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        大斷面隧道光面爆破設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2018-08-27 07:56:00余孟軍張澤輝
        西部交通科技 2018年5期
        關(guān)鍵詞:下臺階裝藥量光面

        余孟軍,張澤輝

        (中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧 530031)

        0 引言

        光面爆破技術(shù)利用巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的特性,通過對爆破方向和作用范圍等的控制,將隧道內(nèi)的光爆層炸除,在隧道設(shè)計(jì)開挖輪廓線周圍形成一個(gè)光滑平整的邊壁,讓隧道斷面既符合設(shè)計(jì)輪廓要求,又不會對周邊圍巖產(chǎn)生較大的擾動,保持隧道周邊圍巖的完整和自身承載力,有效控制隧道超欠挖,達(dá)到安全、快捷、高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的施工目的。

        1 工程概況

        1.1 隧道簡介

        窯上隧道為三車道大斷面隧道,隧道區(qū)分布地層主要為第四系人工堆積層、殘破積層、侏羅系上統(tǒng)珍珠沖組?,F(xiàn)場實(shí)際施工圍巖情況多為Ⅲ級,開挖方法選擇上下臺階法,開挖輪廓線凈寬為16.97 m,凈高為9.67 m。上臺階開挖面積85 m2,下臺階開挖面積51 m2,合計(jì)136 m2。

        1.2 開挖循環(huán)進(jìn)尺確定

        根據(jù)《公路工程施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60-2009)要求Ⅲ級圍巖每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得超過2.5 m,現(xiàn)場施工每榀拱架間距為1.2 m,故現(xiàn)場決定每循環(huán)進(jìn)尺采用2.4 m。炮眼利用率0.85,故每循環(huán)炮孔實(shí)際鉆孔深度為L=2.4÷0.85=2.8 m。

        2 光面爆破設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2.1 光爆炮眼數(shù)量計(jì)算

        光爆炮眼的數(shù)量主要與隧道開挖斷面大小、炮眼的尺寸、巖石的完整性和堅(jiān)硬強(qiáng)度、炸藥的性能有關(guān)。炮眼數(shù)量應(yīng)能裝入設(shè)計(jì)藥量,通??筛鶕?jù)各炮眼平均分配炸藥量的原則來計(jì)算炮眼數(shù)量。計(jì)算公式為:

        N=qS/ar

        式中:N——炮眼數(shù)量,不包括未裝藥的空眼數(shù);

        q——單位炸藥消耗量,上臺階取0.9 kg/m3,下臺階取0.8 kg/m3(根據(jù)實(shí)際調(diào)整);

        S——開挖斷面積(m2),取S上臺階=85 m2,下臺階=51 m2,合計(jì)136 m2;

        a——裝藥系數(shù),即裝藥長度與炮眼長度的比值上臺階取0.55,下臺階取0.45(根據(jù)實(shí)際調(diào)整);

        r——每1 m藥卷的炸藥質(zhì)量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質(zhì)量,藥劵直徑32 mm,r取0.78(kg/m)(根據(jù)實(shí)際調(diào)整)。

        上半斷面炮眼數(shù)量:N(上臺階)=qS/ar=0.9×85/0.55×0.78=178(個(gè)),

        下半斷面炮眼數(shù)量:N(下臺階)=qS/ar=0.8×51/0.45×0.78=116(個(gè))。

        2.2 炮眼布置(見圖1、圖2)

        2.2.1 炮眼間距

        (1)周邊眼:周邊炮孔是控制隧道開挖輪廓的關(guān)鍵炮孔,根據(jù)巖質(zhì)和圍巖類別,周邊炮孔孔距E取(10~15)d(d為炮孔直徑為42 mm),故炮孔間距取50 cm。抵抗線W是周邊眼至二圈眼的距離,根據(jù)光面爆破技術(shù)規(guī)范W=E/(0.7~1),根據(jù)施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)當(dāng)E/W=0.8時(shí)光爆效果較好,故設(shè)計(jì)時(shí)取W=1.25E。實(shí)際隧道為反坡施工,隧道縱坡為2.4%,故周邊眼打孔時(shí)不考慮外插角,采用水平打孔(如為順坡施工考慮3%~5%的外插斜率)位置為開挖輪廓線往內(nèi)收縮5 cm的位置。

        (2)二圈眼:二圈眼的間距E比周邊眼大些,一般為E′=(1.4~1.5)E,二圈眼抵抗線W′可按W′=(0.7~0.9)E′取值,周邊眼與二圈眼均按弧形布孔,二圈眼的角度應(yīng)保持跟周邊眼一致。

        (3)擴(kuò)大眼:擴(kuò)大眼炮孔一般采用均勻布置的方式,施工中運(yùn)用線形布置和環(huán)形布置兩種方式相結(jié)合。擴(kuò)大眼比二圈眼間距要大些,抵抗線為同排(或同一環(huán)形)炮孔間距的0.8~1倍。

        (4)輔助眼:輔助眼是緊挨著掏槽眼的位置,它既是掏槽眼的輔助眼,又對掏槽槽口起擴(kuò)大作用。輔助眼間距比周邊眼大些又比擴(kuò)大眼小,設(shè)置方法同二圈眼類似。

        (5)掏槽眼:掏槽眼應(yīng)比其他眼深10~20 cm?,F(xiàn)場掏槽眼采用二級楔形掏槽,最外層掏槽炮眼與開挖面間的夾角a=75°,內(nèi)層為66°,間距與抵抗距均采用70 cm布置,同一平面上兩炮眼眼底的距離b=30 cm。

        圖1 復(fù)式掏槽眼立面圖(單位:mm)

        (6)底板眼:底板炮孔由于存在隧道爆破積渣需要較大的爆破力,為保證爆破效果應(yīng)當(dāng)對底板炮孔適當(dāng)加密,炮孔間距或抵抗線距離為擴(kuò)大眼間距的0.8倍左右,設(shè)計(jì)參考間距為0.50~0.70 m。

        (7)綜合上述各類炮眼之間關(guān)系,隧道上、下臺階法開挖,光面爆破炮眼布置如圖2所示:

        圖2 復(fù)式掏槽眼平面布置圖(單位:cm)

        2.2.2 炮眼深度

        每循環(huán)進(jìn)尺2.4 m,炮眼利用率0.85,故每循環(huán)炮孔實(shí)際鉆孔深度為L=2.4÷0.85=2.8 m。周邊眼深度L周邊=2.8 m,二圈眼深度L二圈=2.8 m,擴(kuò)大眼深度L擴(kuò)大=2.8 m,輔助眼深度L輔助=2.8 m,掏槽眼深度L掏1=3.07 m,L掏2=2.9 m,底眼深度L底=2.8 m。

        2.3 裝藥量計(jì)算與分配

        炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素。經(jīng)過現(xiàn)場多個(gè)循環(huán)的光面爆破總結(jié)窯上隧道采用的是光爆體積計(jì)算法。先根據(jù)一個(gè)循環(huán)光面爆破開挖巖石體積計(jì)算出一個(gè)循環(huán)的總藥量,然后按各種類型炮眼的爆破特征性對每個(gè)孔的裝藥量進(jìn)行分配,根據(jù)初步分配結(jié)果結(jié)合施工現(xiàn)場的圍巖變化不斷地對每個(gè)炮孔的裝藥量加以檢驗(yàn)和修正,直到取得良好的爆破效果。

        2.3.1 總藥量計(jì)算

        按體積法計(jì)算總藥量的公式為:Q=q·V

        式中:Q——一個(gè)爆破循環(huán)的總用藥量(kg/m3);

        q——每立方米巖石爆破所需炸藥量(kg/m3),上臺階取0.9 kg/m3,下臺階取0.8 kg/m3(根據(jù)實(shí)際調(diào)整);

        V——一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺所爆落的巖石總體積(m3),炮眼有效長度2.4 m,上臺階斷面開挖面積85 m2,下臺階斷面開挖面積51 m2。

        每一循環(huán)總藥量:Q(上臺階)=q·V=0.9×2.4×85=184(kg);

        Q(下臺階)=q·V=0.8×2.4×51=98(kg)。

        2.3.2 裝藥量分配

        總的炸藥量根據(jù)現(xiàn)場情況分配到每個(gè)炮孔中,采用裝藥的系數(shù)a進(jìn)行分配。

        上臺階:

        掏槽眼L掏1、L掏2,取0.6;

        周邊眼L周邊、二圈眼L二圈,取0.45;

        輔助眼L輔助、擴(kuò)大眼L擴(kuò)大、底眼L底,取0.5;

        下臺階:

        周邊眼L周邊、擴(kuò)大眼L擴(kuò)大、底眼L底,取0.4;

        現(xiàn)場施工每卷炸藥質(zhì)量m為0.15 kg,各個(gè)炮眼的裝藥量(折合卷數(shù)n)分配如下:

        上臺階:n=V/m=184 kg÷0.15 kg=1 227(卷);

        下臺階:n=V/m=98 kg÷0.15 kg=654(卷);

        單孔裝藥量v=r×L

        r——每1 m藥卷的炸藥質(zhì)量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質(zhì)量,藥卷直徑32 mm,r取0.78(kg/m),L為孔深。

        實(shí)際每個(gè)炮孔裝藥量如下:

        上臺階:

        掏槽眼L掏1裝藥量=0.78×3.07×0.6=1.44 kg,按每卷0.15 kg折合為9.58卷,取10卷;L掏1共4個(gè)炮眼:4×10=40卷;

        掏槽眼L掏2裝藥量=0.78×2.9×0.6=1.36 kg,按每卷0.15 kg折合為9.05卷,取9卷;L掏2共4個(gè)炮眼:4×9=36卷;

        輔助眼L輔3裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg,按每卷0.15 kg折合為7.28卷,取8卷;L輔3共5個(gè)炮眼:5×7=35卷;

        擴(kuò)大眼L擴(kuò)4裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg,按每卷0.15 kg折合為7.28卷,取7卷;L擴(kuò)4共78個(gè)炮眼:78×7=546卷;

        二圈眼L二圈5裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg,按每卷0.15 kg折合為6.55卷,取6卷;L二圈5共31個(gè)炮眼:31×6=186卷;

        周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg,按每卷0.15 kg折合為6.55卷,取6卷;L周6共48個(gè)炮眼:48×6=288卷;

        底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg,按每卷0.15 kg折合為7.28卷,取8卷;L底7共12個(gè)炮眼:12×8=96卷;

        上臺階分配合計(jì)卷數(shù)=40+36+35+546+188+288+96=1 229卷(與計(jì)算1 227卷相符)。

        下臺階:

        擴(kuò)大眼L上、中、下裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg,按每卷0.15 kg折合為6.55卷,取6卷;L上、中、下共63個(gè)炮眼:63×6=378卷;

        底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg,按每卷0.15 kg折合為6.55卷,取6卷;L底7共33個(gè)炮眼:33×6=198卷;

        周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg,按每卷0.15 kg折合為6.55卷,取6卷;L周6共14個(gè)炮眼:14×6=84卷;

        下臺階分配合計(jì)卷數(shù)=378+165+84=660卷(與計(jì)算654卷相符)。

        2.3.3 計(jì)算匯總

        采用上下臺階法開挖,隧道光面爆破裝藥參數(shù)及綜合計(jì)算匯總?cè)绫?所示:

        表1 隧道光面爆破裝藥參數(shù)及綜合計(jì)算匯總表(上、下臺階法,每循環(huán)2.4 m)

        2.4 起爆順序

        通過對窯上隧道前期的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和理論參考,大斷面臺階法光面爆破最合理起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼→擴(kuò)大眼→二圈眼→周邊眼→底板眼,試驗(yàn)表明,各層炮之間的起爆時(shí)差越小爆破效果越好。常采用的時(shí)差為40~200 ms,稱為微差爆破。周邊眼宜一次起爆,若分次起爆周邊眼輪廓不大平整。

        3 結(jié)語

        在“強(qiáng)、好、優(yōu)”戰(zhàn)略新格局發(fā)展的今天,傳統(tǒng)的爆破施工已不能滿足高速公路隧道施工的需要,光面爆破作為一種新工藝得到了廣泛的應(yīng)用。它不但能降低對巖石的擾動,還能有效地控制超欠挖,在節(jié)約施工成本、加快工程進(jìn)度等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢,在高速公路隧道施工中有很好的推廣價(jià)值。

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