劉云龍

【摘? 要】水平巖層的超欠挖控制一直是隧道爆破施工的難題。為解決鳳凰隧道開(kāi)挖過(guò)程中的超欠挖問(wèn)題，分析了水平巖層變形破環(huán)的原因和聚能水壓光面爆破的原理，進(jìn)行了聚能水壓光面爆破試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)表明，在水平巖層中采用聚能水壓光面爆破技術(shù)，施工進(jìn)度快，爆破質(zhì)量好，生產(chǎn)成本降低顯著，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均有了明顯提高。

【Abstract】The control of over and under excavation of horizontal strata is always a difficult problem in tunnel blasting construction. In order to solve the problem of over and under excavation in Fenghuang tunnel， this paper analyzes the causes of horizontal strata deformation and breakage and the principle of concentrated energy hydraulic smooth blasting， and carries out the concentrated energy hydraulic smooth blasting test. The field blasting test shows that the application of the concentrated energy hydraulic smooth blasting technology in the horizontal strata has the advantages of fast construction progress， good blasting quality， significant reduction in production cost， and significant improvement in economic and social benefits.

【關(guān)鍵詞】聚能爆破;水平巖層;超欠挖

【Keywords】concentrated energy blasting; horizontal strata; over and under excavation

【中圖分類(lèi)號(hào)】U455.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）02-0182-03

1 引言

超欠挖控制一直是影響隧道施工成本、工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水平巖層是隧道工程施工經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，水平巖層的超欠挖控制相較于其他巖層更為復(fù)雜和困難，如果處理不好，隧道拱頂會(huì)出現(xiàn)大面積平頂、落石、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，造成大量超挖增加回填混凝土用量，還會(huì)影響圍巖的穩(wěn)定性，從而影響施工作業(yè)人員和機(jī)械安全，所以水平巖層的光面爆破超欠挖控制對(duì)于隧道施工意義重大。通過(guò)研究新奧法施工的基本原理以及水平巖層對(duì)爆破的影響特點(diǎn)，在張吉懷鐵路鳳凰隧道使用了聚能水壓爆破技術(shù)，取得了較好效果。本文對(duì)此技術(shù)在水層巖層的光面爆破施工技術(shù)作一介紹。

2 工程概況

鳳凰隧道位于湖南省湘西州鳳凰縣沱江鎮(zhèn)關(guān)巖層村境內(nèi)，全長(zhǎng)4375m，為時(shí)速350km單洞雙線(xiàn)隧道，最大埋深約220m。隧道分進(jìn)口、橫洞和出口3個(gè)工區(qū)平行組織施工。隧道圍巖為K1泥質(zhì)粉砂巖，局部夾泥粉質(zhì)砂巖，含礫砂巖，石英砂巖，紅色，綜紅色，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化。洞身弱風(fēng)化層，粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，層厚1～3m。巖層產(chǎn)狀：100°～140°∠8°～25°。巖層取樣，實(shí)測(cè)飽和單軸抗壓強(qiáng)度28MPa，屬軟軟巖。全隧地下水不發(fā)育，主要為基層裂隙水。隧道最大開(kāi)挖寬度14.7m，隧底至拱頂開(kāi)挖高度12.38m，爆破開(kāi)挖斷面148.91m2。其中進(jìn)口工區(qū)采用全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)全斷面法開(kāi)挖施工，橫同工區(qū)采用傳人工鉆眼爆破臺(tái)階法施工。

3 水平巖層變形破壞機(jī)理

在薄水平巖層地段，爆破時(shí)巖體也極易沿著拱部某一層理面整體脫落，形成平如桌面的平頂現(xiàn)象。此時(shí)隧道頂板呈懸露狀態(tài)，頂板以梁（或板）的形式支撐著上覆巖體的重力作用，保持著應(yīng)力場(chǎng)的平衡，此時(shí)覆巖的力學(xué)結(jié)構(gòu)屬于典型的梁（或板）式平街結(jié)構(gòu)。當(dāng)此跨度達(dá)到巖梁的極限長(zhǎng)度時(shí)，頂板在上部荷載的作用下，造成斷裂、垮落破壞，頂板巖層在第一次斷裂后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)，使得上面的巖層又成為梁（或板）式平衡結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)分別位于隧道兩側(cè)懸臂巖層的上方。當(dāng)作用力足夠大時(shí)，隧道兩側(cè)巖層懸臂梁不斷發(fā)生破斷，其上方的巖梁超過(guò)極限跨距后再次造成斷裂和垮落。此時(shí)上覆巖層的重量將沿主應(yīng)力線(xiàn)方向向隧道兩側(cè)傳遞，主應(yīng)力線(xiàn)方向?yàn)橐还靶危葱纬蓱?yīng)力平衡拱[1]。

爆破后應(yīng)力波如果遇到節(jié)理、夾層等結(jié)構(gòu)面，將發(fā)生復(fù)雜的透射、反射現(xiàn)象，使應(yīng)力波能量在結(jié)構(gòu)面中消耗衰減。由于結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng)力波傳播的阻隔作用，對(duì)于隧道光面爆破而言，周邊眼邊連心線(xiàn)上的應(yīng)力波疊加受到影響。在拱頂、周邊眼之間的裂縫往往沿著結(jié)構(gòu)面形成，因此，容易形成平板狀輪廓。在邊墻部位，周邊眼連心線(xiàn)垂直于夾層面，邊心線(xiàn)上很難形成應(yīng)力疊加，相當(dāng)于單個(gè)炮眼獨(dú)自作用。層狀節(jié)理對(duì)爆破的影響可歸納為應(yīng)力集中作用、應(yīng)力波的反射增強(qiáng)作用、能量吸收作用、泄能作用、楔入作用和改變破裂線(xiàn)等作用，軟弱夾層使爆破后應(yīng)力波傳播以及衰減規(guī)律發(fā)生變化，同時(shí)也影響了爆生氣體對(duì)巖石破碎作用。因此，爆破產(chǎn)生的能量得不到預(yù)期的組織與分配而在炮眼周?chē)约皧A層中大盤(pán)消耗，造成爆破后難以形成設(shè)計(jì)要求的拱形輪廓，大塊率高，超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。

4 聚能水壓爆破技術(shù)基本原理

已有研究表明[3]，聚能爆破的炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波通過(guò)聚能管的聚能槽，將炸藥的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換成高壓、高速、高能的射流，切割巖石成縫，形成1～2cm深縫。射流在孔壁產(chǎn)生射流壓力達(dá)7000MPa，巖石動(dòng)載抗壓強(qiáng)度為200MPa，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為1/8～1/10，相鄰兩炮孔間互為臨空面，疊加后的壓縮波變?yōu)橄∈璨?，在兩炮孔連線(xiàn)上使巖石分子結(jié)構(gòu)斷裂，形成裂紋。準(zhǔn)靜態(tài)氣體膨脹，靜態(tài)壓力在兩孔最短邊線(xiàn)兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使巖石裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)爆破應(yīng)力集中“氣刃”作用原則，爆破氣體沿裂縫并進(jìn)一步擴(kuò)大貫通，拋落巖石。

通過(guò)上述爆破理論總結(jié)發(fā)現(xiàn)，為提高水平軟弱巖層的爆破效果，從爆破理論方面，我們可以從以下兩個(gè)方面來(lái)努力：一是，減少爆生氣體的“氣楔效應(yīng)”對(duì)洞身徑向方向影響，減少對(duì)基層的破壞程度，從而降低爆破后自然掉塊，特別是拱部平板掉塊超挖;二是，在不增加炸藥單耗的前提下，盡可能讓?xiě)?yīng)力波和爆生氣體能量沿輪廓線(xiàn)有效傳播，降低結(jié)構(gòu)面對(duì)能量的衰減作用。綜合考慮聚能水壓爆破理論上能夠起到上述作用。故在鳳凰隧道DK180+960～995段進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究，DK180+860～960段采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)，兩段均為IV級(jí)圍巖，巖性一致。

5 爆破試驗(yàn)方案

影響光面爆破效果的因素有很多，主要有鉆眼精度、裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量、隧道斷面大小、地質(zhì)條件、測(cè)量放線(xiàn)精度、施工管理等方面，該試驗(yàn)為排除其他因素的影響，選取鳳凰隧道進(jìn)口作試驗(yàn)點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面：一是，全電腦三臂臺(tái)車(chē)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位尋眼鉆眼，可以排除人為因素干擾;二是，同一工點(diǎn)同一工法可以排除管理和工法差異上的干擾。

5.1 爆破設(shè)計(jì)

聚能水壓爆破與傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)最大的區(qū)別是周邊眼間距和周邊眼裝藥量，具體如表1和圖1所示。

從上述對(duì)比來(lái)看，聚能水壓爆破雖然增加了單孔裝藥量，但總體裝藥量小于傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)裝藥量。

5.2 聚能管裝置的組裝方法

聚能管裝置中的傳爆線(xiàn)和起爆雷管為施工通用的起爆器材，起爆雷管段別與常規(guī)光面爆破相同。往半壁管注藥需要注藥槍和空壓機(jī)設(shè)備，注藥槍長(zhǎng)45cm，重0.8kg。小型空壓機(jī)功率800W，重23kg。往半壁管注藥步驟：第一步，把藥卷一端和沿藥卷縱向把包裝皮切開(kāi)，然后將藥卷沿縱向切開(kāi)面合并并裝入注藥槍筒中，最后擰緊旋轉(zhuǎn)蓋;第二步，給注藥槍加壓，其壓力為0～2個(gè)大氣壓;第三步，手握注藥槍沿半壁管從頭注入，炸藥就從槍口不斷流入半壁管中。注好炸藥的2個(gè)半壁管相扣之前在其中1片半壁管中放置1根傳爆線(xiàn)，然后合并裝在一起，裝上起爆雷管。為保障聚能管裝置中的聚能槽對(duì)準(zhǔn)隧道輪廓面以防止轉(zhuǎn)動(dòng)，聚能管裝置的兩端套上塑料套圏，這樣聚能管才完全組裝好。要特別指出的是，為了安全，在聚能管裝置組裝房?jī)?nèi)最好不要安裝起爆雷管，待運(yùn)到掌子面時(shí)再安裝，整個(gè)裝藥過(guò)程2個(gè)工人作業(yè)時(shí)長(zhǎng)約1h。注意聚能管的長(zhǎng)度可以根據(jù)進(jìn)尺定制。

5.3 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥之前，把加工好的聚能管運(yùn)至施工掌子面，并準(zhǔn)備絕緣膠帶、孔內(nèi)定位棉、夾條等輔助材料。裝填的步驟：第一步，往炮孔最底部填裝1個(gè)水袋，水袋必須裝到炮孔底部，不能留有空隙;第二步，裝聚能管裝置，聚能管長(zhǎng)約2.2m，約為炮孔深度的70%，聚能管要緊挨著炮孔最底部水袋，聚能槽方向?qū)?zhǔn)相鄰炮孔中心，不可弄錯(cuò);第三步，裝填2袋水袋;第四步，用專(zhuān)業(yè)設(shè)備加的炮泥回填到炮孔口，用木質(zhì)炮棍搗固堅(jiān)實(shí)，起到填塞的作用。所有炮孔填過(guò)后，像常規(guī)光面爆破起爆。

6 爆破效果統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)13個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的爆破效果數(shù)據(jù)，拱部平均線(xiàn)性超挖值為15.9cm，邊墻為12.8cm，拱部炮眼痕跡率為52.9%，邊墻為69.8%，后期爆破參數(shù)穩(wěn)定后，拱部平均線(xiàn)性超挖值為14.7cm，邊墻為12.1cm，拱部炮眼痕跡率為57.2%，邊墻為71%。與DK180+860～960對(duì)照段爆破效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，聚能水壓爆破技術(shù)拱部線(xiàn)性超挖值降低3.2cm，邊墻降低3.4cm，炮眼痕跡率增加20%以上，具體情況如表2所示。

7 爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

采用聚能水壓爆破增加了聚能管費(fèi)用，但減少了鉆孔數(shù)量、炸材用量和混凝土用量，綜合分析每循環(huán)節(jié)約直接成本517元，平均每米172元，具體計(jì)算如表3所示。同時(shí)每循環(huán)節(jié)約循環(huán)時(shí)間約1h，每施工1km隧道可節(jié)約工期14天左右。

8 結(jié)論

①聚能水壓光面爆破技術(shù)集聚能爆破、水壓爆破、光面爆破三者的優(yōu)點(diǎn)于一身，充分利用了炸藥聚能爆破產(chǎn)生集中爆破能的原理，較好地控制聚能射流面與光爆面吻合，因此，顯著増大了周邊眼孔距，即減少鉆孔工作量。聚能爆破還減少了圍巖擾動(dòng)，有利于保持基巖的穩(wěn)定性，保持開(kāi)挖輪廓圓順、整齊，殘孔保留率高，超挖減少，提高了施工安全保障。②施工進(jìn)度快，且施工質(zhì)量明顯提高，降低生產(chǎn)成本顯著，有效提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。操作時(shí)要嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)鉆眼裝藥，特別是聚能槽的方向，不得弄錯(cuò)。③在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，爆破后效果較好，隨著時(shí)間的推移，新鮮巖層接觸空氣不斷風(fēng)化，光爆破效果無(wú)法維護(hù)到初期支護(hù)完成前，從而造成二次超挖，在后續(xù)施工中，堅(jiān)持爆破后立即進(jìn)行初噴封閉巖面起到了較好效果。④試驗(yàn)過(guò)程中我們也發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間段之內(nèi)爆破效果是趨于穩(wěn)定的，在圍巖未發(fā)生變化前，可適當(dāng)縮小炮眼開(kāi)孔輪廓，縮小值為平均超挖值的1/3左右。

【參考文獻(xiàn)】

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【3】何廣沂.聚能爆破的研究與實(shí)踐[A].第七屆工程爆破學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2001.