楊延勇

(中鐵二十局集團有限公司第四工程有限公司, 山東青島 266061)

成貴鐵路瓦斯長大隧道控制爆破技術(shù)

楊延勇

(中鐵二十局集團有限公司第四工程有限公司, 山東青島 266061)

針對在建的成貴鐵路高瓦斯興隆坪隧道爆破施工難題，結(jié)合該隧道工程地質(zhì)及水文條件，運用基礎(chǔ)理論分析、最優(yōu)化方法和現(xiàn)場驗證等方法，確定了隧道開挖循環(huán)進尺、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)以及起爆方法等，充分保證了隧道開挖施工的安全穩(wěn)定順利進行。結(jié)果表明，提出的瓦斯長大隧道爆破控制技術(shù)能夠保證工程施工安全，可為類似工程提供了較好的借鑒和參考。

隧道工程; 控制爆破; 瓦斯; 施工

新建鐵路成都至貴陽鐵路興隆坪隧道，進口里程D2K185+090，出口里程DK187+893，中心里程D2K186+491.5，隧道全長2 803 m，為單洞雙線隧道。隧道圍巖類別為：Ⅲ級圍巖1 340 m、Ⅳ級圍巖590 m、Ⅴ級圍巖755 m。隧道洞身最大埋深約60 m，線間距4.6 m，設(shè)計速度250 km/h。DK185+090～DK186+379.631段位于半徑為9 000 m的曲線上，其余段位于直線段上。興隆坪隧道位于老翁場大型氣田核心區(qū)，線路右側(cè)1 200 m位置為老翁場六號氣井，為高瓦斯隧道。

1 瓦斯長大隧道工程條件與開挖方法分析

1.1 隧道工程地質(zhì)條件分析

1.2 隧道開挖方法

參考隧道工程技術(shù)[1-2]，Ⅲ、Ⅳ級圍巖均采用臺階開挖方法，Ⅴ級圍巖采用臺階法附加仰拱施工，具體如圖1和圖2所示。上臺階每循環(huán)進尺按圍巖類別控制，Ⅲ級圍巖不大于2 m，Ⅳ級圍巖不大于2榀拱架，Ⅴ級圍巖不大于1榀拱架，下臺階邊墻不大于2榀拱架；Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱一次開挖不大于3 m。開挖后，及時施作初期支護，盡早封閉成環(huán)。Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護封閉成環(huán)距離掌子面不得大于35 m。

圖1 臺階法開挖橫斷面

圖2 臺階法附加臨時仰拱開挖橫斷面

2 瓦斯爆破參數(shù)設(shè)計

按照隧道爆破技術(shù)及理論[3-5]，爆破參數(shù)如下。

2.1 循環(huán)進尺L0和孔深L

根據(jù)地勘資料中的圍巖條件，暫定爆破循環(huán)進尺為2 m，實際開挖后再根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況進行動態(tài)調(diào)整?？咨顬檠h(huán)進尺長度加上炮孔超深長度，其中一般炮孔超深長度定為0.2 m，掏槽孔的超深長度定為0.4 m(垂直深度，掏槽孔實際孔深根據(jù)設(shè)計圖確定)。故一般炮孔孔深為2.2 m，掏槽孔孔深為2.4 m。

2.2 單耗q與總裝藥量Q

單位巖體炸藥消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而且影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產(chǎn)率、材料消耗、掘進成本、斷面輪廓質(zhì)量以及圍巖的穩(wěn)定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物流力學(xué)性質(zhì)、斷面、炸藥性能、炮眼直徑和深度等?？梢岳妹鹘堇绞?1)進行計算。

(1)

式中:C為裝藥直徑對單位耗藥量的影響系數(shù)，見表1，取1.0；K為炮眼深度對單位耗藥量的校正系數(shù)，見表2，取0.8；S為隧道斷面面積(m2)；e為炸藥做功能力校正系數(shù)，按照式(2)計算；φ為裝藥密度矯正系數(shù)，一般φ=0.78～0.8，取0.8；f為巖石堅固性系數(shù)，該隧道Ⅳ級圍巖取f=6。

(2)

式中:ex為炸藥作功能力(ml),煤礦許用炸藥ex≥210ml；h為炸藥猛度(mm),煤礦許用炸藥h≥8mm。

表2 炮眼深度對單位耗藥量的校正系數(shù)

根據(jù)《隧道工程》，總裝藥量Q可以根據(jù)單位巖體炸藥消耗量q、隧道斷面面積S和炮孔孔深L按式(3)計算確定。

Q=qSL0

(3)

式中:Q為總裝藥量(kg)；q為單位巖體炸藥消耗量(kg·m-3)；S為隧道斷面面積(m2)；L0為循環(huán)進尺(m)。

2.3 掏槽形式

采用二級復(fù)式楔形掏槽進行掏槽爆破，掏槽布置如圖3所示。

圖3 二級復(fù)式楔形掏槽(單位:cm)

2.4 光爆參數(shù)

以Ⅲ級圍巖為例，圍巖相對較為堅硬，因此周邊眼間距適當(dāng)縮小，可以控制爆破輪廓，避免超欠挖，隧道斷面周邊眼間距E值選用E=45 cm。

光面爆破層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圍巖層，光面爆破層厚度就是周邊眼的最小抵抗線W，隧道斷面W=65 cm。

光爆孔裝藥不耦合系數(shù)r=D/d。其中D為炮孔直徑，取42 mm;d為藥卷直徑，取25 mm。R=42/25=1.68。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼和底眼采用正向起爆，用“封口機”自動灌水，自動泥封口。周邊眼采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炮泥封口。

3 炮孔布置及起爆網(wǎng)路

依據(jù)爆破設(shè)計施工方法[6-7]，只允許采取串聯(lián)網(wǎng)路。

3.1 炮眼布置原則

(1)掏槽炮眼布置在開挖斷面的中部采用直眼掏槽，炮眼方向在巖層層理或節(jié)理明顯時，不得與其平行，應(yīng)呈一定角度并盡量與其垂直。

(2)周邊炮眼沿設(shè)計開挖輪廓線布置，以保證爆出的斷面符合設(shè)計要求。

(3)輔助眼交錯均勻布置在周邊眼和掏槽眼之間，力求爆下的石渣塊度適合裝渣的需要。

(4)周邊眼與輔助眼的眼底應(yīng)在同一垂直面上，以保證開挖面平整，但掏槽炮眼應(yīng)加深10～20 cm。

(5)炮眼布置數(shù)量視隧道開挖斷面的大小和圍巖情況而定。

3.2 炮眼布置

為能更好地闡明炮眼布置，在此僅對Ⅲ級圍巖的正洞上臺階掘進炮眼進行說明，其他不做贅述。

上臺階炮眼數(shù)目按式(5)進行計算

(5)

式中:q為單位用藥量，根據(jù)隧道爆破以往經(jīng)驗取q=1.0 kg/m；s為隧道面積；r為炸藥每米重量，本工程選用φ32 mm藥卷，r=0.78 kg/m；n為炮孔裝藥系數(shù)，本隧道為減少爆破震動，控制最大藥量，采取密孔，小藥量，取n=0.53。

計算可得N=qs/rn=1.0×59/(0.78 ×0.53)=143個

根據(jù)斷面實際布置情況，優(yōu)化為156個，其炮孔布置圖上臺階如圖3，爆破參數(shù)列于表3。

表3 正洞Ⅲ級圍巖上臺階爆破參數(shù)

3.3 起爆網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)計計算

3.3.1 起爆網(wǎng)絡(luò)及計算

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)采用串聯(lián)，按掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼→起爆器順序連接。正洞全斷面上臺階爆破時，雷管數(shù)156個，孔口聯(lián)結(jié)線(銅線1mm2，單股，電阻17.5Ω/km)需要150m，起爆器主線(銅線5.5mm2，7股，電阻3.18Ω/km)需要700m(起爆距離300m，超過安全距離200m的要求)。網(wǎng)絡(luò)總電阻按式(6)進行計算:

R=R1+R2+nr

(6)

式中:R為總電阻；R1為主線電阻；R2為孔口聯(lián)結(jié)線電阻；n為電雷管數(shù)目；r為每個電雷管電阻。

計算得:

R=700×3.18÷1000+150×17.5÷1000+156×6.3=988 Ω

通過網(wǎng)絡(luò)及每個電雷管的電流為:

(7)

式中:R為總電阻；V為起爆電壓；I為通過網(wǎng)絡(luò)電流；I為通過每個電雷管電流。

計算可得:I=2000/988=2.03A

根據(jù)《爆破安全規(guī)程(GB6722-2014)》規(guī)定直流電起爆流經(jīng)每個雷管的電流不小于2A，符合要求，本網(wǎng)絡(luò)可以起爆。正洞下臺階爆破設(shè)計中，雷管數(shù)目遠(yuǎn)小于正洞上臺階數(shù)目，更可以起爆，此處不作計算。

3.3.2 起爆方法

采用毫秒電雷管起爆炸藥，防爆起爆器起爆電雷管。

從實際施工看，按本文確定的施工開挖方法、爆破設(shè)計參數(shù)和炮孔布置及起爆方式，能夠滿足高瓦斯隧道安全施工要求。采用目前確定的爆破控制技術(shù)能夠保證經(jīng)改裝后施工機械設(shè)備安全使用，同時滿足施工要求圍巖穩(wěn)定，為類似工程提供了一個全新的思路。

4 結(jié)論

(1) 在建高瓦斯興隆坪隧道地質(zhì)條件較為復(fù)雜，必須結(jié)合工程實際情況，確定出合理循環(huán)進尺、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)以及起爆方法等才能保證工程施工順利。

(2) 確定合理爆破控制技術(shù)，不僅可以解決洞內(nèi)高瓦斯燃燒或者爆炸保證工程安全進行，同時也能保證施工機械設(shè)備安全使用。

(3) 參照文中爆破控制技術(shù)，能夠有效解決這類高瓦斯隧道安全施工，為類似工程提供了較好的借鑒經(jīng)驗。

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楊延勇(1980～)，男，高級工程師，從事隧道與地下工程施工技術(shù)與管理工作。

U456.3+3

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[定稿日期]2015-12-02