环向切缝聚能管在隧道掘进中的试验研究

周 凯，赵新琛，崔步云，蒋志明，彭 松，张庆彬

(1.中铁十八局集团有限公司,天津 300222；2.长沙理工大学土木工程学院,长沙 410114)

目前地下工程开挖主要以钻爆法为主，掏槽爆破极大影响着掘进效率。为提高地下工程的掘进效率，不少学者对不同掏槽方式的掘进效果和工程适用性开展了研究工作，包括复式桶式掏槽[1]，双楔形、单螺旋和九孔掏槽，二级、加辅助掏槽孔、加装药中心孔复楔形掏槽[2]，混合掏槽[3]，复式楔形掏槽[4]，内、外楔形结合的双楔形掏槽[5]等。还有学者通过优化爆破参数以增加掘进进尺[6-10]，以上研究主要通过采用不同掏槽方式和优化掏槽爆破参数来增加掘进进尺。另外，为达到特定的工程目的和提高炸药能量利用率，有学者研究了聚能爆破与常规爆破在裂纹扩展和爆破漏斗方面的差异[11-12]；还有学者通过设计聚能装置以实现炸药能量的合理分布[13-16]，并将其成功用于隧道超欠挖控制[17]。

通过上述研究成果可以看出，关于掏槽孔掘进效果的研究主要基于常用掏槽形式的爆破参数的优化，且关于聚能爆破的研究也主要集中于其机理和能量分布的研究，实际应用中也主要用于隧道周边孔爆破以控制超欠挖，而将聚能爆破和掏槽爆破结合起来进行研究的成果较少。为此，笔者基于爆破聚能理论设计出一种新型的环向切缝管，并将其应用于隧道掏槽孔爆破中，研究其实际应用效果。

1 工程概况

桑植隧道位于黔(江)张(家界)常(德)高铁，隧道起讫里程为DK147+276.75～DK152+335，全长5 058.25 m，为设计时速200 km/h的Ⅰ级双线隧道，隧道断面设计如图1所示。

图1 桑植隧道横断面设计Fig.1 Cross-section design of Sangzhi tunnel

为研究环向切缝聚能管在隧道中的实际应用效果，结合隧道现场施工进度，选取DK150+501～DK150+449.1区段为试验段，该区段围岩属于III级围岩，岩体为三叠系下统大冶群薄层灰岩，埋深大，岩体节理裂隙较发育且富水，层间结合力较弱，隧道开挖拱顶可能发生塌方及掉块，且可能遇到高压溶腔水及突水、涌水现象。

试验段采用全断面施工、三臂凿岩台车钻凿炮孔，掏槽选用二级掏槽，炸药为2号岩石乳化炸药，采用毫秒延期导爆管雷管并跳段使用。爆破设计参数如表1所示，断面设计如图2所示。

表1 爆破设计参数

注：数字1、3、5、7、9、11、13、15为雷管段别。图2 全断面爆破设计Fig.2 Blasting design of the full section

2 试验设计

2.1 环向切缝聚能管设计

环向切缝聚能管选用壁厚2 mm、内径36 mm、外径40 mm的PVC管。兼顾经济性和现场的易操作性，聚能管的长度确定为85 cm(包含2节药卷长度和一定预留长度)。切缝沿PVC管环向切割成3等份，各等份间保留约1 cm的管材使PVC管不致断裂[18]。试验过程中考虑切缝纵向间隔分别为2、3、4、6 cm。

2.2 环向切缝聚能管药包掏槽爆破试验

在不改变原有掏槽区爆破参数的前提下，将环向切缝聚能管内装入炸药，然后将装填好炸药的聚能管送入掏槽孔底部，然后再进行正常装药，聚能装药结构如图3所示，炮孔布置和爆破参数分别如图4和表2所示。

图3 环向切缝聚能管结构Fig.3 Structure of the circular slit shaped tube

注：数字1、3、5为雷管段别。图4 环向切缝聚能管药包爆破试验炮孔布置Fig.4 Layout of the blastholes with circular slit shaped tube

表2 环向切缝管参数

2.3 掌子面中部增设超深孔的聚能管爆破试验

在环向切缝管装入掏槽孔的基础上，在隧道掏槽区域的中心位置从上至下增设4个超深直孔，孔深4.8 m，超深0.5 m，并在超深孔底部放入装好炸药的环向切缝管，采用反向起爆方式起爆，装药结构如图5所示，炮孔布置及爆破参数如图6和表3所示。

图5 环向切缝聚能管超深孔装药结构Fig.5 Structure of the circular slit shaped tube in the ultra-deep hole

注：数字1、3、5为雷管段别。图6 超深孔炮孔布置Fig.6 Layout of ultra-deep holes

表3 超深孔爆破参数

3 试验结果

3.1 环向切缝管爆破试验

1)掘进效率。为分析爆破效果，收集了采用环向切缝管爆破的隧道进尺和炮孔利用率数据，并将其与未采用环向切缝管的爆破数据进行对比分析(见图7)。

图7 进尺对比Fig.7 Comparison of the footage

可以看出，采用环向切缝管的聚能爆破比未采用该切缝管的普通爆破在爆破进尺和炮孔利用率方面均存在一定幅度的提高，采用环向切缝管进行爆破时，平均进尺由3.79 m增加到4.05 m，增加了0.26 m；平均炮孔利用率提高了7%且全部达到95%以上。

由试验掏槽平均进尺与环向切缝间距关系(见图8)可知，随着环向切缝管切缝的纵向间距的增加，掏槽进尺与炮孔利用率也随之增加，当切缝的纵向间距在3～4 cm时爆破效果最优，掘进进尺和炮孔利用率平均为4.18 m和99%。当切缝间距为6 cm时，掏槽掘进进尺和炮孔利用率不升反降，说明环向切缝聚能管在实际应用中被环向切缝的纵向间距影响。

图8 试验掏槽平均进尺与环向切缝间距的关系Fig.8 Relationship between the average footage and the longitudinal spacing of the circumferential slits

2)掏槽爆破振动效应。为对比掏槽孔采用环向切缝聚能管爆破引起的振动情况，利用萨道夫斯基公式对振动数据进行了拟合(见图9)，得到采用环向切缝聚能管的掏槽爆破所引起的振动比未采用环向切缝管的一般爆破引起的振动衰减慢。

图9 掏槽区1段雷管起爆爆破振速对比Fig.9 Comparative of the blasting vibration velocity caused by the first segment of detonator

3.2 加设超深孔爆破试验

1)掘进效率分析。掏槽孔采用环向切缝管爆破时，平均进尺和炮孔利用率分别为4.05 m和97%(见图7)，在此基础上增加超深孔且采用环向切缝管爆破时，得到平均进尺和炮孔利用率分别为4.18 m和98%(表4)，进尺进一步提高了0.13 m，炮孔利用率提高了1%。

表4 加设超深孔的爆破试验进尺及炮孔利用率

另外，增设超深孔爆破试验时，增设的超深孔采用了MS1段雷管和MS3段雷管两种段别的雷管进行了起爆，对比二者之间的进尺和炮孔利用率，发现采用与掏槽孔同段雷管起爆超深孔时的爆破进尺和炮孔利用率均高于采用MS3段雷管起爆增设的超深孔(见图10)，这主要因为采用同段雷管起爆超深孔时增加了掏槽爆破的能量，而采用MS3段雷管引爆超深孔时，因为其比MS1段雷管滞后爆破，中间掏槽区域的岩石已经开始向掌子面临空区域发生了一定的位移，所以其能量更多的作用于掏槽区被抛掷区域的岩体，从而降低了爆破进尺和炮孔利用率。

2)掏槽爆破振动效应。通过对比只安装环向切缝管与增加超深中间孔的爆破振速(见图10)得知，采用环向切缝管并增设超深孔时，会大大增加掏槽爆破的振动。如爆心距25 m时，仅采用环向切缝管聚能爆破引起的振动速度值为5.52 cm/s，而采用环向切缝管、增设超深孔时且采用MS1段雷管起爆时，引起的最大振动速度为28.11 cm/s，后者是前者的5倍左右。这主要是因为增设超深孔的同时也增加了掏槽区域的一次齐爆药量，进而增加了爆破振动速度。

图10 爆破振速对比Fig.10 Comparison of blasting vibration velocity

4 结论

1)环向切缝管以及在此基础上增设的超深孔均可有效地提高掘进效率，不会给施工增加较高的成本和额外地工作量，操作简单易行，具有良好的推广应用前景。

2)环向切缝管用于掏槽爆破可平均提高掏槽进尺0.26 m，提高炮孔利用率7%，且环向切缝的纵向间距为3～4 cm时效果最佳，且引起的振动衰减较慢。

3)环向切缝管和超深孔一起采用时，将进一步提高掏槽爆破进尺0.13 m，提高炮孔利用率1%，且中间超深孔采用MS1段雷管引爆的应用效果要优于采用MS3段雷管引爆，但MS1段雷管较MS3段雷管提高了振动速度，所以能否在实际工程中应用要根据实际情况进行确定。