沙特NEOM隧道项目光面爆破高效施工方法研究与应用

2024-05-08降世良万超杰

施工技术(中英文) 2024年7期

降世良,万超杰,王玮

(1.连云港明达工程爆破有限公司,江苏连云港 222021; 2.中国铁建国际集团有限公司,北京 100039)

0 引言

随着社会经济的快速发展,国内外公路、铁路等基础设施项目仍处于建设高峰期,多数建设项目中有隧道爆破开挖施工,常采用光面爆破形成安全、稳定和美观的轮廓面,使隧道整体结构应力均匀分布,避免因应力集中引发安全事故,并通过控制超欠挖减少施工材料的投入,达到安全施工及降本增效的目的。

常见光面爆破的装药结构为不耦合连续装药或间隔装药[1],通常采用竹片[2]、聚能管[3-4]或者其他装置按照设计的线装药密度来提前加工药串,施工时只需将药串送推入孔内即可,传统的施工方法虽然可以很好地控制线装药密度和爆破效果,但需要投入大量的时间、人力和辅助材料,不利于提高爆破施工效率和成本控制,因此设计出一种40g/m导爆索与2号岩石乳化炸药组合的光面爆破装药结构,通过调整装药结构和施工方法来提高光面爆破装药效率、节约施工成本和改善光面爆破效果。

1 光面爆破原理

光面爆破的成缝机理[5-7]多数学者倾向于爆炸应力波和高压气体相互作用,炸药爆炸时应力波以药包为中心向四周传播,当轮廓上相邻炮孔间的爆破应力波产生叠加效应时,会产生切向拉力,拉力的最大值产生在两孔中心点连线上的中点,当岩石的抗拉强度小于切向拉力时,岩体被拉裂,从而在两孔中心线上形成裂隙,经爆炸产生的高压气体“气楔效应”裂隙被进一步扩展,最终劈裂出平整的爆裂面。

药包爆炸时岩石内部产生粉碎区、裂隙区及弹性区,为减小爆破对隧道轮廓面围岩的破坏,通常采用不耦合装药,通过减少装药量和线装药密度,来降低炸药爆炸时对孔壁的初始应力,减小岩石粉碎区和裂隙区半径,以此增加围岩的稳定性。

施工时可根据岩石性质、爆破器材种类、光面爆破效果等因素,调整周边孔间距、光爆层厚度和线装药密度等参数[8],不断改进光面爆破质量。

2 工程概况

2.1 项目概况

沙特NEOM隧道支洞项目位于沙特北部塔布克省,全线共6条支洞,暗洞全长共8 415m,全线支洞穿越的岩层主要为沉积岩、二长岩、花岗岩、砂岩等的一种或多种组合,普氏系数f=6～12,岩石单轴抗压强度为30～170MPa,隧道断面为11.69m(宽)×8.62m(高),断面面积为86.26m2,围岩支护等级为 AD-5E～AD-1级。其中AD-3A及以上围岩采用全断面爆破开挖法,设计循环进尺为5.0m,隧道轮廓开挖采用光面爆破技术,爆破钻孔采用全电脑三臂凿岩台车,炮孔直径为45mm。

2.2 爆破器材选择

施工所在地爆破器材厂家生产供应的乳化药卷规格为40mm×550mm×500g和32mm×550mm×500g,炸药密度为1.05g/cm3,爆速为5 500cm/s,导爆索规格为40g/m和5g/m,根据规范中关于导爆索的分类,装药量≥18g/m的导爆索称为高能导爆索,装药量<9g/m的导爆索称为低能导爆索;孔内雷管采用Sanel LP高精度导爆管雷管,雷管段别及延期时间如表1所示。

3 施工方案选择

项目所在地对火工品的管理非常严格,爆破施工必须由当地爆破分包商组织施工,当地分包商爆破人员技术水平不高、施工习惯和国内不同,在施工过程中由警方全程监管,并对爆破作业时间有一定限制,不允许提前和现场加工药卷。且施工所需的竹片、聚能管等装置需要从国内采购,采购成本较大,所以现场无法按照国内传统的装药工法施工,为适应当地施工习惯和诸多因素的限制,便于现场装药操作,采用40g/m高能导爆索和2号岩石乳化炸药组合式的装药结构进行光面爆破装药,省去了药串加工步骤,装药时只需将绑扎好的孔底药卷装入孔内,其他药卷依次装填至设计部位即可,40g/m高能导爆索既作为孔内装药,也用于起爆孔内药卷。

4 爆破参数确定

4.1 不耦合系数

不耦合装药结构以空气作为缓冲,可以减小炸药爆炸时的初始应力对孔壁的破坏,还可以延长应力波和高压气体的作用时间,合理的不耦合系数[9]能更好地提高炸药能量利用率和改善光面效果。隧道支洞项目因厂家供应的爆破器材种类和现场钻孔条件等因素限制,故不耦合系数e采用固定值,按照下式计算:

е=d/d0

(1)

式中:d为炮孔直径,取45mm;d0为药卷直径,取32mm。

代入公式得出e=45/32=1.4,参照大量实践资料,上式计算得出的不耦合系数值在合理范围内,可用于现场光面爆破施工。

4.2 周边孔间距

隧道光面爆破是在轮廓线上布置密集的炮孔,通过炸药爆炸产生的应力波和高压气体相互作用,形成光滑的爆裂面,合理的孔间距是光面爆破是否成功的关键,由光面爆破成缝机理可知,受爆炸冲击波作用,炮孔周边形成初始裂隙,在准静态压力作用下裂隙进一步扩展,由此炮孔间距[10]E为:

E=K1f(1/3)rb

(2)

式中:K1为调整系数,一般取10～16,岩石坚硬时取较大值,取12;f为围岩普氏系数,f=6～12,取8;rb为炮孔半径,取0.022 5m。

代入公式得出E=0.54m,施工时孔间距可根据围岩性质和爆破效果及时微调。

4.3 光爆层厚度

光爆层厚度指周边炮孔的最小抵抗线,厚度取值要保证岩石顺利破碎,不能产生大块岩石,还要保证周边孔间切割成缝,形成光滑爆裂面,过大则光爆层岩石无法充分破碎;过小则可能改变应力波和高压气体的作用方向,使得两孔间产生突起,造成欠挖。光爆层厚度W计算:

(3)

式中:qb为炮孔内的装药量(含高能导爆索);lb为炮孔长度,取5.1m;c为爆破系数,相当于单位耗药量,对于f=4～10的岩石其值变化范围为0.2～0.5kg/m3,因炮孔深度较大,故c的取值可适当增大,取0.55kg/m3。

代入公式得出W=0.78m,考虑周边孔外插角度为2.3°,故孔口处光爆层厚度为0.57m。

将式(2)和(3)计算结果代入炮孔密集系数k=E/W,得出k=0.73,取值在合理范围内。

4.4 线装药密度

线装药密度是指光面炮孔内每米装药量,通过调整线装药密度能有效控制炸药爆炸能量的输出,减小初始应力对孔壁的破坏,线装药密度[11]Q参照下式计算:

Q=qWE

(4)

式中:Q为线装药密度(kg/m);q为单位体积岩石炸药消耗量(kg/m3);W为光爆层厚度(m);E为周边孔间距(m)。

参照前式计算结果,代入公式计算得出Q=0.23kg/m,药卷规格为32mm×550mm×500g,导爆索为40g/m,为便于药量计算和装药,取Q=0.24kg/m。

根据以上公式计算得出光面爆破相关参数如表2所示。

表2 光面爆破参数Table 2 Smooth blasting parameters

5 周边孔装药设计

5.1 孔内装药结构

设计周边孔装药结构时,参照计算的线装药密度,孔底装药量适当加强,填装1支32mm药卷,炮孔中部按照线装药密度填装,将32mm药卷分成3节,填装其中的2节,剩余1节填装至炮孔上部,装药结构如图1所示。

图1 孔内装药结构Fig.1 The charge structure in the hole

装药时,将40g/m高能导爆索一端插入32mm孔底药卷,插入长度≥0.2m,然后用绝缘胶布缠紧,用木制炮杆轻轻将药卷送入孔底,再根据设计的装药结构依次将其他3小节药卷装填至孔内,在孔口0.6m处填装采用定制塑料装满石粉的砂袋。孔口预留0.3m导爆索,便于起爆连接。

5.2 起爆网路连接

由于施工所在地习惯周边孔内全部装填非电延期雷管起爆光面炮孔,当地厂家供应的起爆雷管为长延期雷管,存在起爆延期误差,无法保证周边孔同时起爆,将会导致光面爆破效果不理想,故此在施工前期对爆破分包商进行培训和现场实操,周边孔改为双炮孔起爆,其他炮孔采用5g/m低能导爆索按照传爆方向依次连接,确保周边孔同时起爆,使得孔与孔之间爆炸产生的应力波和高压气体产生叠加作用,更好地切割爆裂面,避免出现齿状轮廓,造成轮廓欠挖。

为了降低孔外连接导爆索产生的爆轰波和噪声,周边孔外采用5g/m低能导爆索进行网路连接,从顶部起爆雷管处,沿着传爆方向依次连接,孔口处40g/m高能导爆索与5g/m低能导爆索的搭接长度≥15cm,为防止传爆中断,导爆索应搭接平顺,夹角不得大于90°,搭接处用绝缘胶布缠紧,起爆雷管与主网路连接在一起,网路连接如图2所示。

图2 孔外起爆网路连接Fig.2 Connection of detonating network outside the hole

6 光面爆破效果分析

采用上述方法,爆破后光面爆破效果良好,轮廓面稳定、美观,残孔率88%～92%,轮廓面超欠挖面积<5%,每循环节约周边孔装药、凿欠和修边时间约1.5h,喷射混凝土用量小于项目部制定的计划用量,此方案在二长岩隧道试点多次测试调整后,确定了各项爆破参数,将此设计应用到砂岩隧道中,并根据围岩特性作了相应参数调整,爆破效果和各项指标均为良好,光面爆破效果如图3所示。