邵曉寧，張道振

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.浙江民能爆破工程咨詢有限公司，杭州 310012)

光面爆破技術(shù)是一種控制巖體開挖輪廓的爆破技術(shù)［1］，由于爆破后形成的輪廓規(guī)則，對(duì)圍巖擾動(dòng)輕，超欠挖量少，在隧道掘進(jìn)中被大量使用。廣大爆破工程技術(shù)者在長期工程實(shí)踐中，總結(jié)出了很多光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式和方法［2-3］，這些研究成果對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐起到了很好的效果。目前對(duì)大斷面軟巖隧道掘進(jìn)中光面爆破參數(shù)的研究成果不多，有必要加強(qiáng)這方面工作。

1 工程概況

新武家莊隧道全長258 m。起止點(diǎn)里程D1K1 069+557—D1K1 069+815，隧道按160 km/h客貨共線雙線隧道設(shè)計(jì)，并預(yù)留200 km/h客貨共線條件。隧道最大埋深約為23 m。隧道斷面寬1 380 cm，高1 197 cm，斷面形狀如圖1所示。隧道進(jìn)口處圍巖為泥巖、泥灰?guī)r，夾少量泥質(zhì)粉砂巖，穩(wěn)定性較差。隧道測繪范圍內(nèi)未見泉點(diǎn)出露，溝谷均干涸，地下水不發(fā)育。隧道位于既有武家莊隧道左側(cè)，進(jìn)口左線距離既有線路中線約25 m。施工過程中需考慮對(duì)既有線路的影響。

圖1 隧道開挖斷面示意(單位:cm)

2 施工方案確定

地質(zhì)勘探工作表明該隧道進(jìn)口地處Ⅴ級(jí)圍巖，進(jìn)口的穩(wěn)定性較差，容易坍塌。根據(jù)工程的特點(diǎn)和鐵路隧道施工的要求，為保證施工的安全，采用小短距分部開挖技術(shù)進(jìn)行爆破開挖［4］，周邊眼采用光面爆破技術(shù)控制開挖輪廓。開挖進(jìn)尺以支護(hù)的2榀為單位，實(shí)際取每次掘進(jìn)進(jìn)尺為100 cm。

2.1 施工工藝

對(duì)傳統(tǒng)的三臺(tái)階七部開挖法進(jìn)行改進(jìn)，由于采用了小短距臺(tái)階方式，取消了預(yù)留核心土的步驟。變?yōu)槿_(tái)階六部開挖。先超前開挖上臺(tái)階，中臺(tái)階和下臺(tái)階采用左右交錯(cuò)開挖的方法，最后開挖仰拱。考慮具體施工條件，臺(tái)階爆破炮孔布置成水平孔，仰拱采用垂直孔。具體開挖步驟參見圖1。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 孔徑d

根據(jù)選用的鑿巖工具為手持式風(fēng)鉆YT28，鉆頭直徑42 mm，炮孔直徑為d=42 mm。選用的藥卷為普通2號(hào)巖石炸藥，φ32 mm。

2.2.2 開挖進(jìn)尺L和炮眼深度l0

根據(jù)預(yù)定的開挖進(jìn)尺L=100 cm，取炮孔深度l0=110 cm，炮孔利用率取0.9。

2.2.3 掏槽方式及參數(shù)

由于開挖斷面比較大，圍巖屬于軟弱圍巖，在保證效果的前提下應(yīng)盡量減少炮孔數(shù)目。決定采用垂直楔形掏槽。如何設(shè)計(jì)合理布置掏槽眼及數(shù)目，不僅會(huì)對(duì)掏槽效果有影響，而且還會(huì)影響整個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺和光面爆破的效果。

1)掏槽眼眼口距a1。根據(jù)幾何關(guān)系掏槽眼眼口距與掏槽眼深度可以用式(1)計(jì)算［5］

式中，a1為掏槽眼眼口距(cm);l0為炮眼深度(cm);α為炮眼傾斜度數(shù)(°);a0為掏槽眼眼底距(cm)，b=15～20 cm。

眼底距離的選擇一般在10～30 cm左右，巖石硬度較大時(shí)取小值，硬度較小時(shí)取大值?？紤]進(jìn)尺較短，采用傳統(tǒng)的方法，孔口距會(huì)偏小，帶來的問題是掏槽眼數(shù)目偏多。設(shè)計(jì)中對(duì)掏槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。眼底距放大到40 cm，炮眼的傾斜角也采用了中等穩(wěn)固巖石常用的65°角，代入式(1)計(jì)算后為

2)掏槽眼對(duì)數(shù)和數(shù)目。楔形掏槽的炮眼對(duì)數(shù)依圍巖的類別而定，布置的原則應(yīng)是較少的掏槽眼達(dá)到較好的效果。對(duì)于軟弱圍巖，一般2對(duì)4個(gè)炮眼就可以掏出較大的自由面，取得較好的掏槽效果。

3)光爆層厚度 B。光爆層就是周邊眼最小抵抗線，光爆層厚度與開挖的隧道斷面大小和巖石的性質(zhì)有關(guān)，一般取50～80 cm［6］。該隧道開挖斷面大，巖石夾制力小，又是軟弱圍巖，取較大值75 cm。

4)周邊眼布置及參數(shù)。對(duì)于一般的鐵路隧道爆破周邊眼的間距E一般為(8～18)d［7］，理論和實(shí)踐均證明光面爆破炮眼間距E與最小抵抗線W之比取0.8時(shí)可以取得較好的爆破效果［8］，即

由公式(2)計(jì)算可得E=m×W=0.8×75 cm=62 cm。

以上理論計(jì)算表明，在一般隧道掘進(jìn)中采用這種周邊眼布置方式可以取得較好的光面效果。對(duì)于軟弱圍巖是否適用還有待工程實(shí)踐檢驗(yàn)。參照上述結(jié)論進(jìn)行周邊眼布置爆破后，發(fā)現(xiàn)靠近周邊眼的地方超挖現(xiàn)象非常突出。本著“多打眼，少裝藥”的原則，及時(shí)對(duì)周邊眼進(jìn)行了調(diào)整，把周邊眼距離縮短到40 cm，同時(shí)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)。

5)掘進(jìn)眼布置及參數(shù)。掘進(jìn)眼的眼距通常應(yīng)大于抵抗線，小于炮眼的深度，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)炮眼間距a與抵抗線 W 之間有［8-10］:

根據(jù)式(3)確定掘進(jìn)眼的眼距在70～90 cm左右，布置時(shí)為保證爆破效果可以以小抵抗線，大眼距為基本原則。臺(tái)階左右交錯(cuò)開挖時(shí)，應(yīng)考慮自由面的影響，右臺(tái)階的參數(shù)比左臺(tái)階約增加10%。

6)炸藥單耗q。隧道爆破中實(shí)際采用的q值通常在0.7～2.5 kg/m3之間，對(duì)于大斷面的軟巖隧道，應(yīng)該降低。參照工程類似經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取q=0.6 kg/m3。

7)理論總裝藥量Q。隧道掘進(jìn)爆破中，在一定的進(jìn)尺前提下，爆破的總裝藥量與掘進(jìn)進(jìn)尺成正比。

8)理論單眼裝藥量Q0及眼數(shù)N。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式炮眼單眼裝藥量在軟巖隧道掘進(jìn)中取0.25 kg比較合適，斷面炮眼的數(shù)目N可以利用公式(4)進(jìn)行計(jì)算

9)裝藥結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)是把炸藥以一定間隔綁在竹片上，再用膠帶將導(dǎo)爆索與炸藥綁緊。這種裝藥方式不僅裝藥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。進(jìn)行周邊眼眼距設(shè)計(jì)時(shí)縮短了眼距，裝藥時(shí)采用了隔眼裝藥技術(shù)，兩個(gè)裝藥眼之間的空眼起到了定向作用，裝藥方式和結(jié)構(gòu)與掘進(jìn)眼相同。炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置示意(單位:cm)

10)起爆網(wǎng)路。爆破網(wǎng)路采用一手抓的方式進(jìn)行網(wǎng)路連接，每個(gè)炮孔的雷管均反向裝于眼底的藥包中。炮眼布置和起爆順序見圖2。

3 爆破效果

采用上述光面爆破參數(shù)進(jìn)行施工后，取得了較好的效果。隧道的輪廓線控制得很好，基本上超欠挖很少，圍巖的穩(wěn)定性也較好，沒有發(fā)生坍塌現(xiàn)象，加快了掘進(jìn)進(jìn)度，節(jié)約了支護(hù)成本。

4 結(jié)語

1)軟巖隧道掏槽方式和參數(shù)。大斷面隧道常用多級(jí)楔形掏槽來保證掏槽效果，對(duì)于采用小凈距掘進(jìn)的軟巖隧道應(yīng)結(jié)合軟巖巖體特征，采用單級(jí)掏槽方式，只要選擇合理的掏槽參數(shù)，同樣可以達(dá)到理想的掏槽效果。合理的掏槽方式應(yīng)是在保證掏槽效果的前提下，以最小的炮眼數(shù)目實(shí)現(xiàn)。

2)光面參數(shù)的選擇。進(jìn)行光面爆破設(shè)計(jì)，要想取得理想的光面效果，光面參數(shù)的選擇顯得非常重要。考慮軟巖的特點(diǎn)，在這種巖體中鉆孔比較容易，通過減小孔距，增加光爆圈的厚度來進(jìn)行炮孔布置。

3)裝藥結(jié)構(gòu)的改變。傳統(tǒng)的光面爆破采用間隔裝藥或者不耦合裝藥來達(dá)到降低線裝藥密度的效果，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，利用軟巖巖體特征，適當(dāng)縮小孔距，采用間隔裝藥，不改變裝藥結(jié)構(gòu)，同樣可以達(dá)到減弱裝藥的目的。中間的空孔為起爆孔提供了自由面和定向的作用。形成的輪廓線比較平整。

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