大断面隧道空孔直线掏槽爆破高效掘进方法

2022-09-20怀平生降世良

爆破 2022年3期

王玮，怀平生，降世良

(1.连云港明达工程爆破有限公司，连云港 222021；2.中铁十二局集团国际工程有限公司，北京 100176)

1 工程概况

阿联酋阿提哈德铁路二期D标段包含9条隧道，全长6936 m，设计为单线隧道。其中T1、T2隧道位于拉斯海马酋长国，剩余7条隧道则集中在富吉拉酋长国境内。围岩由辉长岩、方辉橄榄岩、石英岩等一种或多种混合组成，地质情况复杂，岩石单轴抗压强度为20～180 MPa不等，围岩支护等级为S1～S6级。

隧道由法国SYSTRA公司设计，美国Jacobs公司监理咨询，执行英国标准，采用新奥法施工。其典型断面为14.7 m(宽)×10.3 m(高)，面积128.3 m2。对于S4级及以上的围岩，可使用钻爆法开挖洞身。

2 爆破方案分析

2.1 爆破施工条件

按施工方法要求，开挖工作实施前由施工方和监理方地质工程师对隧道断面做地质素描，根据评级确定支护类型与下一循环开挖长度。爆破后的支护需立即跟进，严禁在未完成支护时开挖下一循环。根据施工规划，钻爆及锚杆安装施工应在9 h内完成，否则会挤占其他工序时间，影响后一循环爆破的实施。

自炸药到场至爆后解除警戒的所有爆破工序均在警方的现场监督下实施，包括清场、装药填塞、起爆、测振、销毁剩余器材等。且每循环仅有一次爆破机会，不允许二次爆破处理欠挖。爆破器材用量及爆破时间需提前三个工作日上报给警方审批，一旦爆破申请获得通过，警方不允许爆破时间、雷管段别、炸药用量等现场施工细节出现变化。如需要在申请通过后变更施工细节，则应取消后续爆破并等待变更申请的生效。

9条隧道中的多条附近存在被保护物，如民居、高压线塔、燃气管线等。这些被保护物的产权方均提出了爆破振动监测的要求，若未及时提供监测数据或爆破振动超标，产权方则有权对施工方采取罚款或停工处罚。

2.2 爆破方案选择

同样取90%炮孔利用率，孔深3 m两天3次爆破与孔深4.5 m每天1次爆破的掘进效率是一致的。但是受多种严苛要求的制约，与短进尺、高频次的爆破方案相比，大进尺、低频次的爆破方案更能适应项目的现实条件。

若想实现4.5 m的理论循环进尺，则需要使掏槽孔达到4.7 m的垂直进深。对于楔形掏槽方案，常规单排掏槽的掏槽角度一般不大于60°，此时掏槽孔的孔深为5.4 m，超出了钻杆长度。另一方面，楔形掏槽孔为爆破振动峰值出现部位[1,2]，过深的炮孔将导致掏槽孔装药增多，不利于控制爆破振动；复式掏槽虽可以解决掏槽角度限制问题，但需要钻凿多排掏槽孔[3]，还需考虑到不同排掏槽孔之间的延期时间选择及后响炮孔内炸药的冲击波减敏现象[4]，这将使整个钻爆施工复杂化且炮孔利用率不高[5]。

空孔直线掏槽则提供了另一种选择，相较楔形掏槽其循环进尺仅与钻杆长度和空孔所创造的补偿空间有关[6]。优点为爆后岩石块度均匀，爆堆集中利于铲装，方案优化完成后炮孔位置和孔内起爆雷管段别可持续沿用不受进尺影响，单段最大药量容易控制等。缺点为钻孔设备昂贵、对钻孔精度要求较高、对钻孔设备操作人员的素质要求较高等。

3 工程数学模型

爆破参数通常是与爆破器材品种、地质条件、断面大小、钻头直径等因素相关的，业内缺乏公认的爆破参数计算方法。因施工中地质条件多变，通过有限元等方法从微观上模拟非均质岩石较为困难，且有限元软件也难以在施工一线应用普及。因此主要通过宏观统计建立的经验数学模型来计算爆破参数。

3.1 炮孔数量

工作面上的炮孔数量可用式(1)、(2)估算[7]

(1)

f=F/107

(2)

式中：N为炮孔总数；f为岩石坚固性系数；F为岩石单轴抗压强度，MPa；S为隧道爆破断面面积，m2。

3.2 炸药单耗

影响炸药单耗的主要因素有炸药的品种、岩石性质、自由面的数量等。可按Pokrovsky提出的经验公式计算[8]

q=q1ef1kcons

(3)

式中：q为修正爆破单耗，kg/m3；q1为未修正爆破单耗，取0.1倍的岩石坚固性系数；e为炸药换算系数，为TNT爆热与所用炸药爆热的比值；f1为岩石结构系数，致密岩石取0.8，脆性岩石取1.1，板岩和含细碎裂隙岩石取1.3，粘性和多孔岩石系数取2.0；kcons为自由面系数，只有一个自由面时按下式确定

(4)

式中：S为自由面面积，m2。

3.3 底板孔参数

底板孔在起爆顺序中靠后，延期时间较长。爆破时有大量岩石覆盖，因此岩石移动的阻力较大，孔距SL和排距BL的计算方法与其它炮孔不同。可按下式计算[9]

(5)

式中：qe为线装药密度，kg/m；PRPANFO为相对做功能力，为所用炸药爆热与ANFO爆热的比值；f2为系数，一般取1.45；SL/BL为底板孔炮孔密集系数，一般为1～2。

3.4 周边孔和崩落孔参数

周边孔因线装药密度较低，不耦合系数大，孔距SP按两倍的压缩破坏半径Rsh确定。崩落孔则为应力波和高压气体联合作用破碎岩石，其孔距SS及排距BS等于破裂破坏半径Rfr。

压缩区和破裂区半径可使用Andrievskij提出的经验公式[8]

(6)

式中：Rsh为压缩区半径，m；d为炮孔直径，m；ρ为炸药密度，kg/m3；D为炸药爆速，m/s。

(7)

式中：Rfr为裂隙区半径，m；dsh为压缩区直径，m；r为炮孔半径，m；τc为岩石抗剪强度，一般为抗压强度的0.1～0.4。

3.5 掏槽孔参数

根据爆破施工目的和使用的机具，常见的空孔直线掏槽空孔数量为1～4个，5空孔和6空孔的布置方法较为少见[10-13]，为确定空孔直径与空孔数量可按下式计算[14]

(8)

(9)

a=1.5De

(10)

式中：de为空孔直径，mm；L为理论循环进尺，m；N1为空孔数量；De为与多个空孔起到相同作用的单个空孔等效直径，mm；a为中心装药孔至空孔距离，mm。

4 实例分析

本项目钻孔设备为铁建重工ZYS113型三臂凿岩台车，钻孔直径φ45～140 mm，可满足炮孔、地质探孔、大直径空孔等钻凿要求。爆破所使用炸药为奥瑞凯Senatel Magnafrac乳化炸药，周边孔及与周边孔相邻崩落孔所用药卷规格为φ32 mm×550 mm×0.5 kg，其余炮孔所用药卷规格为φ40 mm×360 mm×0.5kg，炸药密度1.15 g/cm3，爆速5000 m/s，爆热2800 kJ/kg。孔内起爆雷管为奥瑞凯Exel LP高精度抗拉导爆管雷管，雷管段别及延期时间见表1。

表 1 雷管段别表

孔外连接雷管为奥瑞凯生产的Exel HTD导爆管传爆雷管，延期时间有0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四种可选。导爆索规格为40 g/m，作为光面爆破装药使用。

4.1 空孔直线掏槽掏槽爆破

4.1.1 4空孔直线掏槽

T7隧道围岩为辉长岩，隧道总长1090 m，取样测试岩石抗压强度为97～142 MPa，围岩等级大部分为S2～S3级。根据使用目的不同现场配备了45 mm、64 mm、102 mm三种尺寸的钻头，由进尺4.5 m以及公式(8)和(9)可求得空孔直径为102 mm时，需使用4个空孔方能满足循环进尺4.5 m的需求，此时掏槽区域孔位布置见图1，爆破参数计算结果见表2。

表 2 爆破参数计算表

图 1 4空孔直线掏槽布置图(单位：mm)Fig. 1 Layout of burn cut with 4 empty holes section(unit:mm)

结合施工经验对计算得到的爆破参数微调后，形成炮孔布置图2与爆破参数表3。其中炮孔201个，周边孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。每循环钻孔总延米906.3 m，合计装药量600 kg，单耗1.04 kg/m3。使用0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四种孔外连接雷管将隧道断面划分为田字网格区域，除周边孔外最大同段炮孔数量为6个，最大单段药量27 kg。

爆后爆堆集中，岩石块度均匀，最大粒径在0.9 m以下。经213次爆破后综合统计，共掘进914.8 m，平均每炮进尺4.3 m。现场操作中曾因围岩变弱而将循环进尺降低至3.5～4 m，除减少孔深和总装药量以外，剩余其它参数仍保持原方案不变，因此实际炮孔利用率高于95.6%。

图 2 全断面炮孔布置图(单位：mm)Fig. 2 Holes layout of full section(unit:mm)

表 3 爆破参数表

4.1.2 6空孔直线掏槽

T10隧道围岩为辉长岩，隧道总长966 m，取样测试岩石抗压强度为79～107 MPa，围岩等级大部分为S2～S3级。使用公式(8)和(9)可求得空孔直径为64 mm时，布置6个空孔理论循环进尺为4 m，此时掏槽区域孔位布置见图3。

图 3 6空孔直线掏槽布置图(单位：mm)Fig. 3 Layout of burn cut with 6 empty holes section(unit:mm)

结合施工经验对计算得到得爆破参数微调后，炮孔186个，周边孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.2 m×1.2 m、底板孔孔排距1.0 m×0.6 m。钻孔总延米746.2 m，合计装药量500 kg，单耗0.97 kg/m3。使用9 ms孔外连接雷管以串并联连接起爆网络，除周边孔外最大同段炮孔数量降低至3个，最大单段药量12 kg。

爆后爆堆集中，岩石块度均匀，最大粒径在0.8 m以下。经3次爆破后综合统计，共掘进11.4 m，平均每炮进尺3.8 m，炮孔利用率95.0%。

4.2 楔形掏槽爆破

T7隧道施工初期采用楔形掏槽全断面爆破方式，设计开挖进尺4 m。其中炮孔200个，周边孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。钻孔总延米816.8 m，合计装药量575kg，单耗1.12 kg/m3。掏槽孔布置如图4所示。使用孔内延期起爆网络，除周边孔外最大同段炮孔数量为16个，最大单段药量为80 kg，最大单段装药产生部位为第一排掏槽孔。若在楔形掏槽隧道爆破中使用孔内外双延期方案控制爆破振动，则会将掏槽孔分割为不同段别，破坏了左右两侧掏槽孔的联合抛掷作用，不利于将掏槽中心多达51 m3的岩石抛出。

爆后部分岩石被抛掷到70～100 m，且最大岩石粒径达到了1.8 m。对掌子面岩石喷漆始终表明，大块岩石为掏槽中心部位产生。经11次爆破后综合统计，共掘进40.3 m，平均进尺3.7 m，炮孔利用率92.5%。

图 4 楔形掏槽布置图(单位：mm)Fig. 4 Layout of wedge cut(unit:mm)

4.3 对比分析

空孔直线掏槽爆破进尺较楔形掏槽爆破提高了0.6 m/循环，按T7隧道80%长度采用空孔直线掏槽爆破计算，则减少爆破35次，可提前一个月完成隧道开挖任务。同时也可以节约炸药、雷管、钻孔数量，经济效益显著。由于钻杆长度为5 m，现案仍未达到进尺极限，存在0.4 m左右的进尺提升空间，因此可以预计空孔直线掏槽爆破进尺较传统楔形掏槽爆破的掘进效率最大可增加25%。

在获得同样循环进尺的情况下，空孔直线掏槽爆破方案较楔形掏槽单段最大药量可降低85%。对41～110 m处的燃气管线进行了28次爆破振动监测，获得的最大爆破振动速度为2.86 cm/s，低于燃气公司提出的5 cm/s控制指标，表明空孔直线掏槽结合孔内外双延期起爆网络在不缩短循环进尺的情况下可有效的降低爆破振动。