大岗山隧道光面爆破技术应用_闫红光.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.014收稿日期：2022-07-21作者简介：闫红光（1980-），男，江苏丰县人，高级工程师，硕士，主要从事高速公路建设管理，E-mail：。大岗山隧道光面爆破技术应用闫红光1，曾唯恐1，张清全1，雷 森1，张 波2（1.四川泸石高速公路有限责任公司，四川 成都 610000；2.中铁十八局集团有限公司，天津 300350）摘要：光面爆破是提高隧道施工质量的有效途径，能够有效减少超欠挖现象，提高洞内作业的安全性，减少炸药费用投入。针对大岗山隧道的地质条件和围岩特点，制定了隧道上、下两台阶开挖光面爆破技术方案和现场质量管理体系，并通过工程类比和经验公式计算得到隧道钻爆参数。现场施工结果表明：开挖轮廓平整，每米平均超挖量减小83.5，单循环最大开挖尺寸减小78.6，周边孔眼痕率提高64.4，炸药单耗降低27.9，有效加快了隧道开挖施工进度，降低了施工成本。关键词：光面爆破；高速公路；隧道施工；质量管理中图分类号：U455.6文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0059-061前言大岗山特长隧道为泸石高速公路全线控制性工程之一，长度7 309.0 m。进口位于泸定县得妥镇紫雅场村，出口位于石棉县挖角乡。进口高程1 227.5 m，出口高程1 097.0 m，最大埋深1 288.0 m。隧道围岩主要为震旦系花岗岩，岩体中有辉绿岩脉侵入，受区域邻近的鲜水河走滑构造带、雅江弧形构造带等构造作用影响，围岩节理裂隙和软弱破碎带广泛发育。采用光面爆破能够控制隧道轮廓面的平整性、减少超欠挖，降低爆破对围岩的扰动影响，有着较好的应用前景。2隧道光面爆破技术2.1开挖爆破基本方式大岗山隧道围岩类别以级中风化-微风化花岗岩、辉绿岩为主，属软岩-坚硬岩类，岩体裂隙较发育，拱顶无支护时围岩易发生坍塌及掉块。为了最大程度保证围岩的稳定性，确保现场施工人员安全作业，施工采用上、下台阶及仰拱（图1）分别爆破的方式进行开挖。上台阶断面轮廓较大，先利用掏槽眼消除核心岩体对周边眼的夹制作用，形成爆破临空面；然后使用最小抵抗线起爆布置在设计轮廓线上的辅助周边眼炸药；最后起爆周边眼炸药，将周边岩层剥离，形成平整开挖轮廓面。下台阶爆破过程与上台阶相同。仰拱施工采用松动爆破技术，充分利用爆破能量，使爆破对象成为裂隙发育体，不会产生抛掷现象，装药量只有标准抛掷爆破的40%50%。2.2爆破参数设置2.2.1 炮孔直径及炮孔深度由于隧道围岩岩性较软，而且岩体的节理裂隙较发育，为了减小施工爆破对围岩的扰动影响，根据相似工程施工经验类比，单循环实际进尺设计为2.0 m，配备手持湿式凿岩机，隧道掘进爆破的炮孔直径设计为40.0 mm。989上台阶1 264下台阶1 196仰拱1 169632242115图1隧道台阶开挖示意图/cm592.2.2 上台阶周边孔布置（1）周边孔布置形式周边孔沿隧道设计轮廓线布置，采用多钻孔、少装药的爆破方式，以减弱爆破作用对隧道围岩的扰动影响，同时保证了爆破后断面轮廓的平整性。（2）周边孔间距周边孔间距与炮孔直径、围岩岩性和节理裂隙发育程度等因素有直接的关系。如果孔距过大，将会难以爆破出平整的光面；如果孔距过小，会增加钻孔的费用,而且容易形成大块岩体，影响正常施工的进行。通常周边孔的孔距按式（1）计算1。a=（1018）d（1）式中:a周边孔孔距（cm）；d周边孔孔径（cm）。由于花岗岩岩体节理裂隙较发育，周边孔的孔距取中间值。根据式（1）计算结果，结合工程类比，取周边孔间距为0.45 m。（3）最小抵抗线周边孔最小抵抗线即光爆层厚度，指最后一圈辅助孔与周边孔的距离，一般大于周边孔间距。若最小抵抗线过小，周边孔首先朝自由面崩落，难以形成孔间贯通裂隙，导致破裂面凹凸不平。若最小抵抗线过大，周边孔难以突破光爆层岩体的夹制作用，导致爆破效果较差。在实际施工中，若隧道开挖断面大、岩体松软破碎，则光爆层岩体受到的夹制作用较小，更容易爆破崩落，光爆层厚度可取较大值。反之，则取较小值。最小抵抗线可根据式（2）进行计算2。W=(1015)d（2）式中:W最小抵抗线（cm）；d炮孔直径（cm）。考虑到隧道围岩较破碎，设计选取光爆孔的最小抵抗线为较大值。计算得出，最小抵抗线为0.65m。（4）炮孔密集系数炮孔密集系数（m）即周边孔间距和最小抵抗线的比值，取值一般在0.600.80，岩性越好取值越大，围岩极好的情况下可以取到1.00。周边孔间距a 取0.45 m，最小抵抗线W取0.65 m，经计算，炮孔密集系数m 为0.69。计算结果符合一般取值规定。2.2.3 上台阶掏槽孔布置（1）掏槽孔布设形式掏槽孔在爆破顺序中最先起爆，为后续爆破创造自由面。由于受到爆破自由面条件的限制，在所有掘进爆破的炮孔类型中，掏槽孔爆破的夹制作用最大，因而隧道掘进爆破产生的地震效应也以掏槽孔爆破时最为强烈。为了充分利用掌子面的自由空间条件,削弱掏槽孔爆破夹制作用,以降低其爆破振动效应，应尽可能减小掏槽孔的轴线与掌子面的夹角（掏槽角）。同时为避免掏槽孔爆破造成过度挤压现象，掏槽区域应有足够的空间。考虑到钻孔台架的结构尺寸和钻孔施工难度，掏槽孔以布置在开挖掌子面中央偏下的位置为宜。掏槽孔区域在隧道横向的长度应达到4.04.5 m,高度2.53.3 m。（2）掏槽孔布设参数由于掏槽孔孔深不大，设计取值为2.4 m，因此采用单级楔形掏槽形式。掏槽孔的孔深一般比单循环掘进炮孔深0.10.3 m，对于软岩取小值，硬岩取大值。掏槽孔采用矩形布置，共布设20个掏槽孔。从内到外布置两级掏槽孔，一级掏槽孔10个，长度为308.0 cm，掏槽角为52；二级掏槽孔10个，长度为253.0 cm，掏槽角为72。掏槽孔均从底板以上0.9 m处开始布置。2.2.4 上台阶掘进孔布置（1）掘进孔布设形式掘进孔又称辅助孔或扩槽孔，可在掏槽孔的基础上逐步扩大掏槽范围，进一步消除岩体夹制作用。为减少总的钻孔长度，保证钻孔精度，并且使得炮孔轴线与掏槽空腔的自由面尽可能平行，有利于获得较好的爆破效果,所有掘进孔均垂直于掌子面钻进。（2）掘进孔布设参数掘进孔共布设四级，前两级平行于掏槽孔，呈矩形布置，起到扩大中心围岩自由面的作用。后两级呈弧形布置(与隧道周边圆弧相近)，孔距均为1.10 m。与周边炮孔相邻的掘进炮孔布置在开挖边界内侧0.65 m处，以保证与周边光面爆破的最小抵抗线相等（图2）。2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷602.2.5 上台阶底板孔布置底板孔布置在上台阶底板开挖边界上，受到夹制作用较大，需要加大装药量。孔距为1.10 m，炮孔深度设计为2.20 m。孔底位于开挖底板下方10.0 cm处，两侧与边墙相接的炮孔按照底板孔的要求装药。2.2.6 下台阶炮孔布置下台阶断面轮廓较小，采用拉槽爆破方式，炮孔性质分为周边孔和主炮孔两种，孔深均为2.20 m。（1）下台阶周边孔布设边墙周边孔距上部自由面0.20 m，沿开挖边界的内侧05 cm位置开始布置，钻孔角度与掌子面夹角为2,即向外侧倾斜，孔底位于开挖边界。由于上台阶已经完成开挖，下台阶岩体的夹制作用相应减小，结合下台阶实际高度，周边孔孔距取0.50 m，最小抵抗线为0.750.85 m。（2）下台阶主炮孔布设下台阶主炮孔共分两级，采用水平布置，孔距1.001.10 m，排距1.101.30 m，边墙两端与开挖边界邻接的主爆孔距边界0.750.85 m，保持与周边光面爆破炮孔的最小抵抗线基本一致。第2级主炮孔按照底板孔沿开挖底板布置，向下倾斜3，与周边孔开挖交汇处须布置炮孔，该孔按照底板孔装药，但与周边光爆孔同时起爆。2.2.7 仰拱炮孔布置仰拱炮孔沿开挖底板轮廓线布设，向下倾斜3，炮孔间距取1.10 m，孔深为2.20 m。底板与周边开挖交汇处须布置炮孔，应按照底板孔装药。2.3装药设计2.3.1 周边眼单孔装药量单位炮孔长度中装药量称为线装药密度，对单孔装药量起控制作用。结合经验,在采用安全乳化炸药时,选取周边眼线装药密度0.180.25 kg/m。周边眼单孔装药量按照线装药密度，由式（3）进行计算3-5。Q光=q0l光（3）式中:Q光光爆孔单孔装药量（kg）；q0光爆孔线装药密度（kg/m）；l光光爆孔长度（m）。经计算，光面爆破的单孔装药量为0.60 kg。因此，可以使用32 mm-300 g的药卷,采用轴向空气间隔装药,每节药卷之间空余300 mm的间隔。2.3.2 掏槽眼、辅助眼和底板眼单孔装药量掏槽眼、辅助眼和底板眼单孔均采用32 mm、长度为30 cm的药卷，装药量由式（4）进行计算3-5。Q0=LG/h（4）式中：Q0单孔装药量（kg）；装药系数,按照爆破类型的不同,一般取0.450.75；L掌子面上炮孔的深度（m）；G每个药卷质量（kg）；h每个药卷长度（m）。通过计算，掏槽孔装药量为1.80 kg，装6个药卷；辅助掏槽孔装药量为1.201.70 kg，装4.05.7个药卷；掘进孔装药量为1.20 kg，装4个药卷；底板孔装药量为1.20 kg，装4个药卷(包括与隧道边墙相邻接的2个炮孔)。下台阶周边孔和仰拱主炮孔装药量为2卷32 mm，长度为30 cm的药卷。2.3.3 装药方式掏槽眼、掘进眼和底板眼采用孔底集中装药方式，并在孔口采用炮泥或纸板堵塞。掏槽孔的堵塞辅助掏槽孔掘进孔掘进孔掘进孔掘进孔 周边孔32072101998040 402001 25420202533085272图2掏槽孔和掘进孔布设示意图/cm第9期闫红光，等：大岗山隧道光面爆破技术应用第58卷61长度为1.30 m，辅助掏槽孔堵塞长度为0.801.00 m。周边孔采用间隔装药结构，导爆索全长铺设并加强孔口堵塞，堵塞长度不小于0.40 m（图3）。2.4起爆网络设计为改善爆破效果,所有炮孔均采用正向起爆方式引爆孔内炸药,即起爆药卷置于炮孔底部。雷管使用非电毫秒导爆电雷管，起爆的时差间隔为50 ms。上台阶由中间掏槽孔、辅助掏槽孔至外围掘进孔逐排或两排微差起爆,最后起爆周边孔。整个掌子面所有炮孔采用同次起爆和孔内分段延迟的串并联电力起爆网路，同排掏槽孔和掘进孔用同段雷管起爆。下台阶和仰拱的起爆顺序为：由上排主炮孔至下排主炮孔逐排微差起爆,最后起爆周边炮孔。综上所述，上台阶、下台阶和仰拱分部爆破的主要爆破参数见表1所列。3光面爆破质量控制光面爆破重点在于现场控制，为此，必须制定相应的质量管理体系和考核指标6。3.1光面爆破施工技术要求（1）开挖班钻孔作业必须定人定岗，周边孔和掏槽孔钻孔作业人员位置应该相对固定，不得随意调换。钻工班长要加强责任心，根据本班工人的技术水平进行合理分组。（2）在周边孔钻孔过程中，先钻标有方向后视点的孔位，并插入方向定位杆，作为造孔控制基准孔。严格按照后视点的数据开孔、打孔，控制好上下角度，严禁出现大超、大欠和剪刀眼。（3）周边眼及辅助周边眼使用短钻杆按要求角度开孔，然后换长钻杆继续造孔，在拱架端头至掌子面范围，根据实际情况增打短眼，以便消除局部欠挖情况。（4）严格执行周边孔导爆索装药，光爆孔内按施工要求不耦合装药。（5）底板孔施工时，必须严格控制钻孔角度。要求工人下蹲操作，使其水平钻孔。采取松动爆破方式，在孔口装设数码电子毫秒雷管。炮孔堵塞段雷管L0.40 m起爆导爆索图3光面爆破孔装药方式表1不同位置爆破孔的爆破参数位置上台阶下台阶仰拱炮孔类别掏槽孔掏槽孔掘进孔掘进孔掘进孔掘进孔周边孔底板孔主爆破孔主爆破孔周边孔主爆破孔炮孔编号110112021282934354647616210010111311112242532111炮孔深度/m2.402.402.202.202.202.202.202.202.202.202.202.20炮孔长度/m