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        隧道掘進聚能水壓爆破技術(shù)的研究與應(yīng)用

        2021-07-28 12:53:46李增恩
        關(guān)鍵詞:水壓炮孔波形

        李增恩

        (中鐵二十四局集團浙江工程有限公司,杭州 310009)

        在公路隧道施工建設(shè)過程中常采用鉆爆法進行施工,但由于區(qū)域地質(zhì)條件差、爆破工藝選擇不當(dāng)或圍巖等級有明顯變化等,常常出現(xiàn)爆破后的超欠挖現(xiàn)象.該問題亟須解決,并已成為隧道技術(shù)人員重點探索的難題.聚能水壓爆破技術(shù)是一項近幾年在隧道掘進中的新型開挖技術(shù),通過將藥包注入已設(shè)計好帶有水的被爆容器中,以水為傳播介質(zhì)傳遞爆破產(chǎn)生的振動使容器被破壞,而爆破范圍以內(nèi)的所有炮眼采取水壓爆破,從而減少沖擊波、碎石塊及爆破噪聲,較好地實現(xiàn)了爆破能量的充分利用、并解決了以往爆破效果不好、爆破工作環(huán)境差等問題.為了進一步探討新技術(shù),國內(nèi)不少學(xué)者對隧道施工時使用聚能水壓爆破技術(shù)進行實時監(jiān)測,通過監(jiān)測結(jié)果的對比分析,對聚能水壓爆破技術(shù)獲得了長足的認識.王軍[1]以崤山隧道為工程背景,得出了聚能水壓爆破能提高隧道施工效率,節(jié)省施工時間,并且比普通水壓爆破技術(shù)降低了30%的施工成本.拜曉亮[2]從技術(shù)效果和經(jīng)濟效益兩個方面對聚能水壓爆破進行了分析,結(jié)果表明爆破后渣堆碎石塊度下降了20%~30%,相較于常規(guī)方法進尺增加了11.1%,單位用藥量節(jié)約了15%,周邊炮眼數(shù)量減少了50%.劉海波、白宗河等[3]在金瓶巖隧道中引入了聚能水壓爆破技術(shù),成功解決了常規(guī)爆破的不足,取得了良好的經(jīng)濟效益.熊成宇、魏忠鋒等[4]為了減小爆破對圍巖周邊的擾動,引進聚能水壓爆破技術(shù),達到了較好的爆破施工效果.李偉、袁紹國等[5]認為減小爆破施工對圍巖的擾動,基巖才不會因爆破出現(xiàn)裂隙,才更有利于保障圍巖穩(wěn)定.聚能水壓爆破相比常規(guī)光面爆破有更大的優(yōu)勢,其適應(yīng)性更強.通過以上研究得知,聚能水壓爆破技術(shù)目前仍然處于應(yīng)用開發(fā)的初期,與傳統(tǒng)爆破技術(shù)相比在施工效果與經(jīng)濟層面有著較好的發(fā)展前景及研究價值[6].

        基于此現(xiàn)狀,本文以重慶沿江高速公路佛兒巖隧道為工程背景,對聚能水壓爆破技術(shù)在隧道開挖掘進中的實際應(yīng)用進行了探討,并對爆破振動波形進行了分析.

        1 工程概況

        佛兒巖隧道位于四川省,是重慶沿江高速公路W1 合同段穿越的隧道.該隧道設(shè)計采用雙洞單向行車三車道形式,左線隧道訖起樁號ZK1+685.5~ZK4+124,長2438.5 m,右線隧道訖起樁號YK1+738~YK4+131,長2393 m,隧道縱面均位于1.4%的單向坡.隧道穿過巖性級別為Ⅳ、Ⅴ級圍巖,結(jié)合現(xiàn)場施工條件基于臺階法和CRD 法完成開挖作業(yè).該隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖巖層風(fēng)化破碎程度嚴(yán)重,自穩(wěn)能力很差,且跨徑大.采用聚能水壓爆破開挖,優(yōu)點是:開挖周邊眼數(shù)量較少,對周邊圍巖震動較小,由于炮眼中有水袋,爆破會產(chǎn)生水霧,而產(chǎn)生的水霧起到了降塵效果.

        在未采用聚能水壓爆破時,隧道經(jīng)常出現(xiàn)超欠挖,佛兒巖隧道為了解決這個難題,實施了聚能水壓爆破技術(shù),不但減少超欠挖,而且在加快工程進度、降低用藥量、優(yōu)化施工環(huán)境上取得了明顯的效果.

        2 聚能水壓爆破技術(shù)原理

        聚能水壓爆破技術(shù)是一項在隧道掘進中的新型開挖技術(shù).水壓爆破是通過沖擊波作用于巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂縫,然后將水與爆轟氣體滲入裂縫之內(nèi),產(chǎn)生“水楔”效應(yīng),使圍巖進一步破碎.聚能爆破是通過聚能管裝置爆炸時在聚能槽方向產(chǎn)生聚能射流.聚能水壓爆破把聚能爆破與水壓爆破進行了融合,在爆破時,傳播應(yīng)力波在產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力[7]的同時還在隧道輪廓面方向產(chǎn)生高溫高壓高速聚能射流,使炮眼中的水在爆破作用下產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)[8],能進一步破碎圍巖,并且有效利用爆破產(chǎn)生的氣體和水對圍巖二次破碎.

        3 聚能水壓爆破施工

        3.1 聚能水壓爆破設(shè)計

        隧道掘進炮眼參數(shù)主要包括周邊炮孔裝藥量、炮孔間距和周邊孔抵抗線等[9].以Ⅳ級圍巖為例,佛兒巖隧道采用臺階法開挖,其聚能水壓爆破參數(shù)如表1 所示.

        表1 聚能水壓爆破參數(shù)

        3.2 聚能水壓爆破工藝流程

        本文以佛兒巖隧道為工程背景,引進聚能水壓爆破技術(shù)并進行了研究,聚能水壓爆破工藝流程如圖1 所示.

        圖1 聚能水壓爆破工藝流程圖

        首先進行施工準(zhǔn)備,根據(jù)爆破設(shè)計新型裝藥結(jié)構(gòu),其截面圖如圖2 所示.聚能水壓爆破技術(shù)主要將水袋、聚能管裝置和炸藥相結(jié)合,形成一個新型的裝藥結(jié)構(gòu),實質(zhì)就是用聚能管代替了常規(guī)爆破炮孔中的炸藥和雷管,在常規(guī)炮孔的最底部裝填水袋,在常規(guī)炮孔上部放置水袋與炸藥復(fù)合填充,然后由施工人員在掌子面上量測開挖輪廓線,對掏槽眼、輔助眼、底板眼、周邊眼位置進行布置,裝藥由下向上進行,嚴(yán)格按爆破設(shè)計藥量填裝并封孔,最后起爆網(wǎng)絡(luò)采用電雷管起爆,所有炮孔內(nèi)均有1 ms雷管,將毫秒雷管連成線,用起爆器進行起爆.由于水具有不可壓縮性,通過水將爆炸產(chǎn)生的沖擊波對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力會更加均勻,因此聚能水壓爆破的效果與環(huán)境會比常規(guī)爆破更好.

        圖2 聚能水壓爆破截面圖

        3.3 聚能水壓爆破波形

        關(guān)于爆破振動,陽生權(quán)等[10]基于小凈距的公路隧道工程爆破震動安全監(jiān)測,通過質(zhì)點振動速度峰值與主振頻率分析,對爆破震動的形式進行了探討.余濤濤[11]通過數(shù)值模擬研究了地震波的響應(yīng)規(guī)律.劉小鳴、陳士海[12]通過爆破波形函數(shù)預(yù)測了微時和炮孔數(shù)量對爆破振動的影響.

        雖然,目前在常規(guī)爆破振動的研究方面已經(jīng)有了很多成果,但新型聚能水壓爆破技術(shù)的研究還需要加強.基于此現(xiàn)狀,以實測聚能水壓爆破振動波形在沿掌子面法線方向,沿平行于掌子面水平方向,沿平行于掌子面豎直方向的X、Y、Z三個方向的數(shù)據(jù)為樣本,對聚能水壓爆破振動的波形進行了研究.

        聚能水壓爆破振動波形如圖4~圖6 所示,從圖中可以看出聚能水壓爆破波形基本分為三個階段:0~0.3 s為第一階段,在此階段中,振動波形峰值在Z軸,但絕對平均值以Y軸最高,為0.2875;0.3~0.9 s為第二階段,其峰值在Z軸方向,絕對平均值以Y軸最高,為0.4246;0.9~1.5 s 為第三階段,其峰值在Y軸方向,絕對平均值以Y軸最高,為0.2493.其波速代表了振動能量的大小,對比波形圖可以發(fā)現(xiàn)Y軸方向能量最高,其原因是聚能水壓爆破產(chǎn)生的水楔效應(yīng),利用水的不可壓縮性,降低X軸方向上的沖擊力,能更好地控制隧道的爆破,減少超挖現(xiàn)象的出現(xiàn);同時增大Y軸和Z軸方向的沖擊力,利用水楔效應(yīng),對掌子面產(chǎn)生二次破碎,減少欠挖現(xiàn)象的出現(xiàn).

        圖4 聚能水壓爆破X軸波形圖

        圖5 聚能水壓爆破Y軸波形圖

        圖6 聚能水壓爆破Z軸波形圖

        3.4 聚能水壓爆破工程實踐效果

        佛兒巖隧道施工中,為了提高隧道爆破效果,減少隧道超欠挖,改變了常規(guī)爆破的方式,使用了新型聚能水壓爆破技術(shù).在佛兒巖隧道中選取了兩段相似圍巖條件及圍巖級別的掌子面,分別進行了常規(guī)爆破和聚能水壓爆破.從現(xiàn)場觀測效果看,聚能水壓爆破的超欠挖情況明顯優(yōu)于常規(guī)爆破,其產(chǎn)生的灰塵污染也低于常規(guī)爆破.從經(jīng)濟效益上看,在炸藥用量一致的情況下,聚能水壓爆破開挖輪廓線平順整齊,超欠挖明顯改善,混凝土回填成本大為降低,使用聚能水壓爆破后,減少了二分之一的周邊炮眼,減少了鉆孔人員,降低了施工成本,取得了較大的經(jīng)濟效益.

        4 結(jié)論

        (1)從聚能水壓爆破技術(shù)的原理及其施工工藝、爆破波形進行了討論,體現(xiàn)出了聚能水壓爆破技術(shù)的施工高效性與安全性,聚能水壓爆破技術(shù)更加符合目前隧道開挖的綠色施工.

        (2)對實測聚能水壓爆破振動波形進行了分析,通過X、Y、Z三個方向的振動波形圖,得出了聚能水壓爆破X軸振動沖擊力較低,Y軸、Z軸振動沖擊力提高.采用聚能水壓爆破技術(shù)能降低X軸方向上的沖擊力,更好地控制隧道的爆破,減少超挖現(xiàn)象的出現(xiàn);同時增大Y軸和Z軸方向的沖擊力,利用水楔效應(yīng),對掌子面產(chǎn)生二次破碎,減少欠挖現(xiàn)象的出現(xiàn),大大降低了施工成本.

        (3)隧道爆破掘進采用聚能水壓爆破,由于聚能水壓爆破中含有水袋,爆破時產(chǎn)生水霧,而產(chǎn)生的水霧起到了很好的降塵效果,改善了爆破施工環(huán)境,并為以后隧道采用聚能水壓爆破提供了例證.

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