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        光面爆破在隧道中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

        2020-09-29 01:56:34李超
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年16期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)爆索光面炮孔

        李超

        (中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司,山東泰安271000)

        1 引言

        張吉懷鐵路隧道地屬紅層地質(zhì),為典型易滑地形。地層巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖為主,受雪峰山隆起帶影響,褶皺、構(gòu)造發(fā)育、斷層等,隧道多具壓性特征。線路以大角度穿越,受構(gòu)造影響較小。Ⅳ、Ⅴ級圍巖占隧道總長的95.2%。因此,Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段如何更好地控制隧道開挖的安全,及隧道超挖引起的噴射混凝土超方,減少工序循環(huán)時間尤為關(guān)鍵。而光面爆破這一施工工藝,可以更好地保證施工安全,控制超挖引起的材料消耗和時間成本,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

        2 工程概況

        新建張家界至吉首至懷化鐵路線路從張家界地區(qū)黔張常鐵路張家界西站引出,途經(jīng)湘西土家族,苗族自治州管轄的永順縣、古丈縣、吉首市和鳳凰縣,由麻陽苗族自治縣至滬昆客專懷化南站,正線全長243.265km。鐵路等級:高速鐵路;正線數(shù)目:雙線;設(shè)計行車速度:350km/h;線間距:5.0m。ZJHZQ-9標(biāo)段3 分部起訖起止里程為:DK215+126.27~DK225+202.53,線路全長10.076km。其中,橋梁1 032.28m,隧道8 468.44m,路基585.83m,正線隧道比83.96%。混凝土總方量約47.39m3。隧道穿越圍巖較差,多數(shù)為Ⅳ、Ⅴ級圍巖,以紅褐色泥質(zhì)粉砂巖為主。隧道產(chǎn)值占據(jù)絕大部分。全線隧道初支噴射混凝土作業(yè)所有圍巖均采用光面爆破和濕噴工藝。隧道Ⅲ級圍巖410m 占比4.8%、Ⅳ級圍巖3930m 占比46.4%、Ⅴ級圍巖4 128.44m 占比48.8%,噴射混凝土8.72m3,其他混凝土34.19m3。

        3 爆破參數(shù)設(shè)計和施工

        3.1 光面爆破機(jī)理

        光面爆破機(jī)理是:光面爆破自掏槽眼開始起爆,形成臨空面,由內(nèi)向外逐層起爆。在形成圓順臨空面的前提下,周邊眼互為導(dǎo)向孔。起爆后光爆層巖體沿周邊眼連線開裂,產(chǎn)生圓順的開挖輪廓。又稱為輪廓爆破或周邊爆破[1]。

        3.2 光面爆破施工

        3.2.1 開挖作業(yè)工序

        工序:測量放線—鉆孔平臺就位—鉆孔—鉆孔質(zhì)量驗(yàn)收—裝藥堵塞炮孔—連接起爆網(wǎng)路—起爆—通風(fēng)—危石排險處理—本循環(huán)總結(jié)。

        3.2.2 技術(shù)要點(diǎn)和參數(shù)選擇

        本項(xiàng)目部圍巖多為Ⅳ、Ⅴ級泥質(zhì)粉砂巖,巖體較破碎,巖石強(qiáng)度不高,飽和單軸抗壓強(qiáng)度普遍少于15MPa,巖體波速2 600~4 400m/s,多為軟質(zhì)巖[2]。

        本文選取代表性較強(qiáng)的Ⅳ級圍巖參數(shù)和應(yīng)用進(jìn)行論述。

        1)根據(jù)圍巖的特性,使用低沖擊度和低爆速的小直徑炸藥。

        經(jīng)現(xiàn)場適用率抽檢后,采用φ32mm 的2 號巖石乳化炸藥,炸藥長30cm,0.3kg/節(jié)。爆炸性能試驗(yàn)指標(biāo):密度1 300kg/m3,爆速≥4 600m/s,猛度≥16mm,做功能力≥260mL,殉爆距離≥6cm。

        2)周邊眼常用參數(shù)的選擇是控制開挖輪廓平整度的重要因素。周邊眼間距較大,會減弱應(yīng)力波在周邊眼中心連線上的疊加效果,增加裂紋貫通的難度,對于相鄰周邊眼,“空孔效應(yīng)”也會增大,易形成欠挖。距離較小,則應(yīng)力波在周邊眼連線中的疊加效果越大,裂紋擴(kuò)展的范圍增加,易形成超挖。通常,周邊眼的距離E=(12~15)d,炮孔的直徑為d=35~45mm。最小抵抗線W(光爆層的厚度),直接影響光面爆破效果和爆碴塊度。其取值在(13~22)d范圍內(nèi),且W≥E。結(jié)合文獻(xiàn),并通過現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化確定,采用E=45cm,d=42mm,W=60cm。

        3)周邊眼密集系數(shù)K=0.75,一般情況,以K=E/W=0.7~1.0為宜。

        4)確定炸藥的單耗量q和周邊眼裝藥集中度Q。炸藥單耗量對裝藥效率,炮孔利用率,開挖壁面的平整度和圍巖的穩(wěn)定性有很大影響。它取決于巖性,斷面面積,炮孔直徑和炮孔深度等多種因素。炸藥單耗量取0.693kg,周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度Q=qEW=0.19kg·m-1。

        5)周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量,是達(dá)到光面爆破效果的重要條件。周邊眼采用間隔空氣非耦合裝藥形式,徑向不耦合系數(shù)D=d炮眼/d炸藥=1.31。即藥節(jié)與炮孔內(nèi)存在著空氣間隙時,爆破將在間隙中衰減,從而降低了對孔壁的沖擊力,減少傳遞到巖面的爆炸能量。具體周邊眼裝藥方式:竹片間隔綁扎為串,0.3kg 藥節(jié)分成3 小節(jié)??椎籽b藥1/3 節(jié),間隔60cm/小節(jié),依次向孔口裝藥,炮泥堵塞距離孔口30cm 處。周邊眼均設(shè)置導(dǎo)爆索,導(dǎo)爆索引到孔底藥節(jié)處??椎姿幑?jié)采用反包導(dǎo)爆索形式。導(dǎo)爆索均采用“T”形連接,自兩側(cè)拱腳向上依次連接,交匯于拱頂。為保證爆破質(zhì)量,避免瞎爆,周邊眼設(shè)置5 處加裝雷管,于周邊眼藥卷第2 小節(jié)。

        6)選擇合適的掏槽形式以獲得理想的掏槽效果,形成新的臨空面。并采用毫秒微差有序起爆,使爆破按掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底板眼的順序進(jìn)行,以便從內(nèi)到外逐次開辟臨空面。

        3.2.3 炮孔布置和爆破實(shí)施

        根據(jù)不同圍巖的裝藥系數(shù)進(jìn)行計算,并結(jié)合現(xiàn)場爆破效果調(diào)整爆破參數(shù)至最優(yōu)。Ⅳ級圍巖爆破參數(shù)、炮孔布置如下,如圖1 所示。

        設(shè)計炮孔深度3.3m,進(jìn)尺3m 循環(huán),炮孔利用率100%,開挖量257.34m3,炸藥單耗量0.693kg。

        圖1 鉆爆設(shè)計圖( 單位:cm)

        3.2.4 光面爆破成果展示

        選取的掌子面是項(xiàng)目常見Ⅳ級圍巖,紅層節(jié)理裂縫較陡傾,拱頂存在與掌子面成80°夾角節(jié)理;拱腰、拱腳節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖局部破碎。爆破完成后,開挖輪廓線完整,拱部平整度好,巖面超挖較少,炮眼殘眼率90%。

        結(jié)合現(xiàn)場的開挖輪廓3D 掃描圖分析得:采用光面爆破后的超挖量從平均35cm 減少到15cm,上臺階平均超挖量減少了4m3/m。炮眼殘存率和超挖深度滿足光面爆破標(biāo)準(zhǔn)。

        4 效益總結(jié)

        4.1 材料效益

        4.1.1 混凝土消耗

        上臺階噴射混凝土用量減少4m3/m,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際稱重和相關(guān)文獻(xiàn),噴射混凝土回彈量取20%計算,噴射混凝土的實(shí)際使用量減少4.8m3/m。噴射混凝土單價380 元/m3,施工成本164.27 元/m3。

        綜上,混凝土消耗方面產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2 612.4 元/m。

        4.1.2 炸藥、雷管消耗

        綜合分析表明,光面爆破的使用與常規(guī)爆破炸藥的使用,以及炮孔的布置基本相同,根本區(qū)別在于光面爆破的周邊眼采用串狀裝藥結(jié)構(gòu)結(jié)合導(dǎo)爆索的形式。

        光面爆破3m 循環(huán),消耗導(dǎo)爆索181.6m,成本908 元,周邊眼雷管節(jié)約46 發(fā),減少成本230 元。因此,上臺階炸藥和雷管的成本增加了226 元/m。

        4.1.3 總計

        由于材料消耗減少的成本為2 386.4 元/m。全線隧道8 468.44m,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益2 020.91 萬元。

        4.2 時間效益

        在當(dāng)前的圍巖條件下,項(xiàng)目多采用2 臺階施工工法光面爆破鉆孔裝藥時間增加了0.5h,但是光面爆破減少了對圍巖的擾動和超挖,因此,減少了出渣排險和噴射混凝土的時間。整個一循環(huán)減少工序時間1h。

        隧道正常進(jìn)尺施工過程中,一個掌子面工人約90 人,每月所需人工費(fèi)和機(jī)械費(fèi),共計費(fèi)用90.2 萬元,定額到每小時為1 252 元。故掌子面因工序時間縮短,減少3.75 萬元/月。

        隧道施工中,安全步距牽扯整體的挖掘進(jìn)尺,故以二襯臺車工作面計為正常施工工作面來計算時間效益。項(xiàng)目全線共計12 個二襯臺車,即每臺車施工705m 二襯,正常施工工期為7 個月/掌子面。工序時間產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益315.7 萬元。

        4.3 安全質(zhì)量效益

        使用光面爆破技術(shù),周邊眼會留有大量空氣柱,應(yīng)力集中變小,從而減少了炮震對圍巖的松動深度、破碎程度和震動范圍,避免了常規(guī)爆破對圍巖干擾大的問題,充分利用了圍巖的自承能力,減少落石概率,保證隧道施工的安全。光面爆破的使用也極大限度地減少了超挖,并避免了由于超挖而在初支背后面形成空洞的隱患和后續(xù)注漿費(fèi)用,減少了濕噴厚度過厚產(chǎn)生掉塊的危險。

        5 結(jié)語

        光面爆破需根據(jù)圍巖級別,斷面大小,循環(huán)進(jìn)尺,機(jī)械設(shè)備等綜合考慮。通過與工班簽訂鉆爆技術(shù)合同,加強(qiáng)管理,嚴(yán)格施工工藝,共同配合,可以取得良好的光爆效果。

        通過對山嶺隧道爆破工程中光面爆破帶來的經(jīng)濟(jì)效益的研究,切實(shí)論證了光面爆破可以控制成本,加快工程進(jìn)度,提高生產(chǎn)的安全和質(zhì)量,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前嚴(yán)峻的市場條件下,光面爆破對于山嶺隧道施工,具有切實(shí)可行的推廣和使用的適用性。

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