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        隧道成型控制爆破技術(shù)及圍巖損傷范圍研究

        2018-06-07 07:28:51尹文綱王海亮胡紅星張富強(qiáng)陳吉輝
        隧道建設(shè)(中英文) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:圍巖工程

        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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