在设计周边眼的时候，需要充分考虑外插角的情况，一般外插角为3°～5°，间距E为(8～18)d，在336～756mm之间。最小抵抗线W=(10～20)d，当处于这一范围内的时候，其缓冲作用可以达到最佳，此时光爆效果最好[4]。周边眼装药集中度q一般取值为0.07～0.35kg/m，具体以试爆为准，初步确定的各级围岩光面爆破参数见表2。

表2 光面爆破周边眼一般参考数值

3.2.3 炮眼数量及装药量参数设计

炮眼数量为

式中N——炮眼数目，不包括未装药临空眼；

K——单位炸药消耗量，根据相关经验取 0.5～1.2kg/m3；

S——开挖断面积，m2；

n——装药系数，即炮眼装药长度与炮眼长度的比值；

r——硝铵炸药线装药密度，kg/m，2号硝铵炸药取0.78kg。

每一循环装药量为

Q=KV

式中K——单位炸药消耗量，kg/m3；

V——一个开挖循环进尺开挖岩石总量，m3，有效进尺取95%。

各炮眼装药量：周边眼根据装药集中度推算装药系数。除周边眼外，其他炮眼的装药系数，需要根据底眼、辅助眼、掏槽眼的情况设定，计算K值如与设定不符，需重新调整装药系数。

4 各类围岩炮眼布置及技术指标

4.1 Ⅴ级围岩留核心土法

4.1.1 爆破参数设计

采取人工钻孔，考虑到围岩不稳定等情况，掏槽孔、辅助孔、周边孔、底板孔孔深根据实际情况取值，采用楔形掏槽，周边轮廓布置周边孔，按光面爆破要求进行布孔和装药。炮眼布置见图1，断面开挖药量分配及主要技术经济指标见表3、表4。

图1 Ⅴ级围岩炮眼布置

表3 Ⅴ级围岩留核心土法光面爆破炮眼药量分配

表4 Ⅴ级围岩留核心土光面爆破主要经济技术指标

4.1.2 起爆网路设计

按照掏槽孔、辅助孔、底板孔以及周边孔的顺序，进行起爆，起爆的时候，采用毫秒导爆管雷管，雷管的段值为1、3、5、7、9段。起爆网路采用束状连接，即“一把抓”，每束20根左右，采用1段毫秒导爆管雷管绑扎，束与束之间再用1段毫秒导爆管雷管连接，最后使用激发针激发导爆管起爆。

4.2 Ⅳ级围岩两台阶爆破

4.2.1 爆破参数设计

采用楔形掏槽，周边轮廓布置周边孔，按光面爆破要求进行布孔和装药，各开挖分部炮孔布置见图2，断面开挖药量分配及主要技术经济指标见表5、表6，实际以试爆为准进行适当修正。

图2 Ⅳ级围岩炮孔布置

表5 Ⅳ级围岩台阶法光面爆破炮眼药量分配

表6 Ⅳ级围岩台阶法光面爆破主要经济技术指标

4.2.2 起爆网路设计

按照掏槽孔、辅助孔、底板孔以及周边孔的顺序，进行起爆，起爆时，采用毫秒导爆管雷管，雷管的段值为1、3、5、7、9、11、13、15、17段。起爆网路采用束状连接，即“一把抓”，每束20根左右，绑扎以及束与束之间连接的时候，使用1段毫秒导爆管雷管连接。连接完成，使用激发针开始起爆。

5 软弱围岩光面爆破施工工艺控制

5.1 测量布孔

测量时，首先清理掌子面，然后使用全站仪进行测量，绘制出具体开挖轮廓，然后在掌子面上使用红油漆标记出掏槽眼、周边眼、辅助眼以及底眼的位置，保证各个孔眼位置的误差能够控制在5cm以内，保证开挖台阶在15cm以内[5]。按照事先设计好的炮孔布置图，由测量班准确测量标记出开挖轮廓线范围并标记出主要炮孔的位置。

5.2 钻孔及验孔

钻孔时，孔底应落在同一垂直面上；掏槽眼的钻孔应当控制好误差，保证其精度，实际操作中误差不得超过3cm，同时还需要控制好炮孔深度、角度和间距，严格禁止打穿炮孔或者使炮孔相交[6]；辅助眼均匀分布，为方便排水，孔眼可稍微倾斜，最大不超过轮廓线10cm。在钻眼施工过程中经常检查炮眼方向，若孔眼出现偏位，须及时校正，不符合要求的孔眼予以废除。

钻孔后必须用高压风清孔，确保全部炮孔满足爆破设计要求，每次钻孔结束后应由专职验收人员对钻凿的炮孔检查验收，应检查炮孔位置、深度、角度等参数是否符合爆破设计要求，并做好相关记录。

5.3 装药

爆破需要选择乳化炸药，装药前，要将起爆药卷以及药串按照要求加工好。根据分段号，将其脚线盘好，放置在箱子内，将一截药卷平均分成4份，按照钻爆设计的装药量和装药结构组织进行间隔装药，确保炮孔装药作业按爆破设计有序地进行，装药时，按照分组和分片方式进行，按照要求和规定，将堵塞的炮泥捣结实，同时保证其长度大于30cm。

5.4 连接起爆网络

与其他起爆网络不同，复式起爆网络具有较强的可靠性，准确率也相对较高。在采用复式起爆网络的连接过程中，要保证导爆管的顺畅，不得出现打结、破损、拉细等情况，各炮眼中，雷管段数需要和钻爆设计相同，在雷管距一簇导爆管自由端10cm以上的地方，使用黑胶布包扎好，由专业技术人员负责检查。

5.5 瞎炮处理

如果发现有瞎炮应当先查明原因，然后按照《爆破安全规程》(GB 6722—2014)相关规定进行下一步处理。

6 光面爆破质量检验标准

爆破后的围岩壁面应当圆顺平整，无欠挖，当眼深3m时其超挖量应控制在10cm以内，当眼深5m时其超挖量应控制在13cm以内。

若掌子面围岩为坚硬岩石且整体性较好时，半眼痕保存率应大于80%；若掌子面围岩为中硬岩石时，半眼痕保存率应大于70%；若掌子面围岩为软岩时，半眼痕保存率应大于50%，炮眼利用率应大于90%。

7 软弱围岩光面爆破实施效果

开挖轮廓基本与设计要求一致，爆破后软弱岩石壁面较为平整，起伏度控制在10cm以内，与一般爆破方式相比初喷混凝土每延米可节省1.3m3，仰拱回填混凝土可节省0.6m3；爆破后岩石壁面半眼痕保存率大于80%；爆破后，岩层壁面上基本无粉碎损伤，未出现新生裂隙，对围岩的扰动弱；相对一般爆破而言，软弱围岩光面爆破循环进尺理想，可加快进度缩短施工工期。