软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用_官黎明.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20210325基金项目:新疆 G575 线巴哈公路土建一标项目(BHGL-TJ-01)作者简介:官黎明(1983)，男，陕西咸阳人，高级工程师.(53528176 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.018软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用官黎明1，危皓1，冯志谦1，陈鹏高1，魏新傲2(1 中交一公局桥隧工程有限公司，湖南长沙410083;2 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)摘要:为了发挥机械设备进步的优势，进一步提高软弱围岩隧道爆破施工速度，解决支护封闭成环慢、工序步距超标等问题，提高软弱围岩隧道施工安全，以东天山特长隧道斜井为工程背景，探讨了软弱围岩隧道大断面爆破开挖的施工方案。首先比较了隧道大断面开挖工法与传统台阶法施工的优缺点。然后基于光面爆破结合预裂爆破的综合爆破技术，分别从起爆顺序、装药结构、爆破规模确定等方面优化了大断面爆破方案，最大限度减少大断面爆破对围岩的扰动。结果表明:优化后的大断面爆破方案取得了良好的轮廓爆破效果，超欠挖值得到有效控制，平均线性超欠挖控制在 0.25 m 以内;分析方案优化前后的连续 3 个断面桩号的拱顶沉降及周边收敛累计，拱顶沉降最大值降低了约 34%，周边净空收敛最大值降低了约 65%，斜井隧道内拱顶沉降值、周边收敛值均有了大幅降低，采用优化的大断面爆破方案，减小了爆破扰动，缩短了封闭成环时间，在连续施工过程中隧道围岩稳定，无异常情况;单位循环时间得到了大幅缩短，平均工效提高了约 25%，月进尺 91.5 m 提升至 113.7 m，大断面施工比原有三台阶施工减小了循环进尺，提升了开挖过程的安全性。故所采取爆破参数优化设计是可行的，可为类似工程提供借鉴。关键词:隧道工程;软弱围岩;大断面爆破;生产进度;超欠挖中图分类号:U455.6文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02014508Study and Application of Large Section Blasting Excavation ofInclined Shaft in Soft ock TunnelGUAN Li-ming1，WEI Hao1，FENG Zhi-qian1，CHEN Peng-gao1，WEI Xin-ao2(1 Bridge Tunnel Engineering Co.，Ltd.of CCCC First Highway Engineering Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410083;2 School of esources and Safety Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083)Abstract:In order to give full play to the advantages of mechanical equipment progress，further improve thespeed of blasting construction in soft rock tunnel，solve the problems of slow ring formation of support closureand process step overrun，and improve the safety of soft rock tunnel construction，on the project backgroundof the inclined shaft of East Tianshan extra-long tunnel，the construction scheme of large section blastingexcavation in soft rock tunnel is discussed.First，the advantages and disadvantages of large sectionexcavation method and traditional bench method are compared.Then，based on the comprehensive blastingtechnology of smooth blasting and presplitting blasting，the large section blasting scheme is optimized from theaspects of blasting sequence，charging structure，determination of blasting scale etc.to minimize thedisturbance of large section blasting to surrounding rock.The result shows that(1)The optimized largesection blasting scheme achieved good contour blasting effect，the overbreak and underbreak values areeffectively controlled，and the average linear overbreak and underbreak are controlled within 0.25 m.(2)The analysis of the arch crown settlement and peripheral convergence accumulation of 3 consecutive sectionpiles before and after scheme optimization shows that the maximum value of the arch crown settlement is公路交通科技第 40 卷reduced by about 34%，the maximum value of peripheral clearance convergence is reduced by about 65%.The arch crown settlement value and peripheral convergence value in the inclined shaft tunnel are greatlyreduced.The optimized large section blasting scheme reduced the blasting disturbance，shortened the time ofclosing and looping，and the surrounding rock of the tunnel is stable during the continuous constructionprocess，without abnormal condition.(2)The unit cycle time is greatly shortened，the average workefficiency is improved by about 25%，and the monthly footage is increased from 91.5 m to 113.7 m.Thelarge section construction reduced the cycle footage compared with the original 3-bench construction，improved the safety of the excavation process.Therefore，the adopted optimized design of blasting parametersis feasible，which can provide a reference for similar projects.Key words:tunnel engineering;soft rock;large section blasting;production schedule;overbreakand underbreak0引言在任何隧道爆破施工中，主要有两个目标:达到较快的掘进速度和最大限度地减少对周围岩体的损伤1。传统的软弱围岩条件下大断面隧道爆破开挖方式，要求将隧道断面分成若干部分，在施工过程中导坑先进再逐步扩挖至全断面，例如三台阶七步开挖法，然而大量的工程实践表明，这种方法并非总是安全的。一方面，因大型机械设备作业空间狭窄，工序间相互干扰大，存在施工进度慢，造成支护封闭成环滞后、工序步距超标等诸多安全隐患;另一方面，分步爆破开挖的作业方式间接增加了对围岩的爆破扰动次数，易对已施工的初支造成破坏，从而形成新的安全隐患。随着社会经济技术的发展，对隧道施工安全保障水平以及施工作业进度提出了更高的要求。大断面爆破开挖能够充分发挥隧道机械化配套加快施工进度的优势，具有工序简单、对围岩扰动次数少、施工效率高等优点，因此，研究软弱围岩隧道大断面爆破开挖，实现更安全、更精确、更快速的爆破工程具有重要的工程实践意义24。众多学者已对软弱围岩隧道爆破开展研究。宗琦5 通过分析研究软弱岩石的爆破破坏特征，构建了软岩光爆参数的理论计算模型;李启月等6 分析了级围岩隧道全断面一次爆破可行性，优化了级围岩隧道全断面爆破参数，并展开现场试验，光面爆破效果良好;姚洪瑞7 提出了采用短进尺的浅孔弱爆破方案来降低爆破施工对围岩造成的扰动和提高围岩稳定性，从而保证施工安全性;陈洁金等8 针对软弱地层大断面隧道，对比了三台阶七步法和三台阶临时仰拱法两种施工工法，研究结果认为软弱围岩隧道中三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法;马辉等9 对精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架进行了研究，将其用于 IV，V 级石质软弱围岩隧道，以解决安全步距保持、进度保障等施工问题;陈亮等10 分别从开挖方法、预支护、爆破参数、监测技术的应用等 4 个方面对高地应力大断面软岩隧道的开挖技术进行了研究。综上，目前尚缺乏针对软弱围岩隧道大断面开挖爆破施工参数的优化研究，相关研究成果比较少。随着隧道机械化大断面法的大量应用，急需研究和改善爆破技术，最大程度减小爆破对围岩的扰动，以保护围岩原有的稳定性。本研究以东天山特长隧道斜井为工程背景，通过对施工方案进行比选，分析隧道软弱围岩稳定性，选择采用大断面法进行施工，并优化了软弱围岩大断面开挖爆破方案，最后统计分析爆后监控量测数据，论证了现场轮廓控制及围岩沉降收敛情况，以期为类似隧道的安全快速施工提供借鉴。1工程概况东天 山 特 长 高 速 公 路 隧 道 单 洞 设 计 总 长11.78 km，在隧道右线右侧设置 1#通风斜井，其长2 130 m，中部纵坡为13.083%，每隔650 m 设置长60 m 的缓坡，缓坡坡度为 3%。开挖断面积达到70 m2。斜井掘进面处于 F2 断层影响带，围岩以中风化凝灰质粉砂岩以及强风化凝灰质砂岩为主，节理裂隙发育，地质评价为，VI 级围岩。考虑到掌子面稳定性较差，需对围岩进行加固，施做超前支护方案为:拱顶 120范围布置超前小导管，环向间距40 cm，搭接长度不小于 2 m，外插角 610。斜井断面轮廓图如图 1 所示。2软弱围岩隧道大断面开挖法隧道开挖方法尤其是钻爆法开挖，取决于岩石641第 2 期官黎明，等:软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用图 1东天山隧道 1#斜井超前支护轮廓(单位:m)Fig.1