尹文綱， 王海亮， 胡紅星， 張富強(qiáng)， 陳吉輝

(1. 中鐵三局集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030000；2. 山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 山東 青島 266590)

0 引言

鉆爆法施工是隧道工程常用的工法，尤其是對(duì)于超大斷面、變截面的巖石隧道。在隧道爆破施工中如何控制周邊超欠挖量一直是工程人員關(guān)注的問(wèn)題。劉東等[1]和馮海暴等[2]從測(cè)量放線、鉆孔精度、爆破技術(shù)方面分析了隧道爆破超欠挖原因，并制定了相應(yīng)的控制措施。李梓源等[3]提出在周邊眼輪廓線內(nèi)鉆鑿“泄壓短孔”，利用LS-DYNA建立數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程得出“短孔泄壓降振法”可有效降低周邊眼爆破振速，而且能夠保證隧道輪廓成型平整，減少超欠挖。光面爆破技術(shù)可有效解決超欠挖問(wèn)題，溫新亮等[4]在大型地下硐室開(kāi)挖工程中，提出一種“預(yù)裂成形+垂直深孔爆破掘進(jìn)+水平光面清底”相結(jié)合的爆破方法，有效解決了單獨(dú)使用預(yù)裂爆破時(shí)易產(chǎn)生大塊及底板不平順等問(wèn)題，提高了作業(yè)效率。深部巖體巷道光面爆破必須同時(shí)考慮原巖應(yīng)力和巖石損傷的影響，為此，付玉華等[5]提出了損傷條件下深部巖體巷道光面爆破參數(shù)確定的計(jì)算方法。

光面爆破技術(shù)可有效減少隧道周邊超欠挖問(wèn)題，但由于其一般適用于硬巖，對(duì)于Ⅳ—Ⅴ級(jí)軟弱圍巖效果并不明顯。一方面是由圍巖性質(zhì)決定的，如圍巖存在節(jié)理、斷層、裂隙發(fā)育等； 另一方面是由于Ⅳ—Ⅴ級(jí)圍巖隧道開(kāi)挖需要進(jìn)行初期支護(hù)，而初期支護(hù)格柵拱架會(huì)影響周邊眼鉆鑿精度，加大誤差，導(dǎo)致爆破后隧道輪廓出現(xiàn)嚴(yán)重的超欠挖問(wèn)題。對(duì)此，王海亮等[6]分析了格柵拱架限制下隧道超欠挖的成因，并提出了“長(zhǎng)、短眼”控制爆破技術(shù)。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，依托青島地鐵海底隧道爆破施工，提出了2 m循環(huán)進(jìn)尺條件下的工程參數(shù)，并運(yùn)用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)該控制爆破技術(shù)造成的圍巖損傷量以及施工效果進(jìn)行了分析。

1 工程概況和隧道施工循環(huán)進(jìn)尺選擇

青島市地鐵1號(hào)線瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間(簡(jiǎn)稱“瓦貴區(qū)間”)隧道工程是我國(guó)首條海底地鐵隧道，全長(zhǎng)約8 077 m，其中海域段長(zhǎng)約3 490 m。該工程是連接青島市主城區(qū)與黃島區(qū)的重要通道，南接薛家島瓦屋莊站，北連團(tuán)島貴州路站，下穿膠州灣灣口海域。瓦貴區(qū)間隧道工程共分為2個(gè)標(biāo)段，本文研究的對(duì)象是瓦貴區(qū)間隧道工程1標(biāo)段，起自瓦屋莊站，里程為K23+640～K28+406，全長(zhǎng)4 765.2 m，其中海域段長(zhǎng)約1 521 m。1標(biāo)段隧道主要位于微風(fēng)化火山巖及變質(zhì)巖中，圍巖等級(jí)為Ⅲ—Ⅴ，強(qiáng)度為40～150 MPa； 各斷層破碎帶處巖石為碎裂狀的安山巖、凝灰?guī)r、流紋巖、角礫巖等。陸域段隧道埋深為15～120 m，海域段最大水深約42 m。本文重點(diǎn)對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段工程進(jìn)行研究，其隧道斷面形式為三心圓拱形，并設(shè)置仰拱，斷面寬12.2 m，高8.41 m。海底隧道平面布置如圖1所示。

圖1 青島地鐵海底隧道平面布置

瓦貴區(qū)間海底隧道工程屬于地鐵工程，《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[7]中7.5.13項(xiàng)規(guī)定： 隧道開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺在土層和不穩(wěn)定巖體中為0.5～1.2 m，在穩(wěn)定巖體中為1～1.5 m。由于區(qū)間隧道周邊環(huán)境良好，為加快項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，類比相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，組織專家論證會(huì)，對(duì)循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化。相鄰膠州灣海底隧道的成功經(jīng)驗(yàn)表明，Ⅴ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1 m，Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1.6 m，Ⅱ—Ⅲ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為3.5～5.0 m。張?zhí)畦F路五道梁隧道(長(zhǎng)11 679 m)、老營(yíng)溝隧道(長(zhǎng)4 394 m)以及牡綏鐵路紅池隧道(長(zhǎng)5 600 m)等施工經(jīng)驗(yàn)表明，Ⅴ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在 0.6～1.0 m，Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在 2～3 m，Ⅱ—Ⅲ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為3～5 m。瓦貴區(qū)間循環(huán)進(jìn)尺專家論證結(jié)果： Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為2～3 m，Ⅱ—Ⅲ級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺為 3～5 m，施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2 周邊“長(zhǎng)、短眼”控制爆破技術(shù)

2.1 常規(guī)周邊眼布置方案

基于噴混凝土格柵拱架初期支護(hù)形式，常規(guī)的周邊眼炮孔布置如圖2所示，其中AM為設(shè)計(jì)的開(kāi)挖輪廓線。鑿巖機(jī)沿OA方向打設(shè)炮孔，區(qū)域PABN完全處在爆破破碎區(qū)內(nèi)，巖石完全崩落。隨著格柵拱架與掘進(jìn)工作面間距OP的縮小，δ值逐漸加大，在炮孔長(zhǎng)度AB不變的情況下，超挖量△ABM逐漸加大。在有些工程中，實(shí)測(cè)的最大超挖值可達(dá)60 cm，不僅對(duì)圍巖造成嚴(yán)重的破壞，而且加大了噴射混凝土的用量，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。

圖2 常規(guī)周邊眼剖面布置

2.2 “長(zhǎng)、短眼”布置方案

基于安全考慮，新的掘進(jìn)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，格柵拱架與掘進(jìn)工作面的距離OP不能過(guò)大，一般小于設(shè)計(jì)的格柵拱架間距。本工程設(shè)計(jì)的噴混凝土厚度為300 mm，取OP=500 mm，按照循環(huán)進(jìn)尺為2 m計(jì)算，△ABM的面積為1.2 m2，考慮允許超挖值150 mm， 則1個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的超挖量為18.9 m3，每米進(jìn)尺浪費(fèi)的混凝土回填量為18.9 m3，按照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格商品混凝土380元/m3的單價(jià)計(jì)算，每米進(jìn)尺回填混凝土增加的成本為7 182元。

為了解決超挖嚴(yán)重、施工成本增加的問(wèn)題，本文對(duì)“長(zhǎng)、短眼”布孔方式進(jìn)行研究。所謂“長(zhǎng)、短眼”布孔方式，就是在掘進(jìn)工作面上沿隧道開(kāi)挖輪廓線布置短眼，在距離開(kāi)挖輪廓線一定距離的內(nèi)側(cè)布置長(zhǎng)眼，如圖3所示?！伴L(zhǎng)、短眼”剖面布置如圖4所示。在圖4中，區(qū)域PALN、ABEG分別在長(zhǎng)、短眼爆破破碎區(qū)內(nèi)，能夠保證巖石完全崩落，其中EF、LM的線性尺寸不大于100 mm，將超挖量控制在隧道允許超挖平均值(150 mm)以內(nèi)[7]。而區(qū)域BCD、GFH位于炮孔爆破的裂隙區(qū)內(nèi)[8]，經(jīng)人工或機(jī)械簡(jiǎn)單處理，就會(huì)與周圍巖石分離，故該區(qū)域也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的欠挖問(wèn)題。

圖3 “長(zhǎng)、短眼”平面布置圖

圖4 “長(zhǎng)、短眼”剖面布置圖(單位： mm)

Fig. 4 Profile of layout of long and short blasting holes (unit: mm)

本工程初期支護(hù)噴混凝土厚度為300 mm，爆破循環(huán)進(jìn)尺按照2 m設(shè)計(jì)，空頂距取為500 mm，短眼開(kāi)孔位置PB為160 mm，角度17°，孔長(zhǎng)800 mm，單孔裝藥量0.3 kg； 長(zhǎng)眼開(kāi)孔位置PA為80 mm，角度9°，孔長(zhǎng)2 120 mm，單孔裝藥量0.6 kg。設(shè)計(jì)超挖限值EF=LM=100 mm。

爆破網(wǎng)路采用簇聯(lián)方式，所有炮眼共分為6簇，每簇采用2發(fā)1段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，最后使用導(dǎo)爆管四通連接導(dǎo)爆管，導(dǎo)爆管接發(fā)爆器起爆。炮孔布置如圖5所示(圖中數(shù)字除尺寸標(biāo)注外其余均表示雷管段別)，爆破網(wǎng)路如圖6所示，上臺(tái)階爆破開(kāi)挖經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，爆破參數(shù)如表2所示。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

Fig. 5 Layout of blasting holes on top heading (unit: mm)

圖6 上臺(tái)階爆破網(wǎng)路圖

開(kāi)挖面積/m2循環(huán)進(jìn)尺/m炮眼個(gè)數(shù)比鉆眼數(shù)/(個(gè)/ m2)炸藥量/kg裝藥單耗/(kg/m3)6821452.13122.10.9

表2 上臺(tái)階爆破參數(shù)表

3 圍巖損傷分析

在解決超欠挖問(wèn)題的同時(shí)應(yīng)保證隧道輪廓圍巖的穩(wěn)定性，以保證隧道良好的成型效果。因此，本文對(duì)長(zhǎng)、短眼爆破產(chǎn)生的損傷范圍作進(jìn)一步分析。目前，爆破損傷范圍確定的方法有聲波測(cè)試法、數(shù)值計(jì)算法和質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(PPV)法[9-11]。國(guó)內(nèi)外普遍采用PPV判據(jù)來(lái)判斷巖體的爆破損傷范圍。

3.1 PPV法理論分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[12]中薩道夫斯基公式,計(jì)算爆破振動(dòng)速度

v=K(Q1/3/Rd)α。

(1)

式中:v為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；Rd為爆心距，m；K、α分別為與爆區(qū)地形和地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和地震波衰減指數(shù)。

在距離爆源較近時(shí)采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算誤差很大。對(duì)此，盧文波等[13]提出了爆破近區(qū)振動(dòng)速度衰減公式：

v=kv0(rb/Rd)β。

(2)

式中：k為群孔爆破影響系數(shù)，一般取同時(shí)起爆炮孔個(gè)數(shù)；rb為炮孔半徑，m；β為地震波衰減系數(shù)，同式(1)中α；v0為在炮孔壁上的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s。

其中，

v0=p0/(ρrCp)。

(3)

式中：p0為炮孔內(nèi)爆生氣體的初始?jí)毫?，Pa；ρr為巖體密度，kg/m3；Cp為巖體縱波速度，m/s。

周邊眼不耦合系數(shù)較大，裝藥炮孔孔壁平均初始?jí)毫Π词?4)計(jì)算[14]。

(4)

式中：pk為爆生氣體膨脹過(guò)程中的臨界壓力，一般取為100 MPa；pc為炸藥的爆轟壓，Pa；dc、db分別為藥卷直徑與炮孔直徑，m；lc、lb分別為裝藥長(zhǎng)度與炮孔長(zhǎng)度，m。

炸藥的爆轟壓

pc=ρ0ve2/4。

(5)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；ve為炸藥爆轟速度，m/s。

3.2 損傷范圍計(jì)算

由式(1)—(5)推導(dǎo)出損傷范圍公式，周邊長(zhǎng)眼損傷范圍

(6)

表3 巖石爆破損傷的PPV臨界值

同理可計(jì)算得出周邊短眼爆破損傷范圍R2=0.33 m。

可以看出，雖然短眼裝藥量?jī)H為長(zhǎng)眼的一半，但是短眼裝藥半徑與孔徑之比大于長(zhǎng)眼，對(duì)孔壁產(chǎn)生的爆炸壓力大，導(dǎo)致?lián)p傷范圍較大。施工中應(yīng)注意短眼爆破引起的圍巖損傷，可通過(guò)減少一次起爆炮孔個(gè)數(shù)來(lái)降低損傷范圍。

4 工程質(zhì)量分析

4.1 隧道超欠挖檢測(cè)

采用BJHD-3B型激光隧道斷面檢測(cè)儀對(duì)爆破后的隧道進(jìn)行檢測(cè)，每次檢測(cè)在斷面輪廓上選取42個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用軟件分析各測(cè)點(diǎn)超挖值。檢測(cè)結(jié)果顯示Ⅳ級(jí)圍巖段平均超挖值控制在150 mm以內(nèi)，隧道輪廓平整，達(dá)到施工規(guī)范要求。例如： Ⅳ級(jí)圍巖段K27+660斷面超挖分布如圖7所示，平均超挖值為83 mm。

圖7 掃描斷面超挖值分布圖(單位： m)

Fig. 7 Distribution of overbreak amount of a tunnel cross-section (unit: m)

4.2 隧道變形監(jiān)測(cè)

Ⅳ級(jí)圍巖段工程，每隔5～10 m布置1組測(cè)點(diǎn)，每次爆破后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率如表4所示(表中B表示開(kāi)挖斷面寬度)。

表4 隧道變形

采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，以K27+660斷面為例，位移變形時(shí)態(tài)曲線如圖8所示。由圖8可知： 拱頂累計(jì)沉降量最大為8 mm，在第13天變形趨于穩(wěn)定。凈空位移累計(jì)變形最大為4 mm，在第4天變形趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示Ⅳ級(jí)圍巖段隧道內(nèi)變形有效控制在10 mm以內(nèi)，施工效果好。

圖8 隧道變形時(shí)態(tài)曲線

5 結(jié)論與討論

1)采用長(zhǎng)眼與短眼結(jié)合的方式，提出循環(huán)進(jìn)尺2 m、初期支護(hù)噴混凝土厚度300 mm、隧道允許超挖平均值150 mm條件下的工程參數(shù)，并通過(guò)理論計(jì)算得出每米進(jìn)尺回填混凝土可節(jié)省成本7 182元。

②徑流年內(nèi)、年際變化大。干流及主要支流汛期7—10月徑流量占全年的60%以上。黃河自有實(shí)測(cè)資料以來(lái)，相繼出現(xiàn)了1922—1932年、1969—1974年、1990—2000年的連續(xù)枯水段，平均河川天然徑流量分別相當(dāng)于多年均值的74%、84%和83%。

2)采用PPV法計(jì)算得出在周邊眼10孔1段的情況下，長(zhǎng)眼爆破時(shí)的損傷范圍為0.29 m，短眼爆破時(shí)的損傷范圍為0.33 m。工程人員可根據(jù)圍巖損傷范圍對(duì)長(zhǎng)短眼開(kāi)孔位置、裝藥結(jié)構(gòu)、單孔藥量等爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到更好的爆破效果。另外，應(yīng)注意短眼爆破引起的損傷反而大，實(shí)際工程中可通過(guò)減少周邊眼同時(shí)起爆孔數(shù)來(lái)降低損傷范圍。BJHD-3B型激光隧道斷面檢測(cè)儀檢測(cè)以及隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示該技術(shù)可保證隧道良好的成型效果，同時(shí)也有利于隧道的穩(wěn)定。

3)本文提出的“長(zhǎng)、短眼”控制爆破技術(shù)以及圍巖損傷量均是基于連續(xù)不耦合裝藥反向起爆條件下的。后續(xù)可借助數(shù)值方法分析研究不同裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式情況下長(zhǎng)短眼的爆破松動(dòng)圈，得出相應(yīng)的爆破參數(shù)，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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