王晨浩, 李濤, 林作章, 李曉超
(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222;2.云南建投第一水利水電建設(shè)有限公司,昆明 650599)
隧洞施工根據(jù)開(kāi)挖方式可分為鉆爆法、盾構(gòu)法和掘進(jìn)機(jī)法。鉆爆法施工工序簡(jiǎn)單、開(kāi)挖成本低、對(duì)圍巖條件適應(yīng)性強(qiáng),因而成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最為常見(jiàn)的隧洞施工方法。鉆爆法隧洞爆破是以鉆孔、爆破工序?yàn)橹鳎湟匝b運(yùn)機(jī)械出碴,完成隧洞施工的方法,應(yīng)用于各類(lèi)軟硬圍巖隧洞施工中,尤其是長(zhǎng)度較短、斷面較小的水工隧洞施工。鉆爆法隧洞爆破通過(guò)參數(shù)優(yōu)化達(dá)到保障圍巖穩(wěn)定、控制圍巖超欠挖及提高施工速度的目的。
文中以分析西南地區(qū)軟硬互層圍巖的水工隧洞鉆爆破法爆破設(shè)計(jì)試驗(yàn)實(shí)例為切入點(diǎn),調(diào)整對(duì)比優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù),總結(jié)軟硬互層沉積巖爆破設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),為類(lèi)似爆破工程設(shè)計(jì)、爆破參數(shù)優(yōu)化、施工管理、成本控制提供有價(jià)值的參考,展望爆破發(fā)展趨勢(shì)與方向。
調(diào)整掏槽孔、輔助孔和周邊孔是光面爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化重要一環(huán)。掏槽孔是后續(xù)爆破效果能好的基礎(chǔ),直接影響隧道爆破的循環(huán)進(jìn)尺和掘進(jìn)效果,決定輔助孔的自由面;輔助孔在爆破隧洞圍巖中起到擴(kuò)大掏槽效果的作用,決定后續(xù)爆破新的自由面;周邊孔是決定隧洞超挖、欠挖大小和原始圍巖損害程度的關(guān)鍵因素[1,2]。
炮孔方向可以與作業(yè)面垂直或傾斜,在有明顯的裂縫或?qū)永頃r(shí),炮孔應(yīng)與巖石裂縫或?qū)永泶怪被蛐苯唬M量避免平行層理和鉆入裂隙,掏槽可利用裂縫、層理[3]。
炮孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)是決定隧洞爆破效果、質(zhì)量的重要參數(shù),涉及掏槽方式,掏槽孔斜率,炮孔深度、數(shù)目、孔距及直徑,裝藥直徑,單位巖體炸藥用量、單孔裝藥線系數(shù),周邊孔裝藥不耦合系數(shù),起爆段差、聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。
誘變育種是目前最常用的藻種獲取手段,包括物理誘變和化學(xué)誘變。物理誘變常用的誘變輻射源包括紫外線、半導(dǎo)體激光等各種射線、微波或激光;常用的化學(xué)誘變劑種類(lèi)有烷化劑、核酸堿基類(lèi)似物等[8]。研究者們已將誘變育種用于培育高脂質(zhì)含量的藻種,并取得了一定的效果[9]。誘變育種操作可以方便、快捷地篩選到具有優(yōu)良性狀的藻株,但優(yōu)良性狀的誘變機(jī)理尚不明確,表現(xiàn)型不穩(wěn)定。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)條件(圍巖情況、斷面情況等)及爆破參數(shù)相互關(guān)系,結(jié)合實(shí)際炮孔利用率、四壁超欠挖效果、破碎圍巖塊度等情況,為達(dá)到更優(yōu)、更適宜爆破效果及質(zhì)量,從而達(dá)到優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)的目的[4]。
隧洞爆破后還需考慮:爆破后圍巖面應(yīng)圓順平整,超挖量控制在10cm以?xún)?nèi)并不欠挖;無(wú)破壞圍巖原始結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生明顯裂縫,無(wú)較大浮石,炮孔利用率達(dá)到90%以上;炮孔殘留痕跡需均勻分布在開(kāi)挖面上并有一定的痕跡保留率(硬巖≥90%,中硬巖≥70%,軟巖≥50%);相鄰兩孔間需保持巖面平整,孔壁無(wú)明顯裂隙,臺(tái)階形出現(xiàn)誤差≤150mm。
我國(guó)在GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中,對(duì)周邊建筑物安全采用安全允許振動(dòng)速度進(jìn)行爆破安全評(píng)價(jià)[5,6],見(jiàn)表1、表2。
表1 部分建筑物爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)
表2 新澆大面積混凝土(C20)爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)
爆破振動(dòng)采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置豎直向、水平徑向和水平切向(垂直于水平徑向)3個(gè)方向的傳感器。
工程隧洞為4.5m×5m城門(mén)洞型,隧洞圍巖為互層狀微風(fēng)化砂巖、頁(yè)巖,頁(yè)巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為9.83~13.4MPa,屬較軟巖,砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為37.64~42.6MPa,產(chǎn)狀NE70°,NW∠40°,洞向?yàn)镹E230°,與隧洞斜交,夾角為40°,圍巖自穩(wěn)定時(shí)間短,屬不穩(wěn)定,判定為Ⅳ類(lèi)圍巖,如隧洞圍巖應(yīng)力見(jiàn)圖1。
圖1 隧洞圍巖應(yīng)力
根據(jù)炮孔布置圖,由測(cè)量人員在開(kāi)挖掌子面上將各炮孔位置做好標(biāo)記,鉆孔采用4臺(tái)TY-28手風(fēng)鉆鉆進(jìn),鉆孔過(guò)程中隨時(shí)對(duì)鉆孔深度和斜率進(jìn)行檢測(cè),嚴(yán)格控制炮孔的深度和角度,以便及時(shí)糾偏。爆破試驗(yàn)采用“光面鉆孔-人工裝藥-非電微差雷管起爆-裝載機(jī)裝車(chē)-自卸車(chē)出渣外運(yùn)-錨桿錨固-掛鋼筋網(wǎng)后噴混凝土支護(hù)”的流程進(jìn)行。
根據(jù)每次爆破完成后的效果及時(shí)調(diào)整炮孔的間距和裝藥量;出渣完成后,根據(jù)開(kāi)挖輪廓線規(guī)則程度、巖面平整度及超欠挖情況、殘孔率調(diào)整周邊光爆孔的間距和裝藥量、裝藥起爆形式;根據(jù)底板超欠挖情況來(lái)調(diào)整底孔間距和裝藥量及預(yù)留量。
每次爆破時(shí),在距離掌子面20m處左側(cè)洞壁、底板、右側(cè)洞壁中部等3處混凝土,布置質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)(即監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1~3),監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)效果。
(1)爆破基本參數(shù):孔徑D=42mm;炮孔深度:掏槽孔L=2.5m,八字型掏槽,傾角32°~35°;崩塌孔L=2.2m,輔助孔L=2.2m,周邊孔L=2m;藥卷直徑d=32mm;周邊孔不耦合系數(shù)з=1.31(炮眼直徑與藥包直徑的比值);周邊眼孔距a=50cm;最小抵抗線(光爆層厚度)W=0.8~1m;線裝藥密度:掏槽孔QL=0.2kg/m;崩塌孔QL=0.2kg/m;輔助孔QL=0.2kg/m,周邊孔QL=0.225kg/m,爆破試驗(yàn)炮孔布置見(jiàn)圖2、圖3。
圖2 第1次爆破試驗(yàn)炮孔布置圖(單位:m)
圖3 爆破試驗(yàn)掏槽孔、周邊孔布置圖(單位:m)
(2)鉆孔布置:炮孔設(shè)掏槽孔1~8號(hào)、崩落孔9~18號(hào)、輔助孔19~32號(hào)、周邊孔33~60號(hào)、底孔61~64號(hào)。掏槽眼比其他炮眼加深50cm,周邊孔孔口間距50cm,掏槽孔向內(nèi)稍斜(32°~35°),周邊孔的孔口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)5cm處;輔助孔間距300~900mm,上稀下密,中部均勻分布。
(3)裝藥:裝填炸藥藥卷直徑均為32mm。掏槽眼單孔裝藥量1.2kg,共計(jì)8孔,共裝藥9.6kg;崩落孔單孔裝藥量0.6kg,共計(jì)10孔,共裝藥6kg;輔助孔單孔裝藥量0.6kg,共計(jì)14孔,共裝藥8.4kg;周邊孔采用軸向不耦合裝藥,單孔裝藥量0.45kg,共計(jì)25孔,共裝藥11.25kg;底眼單孔裝藥量0.9kg,共計(jì)4孔,共裝藥3.6kg。累計(jì)裝藥量:38.85kg。雷管選擇:采用四序起爆,掏槽眼1~8號(hào)選用1段非電雷管;輔助孔(崩落孔)9~18號(hào)選用3段非電雷管;輔助孔(崩落孔)19~32號(hào)選用5段非電雷管;周邊孔和底孔33~61號(hào)選用7段非電雷管。各孔采用導(dǎo)爆管并聯(lián),并與起爆雷管串聯(lián)。起爆雷管采用兩枚即發(fā)電雷管。起爆聯(lián)結(jié)線路,如圖4所示。
圖4 起爆聯(lián)接線路
(4)爆破效果:圍巖巖體穩(wěn)定條件較差,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、破碎、局部夾泥,層間結(jié)合差;隧洞采用全斷面開(kāi)挖,放炮后隧洞斷面成型差,頂拱及左上方塌方較多,殘孔率5%左右,洞渣最遠(yuǎn)拋擲距離35m見(jiàn)圖5;周邊混凝土監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1~3的最大爆破振動(dòng)速度分別為0.21、0.29、0.57cm/s。實(shí)測(cè)爆破振速低于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動(dòng)沒(méi)有對(duì)周?chē)ǎ?gòu))筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響。
圖5 第1次爆破后隧洞成型
(1)爆破基本設(shè)計(jì)參數(shù)和第1次爆破試驗(yàn)相同。
(2)鉆孔周邊孔孔距a=50cm調(diào)整為40cm,底孔僅布置在兩側(cè),對(duì)中部進(jìn)行一部分預(yù)留,即掏槽孔1~8號(hào)、崩落孔9~18號(hào)、輔助孔19~32號(hào)、周邊孔33~64號(hào)、底孔65~68號(hào)。調(diào)整后爆破試驗(yàn)炮孔布置見(jiàn)圖6。
圖6 第2次爆破試驗(yàn)炮孔布置圖(單位:m)
(3)單孔裝藥量不變,根據(jù)實(shí)際炮孔進(jìn)行裝藥,即周邊孔由25孔變?yōu)?2孔,裝藥量由11.25kg調(diào)整為14.4kg。累計(jì)裝藥量為42kg。雷管選擇:采用四序起爆(僅周邊孔和底孔33~68號(hào)選用7段非電雷管,其余均與第1次爆破試驗(yàn)一樣)。
(4)爆破效果:圍巖巖體穩(wěn)定條件較差,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,破碎,局部夾泥,層間結(jié)合差;隧洞采用全斷面開(kāi)挖,放炮后隧洞斷面成型差,頂拱及左上方存在30cm厚掉塊,右側(cè)有少量超挖,殘孔率約8%,洞渣最遠(yuǎn)拋擲距離32m,爆堆塊度普遍直徑20~40cm,適宜扒渣機(jī)裝渣見(jiàn)圖7。周邊混凝土監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1~3的最大爆破振動(dòng)速度分別為0.32、0.25、0.47cm/s。實(shí)測(cè)爆破振速低于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動(dòng)沒(méi)有對(duì)周?chē)ǎ?gòu))筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響。
圖7 第2次爆破后隧洞成型圖
(1)爆破基本參數(shù)僅周邊孔線裝藥密度QL=0.225kg/m調(diào)整為0.15kg/m。
(2)鉆孔周邊孔孔距a=50cm調(diào)整為40cm;底孔僅布置在兩側(cè),對(duì)中部進(jìn)行一部分預(yù)留,掏槽孔間距由1.88m調(diào)整為1.28m,即掏槽孔1~8號(hào)、崩落孔9~18號(hào)、輔助孔 19~32號(hào)、周邊孔 33~64號(hào)、底孔 65~68號(hào)。調(diào)整后爆破試驗(yàn)炮孔布置如圖8。
圖8 第3次爆破試驗(yàn)炮孔布置圖(單位:m)
(3)單孔裝藥量不變,根據(jù)實(shí)際炮孔進(jìn)行裝藥,即周邊孔由25孔變?yōu)?2孔,單孔裝藥量0.45kg變?yōu)?.3kg,裝藥量由11.25kg調(diào)整為9.6kg。累計(jì)裝藥量:37.2kg。雷管選擇:采用四序起爆(僅周邊孔和底孔33~68號(hào)選用7段非電雷管,其余均與第1次爆破試驗(yàn)一樣)。
(4)爆破效果:圍巖巖體穩(wěn)定條件較差,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、局部夾泥、層間結(jié)合差,拱頂右側(cè)有煤線層;隧洞采用全斷面開(kāi)挖,放炮后隧洞斷面成型差,頂拱右側(cè)存在20cm厚掉塊,右側(cè)邊墻局部超挖0.1~0.2m超挖,邊墻呈鋸齒狀,殘孔率10%左右,洞渣最遠(yuǎn)拋擲距離30m,爆堆塊度普遍直徑約20~40cm,適宜扒渣機(jī)裝渣見(jiàn)圖9。周邊混凝土監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)1~3的最大爆破振動(dòng)速度分別為0.36、0.45、0.41cm/s。實(shí)測(cè)爆破振速低于爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。爆破振動(dòng)沒(méi)有對(duì)周?chē)ǎ?gòu))筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響,地表無(wú)新增裂隙,表明爆破對(duì)周?chē)ǎ?gòu))筑物影響極小。
圖9 第3次爆破后隧洞成型圖
(1)隧洞采用全斷面開(kāi)挖形式,周邊成型采用光面爆破施工,每循環(huán)控制在2m范圍內(nèi),巖層破碎或自穩(wěn)性差時(shí)隨挖隨襯;巖層條件較好時(shí)在排危后作隨機(jī)錨桿簡(jiǎn)易支護(hù),掘進(jìn)2循環(huán)后一并初期支護(hù)。
(2)受制于巖層結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致各向異性,洞臉徑向成型較差,鉆孔作業(yè)時(shí)鉆桿角度與洞軸線、圍巖層面存在較大夾角。鉆孔過(guò)程應(yīng)在相鄰已成孔內(nèi)插入外露導(dǎo)向桿,作為炮孔作業(yè)的方向參照。
(3)光面爆破周邊孔經(jīng)驗(yàn)值0.4m已滿(mǎn)足成型要求,但光面殘孔率低,個(gè)別部位存在欠挖巖坎。主要原因是起爆未采用導(dǎo)爆索起爆,裝藥間隔過(guò)大,炮孔堵塞嚴(yán)重不足。
(4)底孔造孔位于設(shè)計(jì)開(kāi)挖線上,爆破時(shí)對(duì)隧洞底板造成震動(dòng)破壞,雨季洞內(nèi)存在滲水,加上施工遺水,重載車(chē)輛反復(fù)碾壓,造成底板超挖,經(jīng)濟(jì)成本提高。后續(xù)底板開(kāi)挖時(shí)應(yīng)預(yù)留0.2m作為保護(hù)層,模筑襯砌前采用機(jī)械對(duì)個(gè)別欠挖部分鑿除。
(5)軟硬互層圍巖通過(guò)試驗(yàn)表明,爆破參數(shù)應(yīng)選第3次爆破試驗(yàn)參數(shù),最佳單次藥量37.2kg。
(6)有水地段爆破炸藥應(yīng)采用乳化炸藥,其他段應(yīng)采用銷(xiāo)銨炸藥,雷管類(lèi)別可選電雷管、毫秒管(奇數(shù)段1~7段,嚴(yán)格控制最大一段的裝藥量)、導(dǎo)爆索,起爆形式應(yīng)選各序孔并聯(lián),起爆電雷管串聯(lián),導(dǎo)爆管起爆。
(1)調(diào)整掏槽孔間距、輔助孔及周邊孔間距是控制圍巖爆破效果有效方式,軟硬互層狀圍巖需根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)縮小各孔間距。
(2)城門(mén)洞型斷面的側(cè)壁和頂拱是爆破活動(dòng)中的較為薄弱段,軟硬互層圍巖爆破應(yīng)根據(jù)側(cè)壁和頂拱爆破效果進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)應(yīng)在隧洞底部布置一定的保護(hù)層預(yù)留。
(3)軟弱互層圍巖的層面在爆破設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮,隧洞洞向?yàn)轫槍用娣较驎r(shí)洞頂易形成凌空導(dǎo)致超挖,垂直層面且與層面呈大角度相交時(shí),易產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)性掉塊。
(4)人工智能、大數(shù)據(jù)是近些年發(fā)展的重點(diǎn),隧洞爆破過(guò)程中應(yīng)適時(shí)加入智能監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際的圍巖情況、爆破效果及炸藥性能等監(jiān)測(cè)成果,及時(shí)不斷完善調(diào)整爆破參數(shù),進(jìn)而達(dá)到提高爆破質(zhì)量、控制施工成本等目的。
(1)走出高質(zhì)量發(fā)展是新時(shí)代的進(jìn)擊之路,倡導(dǎo)各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展是大趨勢(shì)、大方向,視情況隨時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)優(yōu)化是隧洞工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的重要一環(huán)。
(2)西南地區(qū)軟硬互層巖隧洞爆破參數(shù)優(yōu)化,總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為類(lèi)似爆破工程設(shè)計(jì)、爆破參數(shù)優(yōu)化、施工管理、成本控制提供有價(jià)值的參考。