張海波
(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)
鐵路雙線隧道斷面較大,由于地質(zhì)條件及傳統(tǒng)的施工習慣,通常造成隧道線性超挖較大。本文通過試驗對目前控制工藝進行優(yōu)化研究,選取Ⅳ級圍巖為主的隧道,檢驗控制效果。
某鐵路隧道為單洞雙線,隧道地質(zhì)情況較為復雜,最大埋深達1 810 m,最大涌水量80 000 m3/d。不良地質(zhì)為巖溶、巖堆、高地應力、危巖落石、高地溫,無特殊巖土。巖性為板巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖。本工程施工難度大、線性超挖較大,需要采取措施,加強超欠挖控制。
隧道掘進爆破炮孔分為三大類,即掏槽孔、輔助孔及周邊孔。根據(jù)炮孔作用不同又區(qū)分了諸如擴槽孔(進一步擴大槽腔的體積)、內(nèi)圈孔(控制光爆層厚度基本均勻)、二臺孔(控制隧道底孔抵抗線基本均勻)、光爆孔(控制隧道成型質(zhì)量并盡量減少超欠挖)、底孔(控制隧道底板不欠挖,并盡量減少超挖)等。
掏槽孔位于開挖斷面的中下部,最先起爆,主要目的是在掌子面創(chuàng)造新的臨空面,為后續(xù)炮孔爆破提供有利條件;輔助孔進一步擴大槽腔范圍;周邊孔保證隧道成型、滿足設計要求。
通過國內(nèi)100余座隧道統(tǒng)計[1-2],采用控制爆破,隧道超挖能夠減少47.3%。
評定爆破效果的好壞主要看爆堆的級配、松散度和形態(tài)三個特征。介質(zhì)破碎不但與作用力P有關,而且和爆炸壓力作用時間有關。
連續(xù)裝藥爆破,孔壁入射壓力大,破壞范圍大,粉礦率高,還增加了礦石的不均勻性,易產(chǎn)生大塊,帶來爆破振動危害、鏟裝和運輸效率低下等諸多問題[3]??諝忾g隔裝藥爆破技術使得爆炸能量得到有效利用[4],避免高壓氣體過早地遺漏到大氣中,使裝藥空間在巖石破裂之前保持高壓狀態(tài),延緩了爆生氣體對介質(zhì)破壞作用時間,增大了爆破作用沖量,提高了氣體做有用功的能力。爆后爆堆形狀整齊集中,巖塊破碎均勻,減少了大塊率。間隔裝藥在工程實踐中取得了良好的經(jīng)濟效益[5]。
從安全角度講,爆轟氣體作用時間延長,使炸藥爆轟反應完全,減少有毒氣體生成,特別是在有瓦斯、煤塵爆炸危險情況下減少了引起瓦斯、煤塵爆炸的幾率。
(1)周邊孔堵塞材料及堵塞長度
可以采用黏土制作(機械或人工),也可采用“水炮泥”。考慮到施工既要盡量降低工人的勞動強度,同時又要滿足設計要求和達到安全的目的,建議推廣使用“水炮泥”。所有裝藥的炮孔填塞水炮泥[6],堵塞長度一定要大于20 cm。
(2)周邊孔堵塞作用
阻止炸藥爆轟氣體過早逸散,使炮孔在相對較長的時間內(nèi)保持高壓狀態(tài),有效提高爆破作用;加強對炸藥爆轟時的約束作用,降低爆炸生成氣體逸出自由面的壓力和溫度,提高了炸藥的熱效率,使更多的熱能轉變?yōu)闄C械功。在有瓦斯的工作面內(nèi),阻止灼熱固體(如雷管管殼碎片等)從炮孔內(nèi)飛出,有利于安全等。
隧道爆破超挖控制主要體現(xiàn)在鉆爆參數(shù)和爆破施工工藝,具體體現(xiàn)在掏槽形式、輔助孔的布置、炮孔深度及周邊眼位置、間距、角度、裝藥結構和裝藥量、合理確定光爆層厚度[7]等方面,其中周邊眼的爆破控制對超挖效果產(chǎn)生最直接的影響。
試點隧道的巖性主要是板巖(Ⅳ級居多),爆破工藝主要從提高鉆孔精度、周邊炮孔采用PVC管間隔裝藥,堵塞材料采用水炮泥等方面采取相應的措施加以控制。
周邊眼的位置、間距、角度、裝藥結構、裝藥量對隧道超挖控制非常重要。開挖前,需要按照要求進行測量放線,標注開挖輪廓線、周邊光爆孔的位置,內(nèi)圈眼布置線及炮孔位置,以便于精準施鉆;周邊眼裝藥量不超過(0.1~0.2)kg/m,間距30~40 cm,外插角度3°~5°,光爆層厚度40~50 cm。目前,鉆爆工人的文化素質(zhì)和操作水平參差不齊。在生產(chǎn)實踐中,鉆爆設計要做到技術上可行、工藝上盡量簡單,工人才容易理解和掌握,也便于推廣使用。
4.1.1 周邊眼鉆孔質(zhì)量欠佳
由于Ⅳ和V級圍巖一般需要安設鋼拱架,導致周邊孔鉆孔外插角度不易控制,加上工人操作水平等方面原因,實際施作過程中隨意性較大,導致超挖較多,噴混超耗嚴重。
4.1.2 周邊眼裝藥結構不合理
周邊眼裝藥時,工人為了操作方便,往往幾節(jié)藥卷用炮棍捅到孔底,導致能量在孔底集中,炮孔底部區(qū)域超挖難以控制。
4.1.3 周邊眼封堵不規(guī)范
(1)炸藥包裝箱泡水作為封堵材料
一般情況,炮工裝完藥之后,直接用炸藥包裝箱切條、泡水后堵塞周邊孔。
(2)不封堵
現(xiàn)場工人為了省事,經(jīng)常對炮孔(包括周邊光爆孔)不采取任何封堵措施。
由于不封堵,時常導致周邊孔的中下部圍巖破壞嚴重,而開口出現(xiàn)“掛門簾”現(xiàn)象。
(3)傳統(tǒng)的炮泥封堵
隧道爆破炮泥用量較大,由于地域的差異,傳統(tǒng)炮泥材料不易尋找、炮泥機制備要求高(表面光滑且手捏不碎),操作工人圖省事,不愿意使用。
現(xiàn)場技術人員經(jīng)過多次試驗,周邊孔利用縱向開口的φ32 mm PVC管(開口寬度占PVC周長的1/4~1/3),按照設計要求將周邊光爆孔的裝藥量沿著PVC管分散開,形成導爆索串聯(lián)分散藥包不耦合裝藥結構,并采用水炮泥封堵。從實際效果來看,兩項措施能夠使爆破輪廓更好,且超挖量明顯減少。
4.2.1 φ32 mm PVC管間隔裝藥工藝
(1)φ32 mm PVC管洞外加工制作
洞外加工使用排鋸和其它常規(guī)工具。洞外操作空間大,利于批量加工,而且光線好,加工質(zhì)量有保障。最重要的是加工技術含量低,雜工就可以完成,不占用寶貴的開挖時間。
一般市場上購買的PVC管材長度為4 m(也可以根據(jù)炮孔深度定制),厚度為1 mm左右??梢愿鶕?jù)周邊孔的長度,提前在洞外使用排鋸加工成需要的長度。
根據(jù)試驗情況,兩個工人每小時可以加工100根左右,也可以集中、批量加工。
(2)φ32 mm PVC管材洞外標記
根據(jù)設計要求和技術交底,在準備裝藥的位置提前采用記號筆進行標注,方便工人洞內(nèi)安放乳化炸藥。根據(jù)不同部位圍巖具體情況,可以調(diào)整局部裝藥結構[8]。裝藥結構和標記示意見圖1。
圖1 裝藥結構和標記示意(單位:mm)
(3)φ3.2 mm PVC管材洞內(nèi)使用
將本循環(huán)需要的PVC管材(數(shù)量與周邊眼的數(shù)量一致)運至洞內(nèi),在開挖臺架附近,由工人按照PVC管材的標記和裝藥量,將乳化炸藥裝入即可。注意首節(jié)炸藥要放入管材底部,導爆索要和幾節(jié)炸藥接觸。利用開口PVC管材自動收縮功能,將炸藥夾住,不需要對導爆索和炸藥綁扎,現(xiàn)場操作方便,節(jié)約時間。炸藥安裝見圖2。將裝好導爆索和乳化炸藥的PVC管安裝于各周邊孔。
4.2.2 周邊眼封堵
(1)水炮泥的規(guī)格
一般水炮泥長度為20~30 cm,注水后直徑略小于炮眼直徑(38~40 mm,見圖3)。
圖2 炸藥安裝
圖3 水泡泥
(2)水炮泥的使用
工人洞外裝水,自動封口,每名工人每小時可以裝300~500個。裝滿水后用竹籃等將水炮泥分裝運至掌子面,按照技術要求堵塞炮孔,不同的炮孔堵塞長度要求不同。掏槽孔、輔助孔堵塞長度不小于炮孔長度的20%,任何情況下不得低于400 mm;光爆孔堵塞位置必須位于孔口附近,堵塞長度不大于光爆孔孔間距。
由于采用PVC間隔裝藥,將炸藥的能量沿著炮孔分散開,降低了爆炸應力波直接作用在圍巖上的強度,減少了爆破對圍巖的擾動,隧道平均線性超挖降低5~10 cm;工人洞內(nèi)操作時間比原來減少0.5 h,簡化了操作,降低了工人的勞動強度。
(1)節(jié)約炸藥,提高炮孔利用率
經(jīng)過試點試驗,周邊眼和掏槽眼、輔助眼采用水炮泥封堵,炸藥單耗降低了10%左右,提高了炮孔的利用率。
(2)有利于控制隧道線性超挖
采用水炮泥封堵周邊光爆孔,增大了孔內(nèi)應力波壓力及作用時間。水炮泥在堵塞炮孔后,會通過改變孔內(nèi)應力波及應力波作用時間對爆破破碎過程產(chǎn)生影響,作用時間的長短決定了巖石的破碎程度和范圍[9]。由于延長了炸藥爆炸能量在孔內(nèi)的作用時間,使能量分布比連續(xù)裝藥時更加均勻,更有利于隧道線性超挖控制。
(3)有效降低振動、減少粉塵
實踐證明,采用水炮泥封堵,大大降低了粉塵含量。采用常規(guī)裝藥結構產(chǎn)生的粉塵濃度遠遠高于水封裝藥結構,凸顯了水封裝藥結構降塵、環(huán)保的優(yōu)點[10]。由于水的霧化作用和炮泥的堵塞,降低了空氣沖擊波和爆破振動的強度,降低了煙塵含量[11-13]。
(4)減少洞內(nèi)有害氣體
炸藥爆炸后,產(chǎn)生了爆破粉塵和有毒有害氣體如一氧化碳、氮的氧化物、硫化物等。而水炮泥的使用,爆破后形成水霧,可以降塵、吸粉,減少有毒、有害氣體,改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量,有益于洞內(nèi)工作人員的身心健康。
由于原材料漲價等各種原因,噴射混凝土的直接成本在600元/m3以上。通過PVC管的使用和水炮泥的封堵,試點隧道平均線性超挖減少10 cm以上,噴混材料超耗降低了(40~50)%,大大降低了工程成本。經(jīng)過兩個月時間觀測,隧道線性超挖趨勢見圖4。
圖4 隧道線性超挖下降趨勢線
實際施工過程中應嚴格控制超挖量,對于隧道質(zhì)量的提升具有重要意義,也是工程施工人員需要高度關注的問題。
經(jīng)過兩個月試點的試驗,在周邊眼采用PVC管材間隔裝藥和封堵水炮泥后,隧道超挖控制取得較好的效果,大大減少了噴混的超耗,出渣時間和噴混工作時間均有不同程度地減少。
采用水炮泥封堵炮孔后,每循環(huán)炸藥單耗均有節(jié)約。表面上看,增加了PVC成本和洞外工作量,但與超欠挖和噴混超耗減少的成本相比,幾乎可以忽略不計,同時方便了工人操作、降低了勞動強度、提高了功效。