毛益松,梁兵,莫志平

(1.國(guó)防科技大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.湖南交通工程學(xué)院高科技研究所, 湖南 衡陽(yáng)市 421001;3.湖南長(zhǎng)工工程建設(shè)公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410003)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

G59湖南省官莊至新化高速公路第10合同段項(xiàng)目部位于湖南省安化縣古樓鄉(xiāng)境內(nèi),設(shè)有3座隧道,分別為赤水溪隧道、土墻院隧道、向家隧道。全長(zhǎng)3955 m,其中,左洞總長(zhǎng)1960 m,右洞總長(zhǎng)1995 m。隧道由Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖組成,且Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖所占比例分別為45.52%、32.26%和19.22%。隧道開(kāi)挖斷面如圖1所示,以Ⅴ級(jí)圍巖SⅤa襯砌為例:寬12.7 m,高10.64 m,面積111.9 m2。隧道Ⅴ級(jí)圍巖地質(zhì)屬志留系下統(tǒng)(S1),板巖夾變質(zhì)砂巖地層,弱—中風(fēng)化層巖質(zhì)較硬,節(jié)理裂隙較發(fā)育,多微張,多呈塊狀、碎塊狀?yuàn)A柱狀,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為27.4～41.1 MPa。隧道穿過(guò)多個(gè)斷層破碎帶,地質(zhì)變化大,圍巖穩(wěn)定性差,據(jù)統(tǒng)計(jì),Ⅴ級(jí)圍巖不同襯砌變換的最短距離為10 m,爆破參數(shù)選取變化大,爆破技術(shù)要求高。

圖1 隧道開(kāi)挖斷面設(shè)計(jì)圖(單位:c m)

1.2 開(kāi)挖方法

依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)規(guī)定[1]和湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司《G59湖南省官莊至新化高速公路第10合同段隧道設(shè)計(jì)圖》[2]可知:隧道Ⅲ級(jí)圍巖采用長(zhǎng)臺(tái)階法,Ⅳ級(jí)圍巖采用短臺(tái)階法,Ⅴ級(jí)圍巖采用環(huán)形開(kāi)挖法,其中,Ⅴ級(jí)圍巖有SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4種襯砌形式,襯砌類型參數(shù)及使用地段見(jiàn)表1。據(jù)統(tǒng)計(jì),SⅤa和SⅤb兩種襯砌形式總長(zhǎng)度達(dá)到371 m,加上SⅤc襯砌遇到地質(zhì)變化時(shí)改變施工方法的長(zhǎng)度,占總長(zhǎng)度的15%以上。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖襯砌類型參數(shù)及使用地段

2 爆破技術(shù)方案

2.1 工法優(yōu)化

設(shè)計(jì)中SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4種襯砌形式采用環(huán)形開(kāi)挖法,即留環(huán)形開(kāi)挖核心土法。為了隧道開(kāi)挖快速施工、操作簡(jiǎn)便、降低成本,根據(jù)超前鉆孔地質(zhì)探測(cè)和施工經(jīng)驗(yàn)分析,當(dāng)上臺(tái)階掌子面圍巖的自穩(wěn)性好,不需要預(yù)留核心土能夠達(dá)到安全施工時(shí),將表1中SⅤa、SⅤb的環(huán)形開(kāi)挖留核心土法和三臺(tái)階法工法相互轉(zhuǎn)換[3-4],即取消上臺(tái)階核心土法,采用三臺(tái)階法,上臺(tái)階工作面用簡(jiǎn)易臺(tái)車代替,如圖2所示。若探測(cè)到掌子面自穩(wěn)性難以保證時(shí),立即取消臺(tái)架,恢復(fù)預(yù)留上臺(tái)階核心土法。

圖2 三臺(tái)階法臺(tái)車(單位:cm)

2.2 三臺(tái)階法爆破施工方案

采取三臺(tái)階法進(jìn)行爆破開(kāi)挖方案時(shí),首先,爆破施工后挖掘機(jī)清理爆渣形成臺(tái)階護(hù)坡[3],如圖3所示的,臺(tái)階回填部分的作用除了便于施工外,主要是給掌子面臺(tái)階面增加一個(gè)側(cè)壓力;其次,用楔形掏槽形式爆破開(kāi)挖三臺(tái)階掌子面①部,松動(dòng)爆破中臺(tái)階和下臺(tái)階的②、③、④、⑤部,并施作初期支護(hù)緊跟;再次,用裝載機(jī)通過(guò)此護(hù)坡拖回簡(jiǎn)易臺(tái)架,出渣①部,并及時(shí)進(jìn)行后期支護(hù),施工時(shí)中臺(tái)階開(kāi)挖左側(cè)約2/3寬度,右側(cè)約1/3寬度,便于上下施工機(jī)械設(shè)備。

圖3 巖石渣體臨時(shí)護(hù)坡(單位:cm)

三臺(tái)階法爆破技術(shù)措施要點(diǎn):

(1)三臺(tái)階法在保證機(jī)械正常工作和圍巖穩(wěn)定性許可的情況下,上臺(tái)階使用簡(jiǎn)易臺(tái)車,安裝鋼拱架、噴漿施工方便靈活,對(duì)異常情況的處理更有效,保證施工作業(yè)人員設(shè)備的安全;

(2)臺(tái)階長(zhǎng)度為6～10 m。過(guò)長(zhǎng)時(shí),初期支護(hù)短期內(nèi)得不到封閉,不利于初期支護(hù);過(guò)短相互影響嚴(yán)重,不利于施工效率的發(fā)揮;

(3)中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),懸空工字鋼拱架為2榀,且不得在同一環(huán)上,前后需錯(cuò)位2～3 m,確保圍巖穩(wěn)定。

3 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 臺(tái)階開(kāi)挖高度確定

三臺(tái)階法施工的關(guān)鍵在于上臺(tái)階的爆破開(kāi)挖,臺(tái)階高度矢跨比控制在0.3以上[4]。以SⅤa襯砌為例,上臺(tái)階高度3.80 m,開(kāi)挖斷面積31.85 m2;中臺(tái)階高度3.15 m,開(kāi)挖斷面積39.10 m2;下臺(tái)階(帶仰拱)高度3.73 m,開(kāi)挖斷面積40.70 m2,如圖4所示。本文主要闡述三臺(tái)階法鉆爆施工參數(shù)設(shè)計(jì)及工藝。

圖4 三臺(tái)階法上中下臺(tái)階高度及面積(單位:cm)

3.2 上臺(tái)階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 循環(huán)進(jìn)尺及炮孔深度

循環(huán)進(jìn)尺:由于該隧道地段為Ⅴ級(jí)軟弱圍巖,開(kāi)挖后自穩(wěn)時(shí)間在10～16 h。根據(jù)支護(hù)工作的跟進(jìn)速度,每次開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺L=1.5 m,初期支護(hù)鋼架間距為0.5 m/榀或0.6 m/榀。

炮孔深度:炮孔深度l0為1.7 m。

3.2.2 掏槽孔形式及掏槽孔參數(shù)

掏槽孔形式:槽腔爆破效果決定整個(gè)上臺(tái)階的爆破效果,考慮上臺(tái)階炮孔所處位置和巖石的夾制作用很大,采用三對(duì)楔形掏槽孔形式,三臺(tái)階法的上臺(tái)階炮孔及掏槽孔設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 上臺(tái)階炮孔布置及掏槽孔設(shè)計(jì)(單位:cm)

楔形掏槽參數(shù):第1排掏槽角α=50°;炮孔間距為0.5～0.6 m;孔口距離為3.2 m,孔底距離為0.4 m,掏槽炮孔長(zhǎng)度為2.21 m。

擴(kuò)槽孔布置及參數(shù):槽腔內(nèi)設(shè)計(jì)二排擴(kuò)槽孔,其目的是用以擴(kuò)大掏槽的體積。把槽腔內(nèi)碎石送出槽外,為下一級(jí)爆破提供新的臨空面,為保證爆破效果,保證不補(bǔ)炮。

考慮到此臺(tái)階扇形掌子面高3.8 m、寬10.96 m,距離掏槽孔0.6 m、0.70 m處布置2排擴(kuò)槽孔,角度為60°、75°,炮孔長(zhǎng)度為1.88 m、1.76 m,炮孔數(shù)量各為2×2個(gè)。

3.2.3 其他炮孔布置及參數(shù)

(1)掘進(jìn)孔布置及參數(shù)[6]。掘進(jìn)孔為周邊孔爆破創(chuàng)造有利條件。掘進(jìn)孔應(yīng)交錯(cuò)均勻地布置在周邊孔與掏槽孔之間,并適當(dāng)傾斜或垂直于開(kāi)挖面打孔,力求爆下的石渣塊體大小適合裝渣要求。掘進(jìn)孔炮孔間距為0.85～0.9 m,抵抗線W=0.6～0.9 m,炮孔深度為1.7 m,炮孔數(shù)量:二圈孔13個(gè),壓爆孔2個(gè),其他孔2個(gè),總共為17個(gè)。

(2)周邊孔布置及參數(shù)。周邊孔參數(shù):依據(jù)文獻(xiàn)[1]和爆破經(jīng)驗(yàn)取軟巖數(shù)據(jù),其周邊孔間距E=0.3～0.5 m,實(shí)際取0.5～0.55 m;光爆層厚度V=0.4～0.6 m,實(shí)際取0.6 m。經(jīng)計(jì)算,周邊孔數(shù)量為27個(gè)。周邊孔深度為1.7 m。

(3)底板孔布置及參數(shù)。底板孔垂直于開(kāi)挖面打孔,孔距為0.80～1.2 m,底孔抵抗線W=0.70～0.85 m,炮孔深度為1.7 m,炮孔數(shù)量為11～13個(gè)。

3.2.4 裝藥量計(jì)算

(1)按照體積法計(jì)算。上臺(tái)階爆破炸藥單耗[5]平均按q=0.6～0.8 kg/m3取值,上臺(tái)階體積為54.15 m3,則裝藥量Q上=32.49～43.32 kg。

(2)按照?qǐng)D解法計(jì)算。根據(jù)圖5計(jì)算,炮孔數(shù)為67個(gè),上臺(tái)階裝藥量為35.7 kg。

(3)周邊孔裝藥集中度。按照文獻(xiàn)[1],板巖軟巖按q=0.15 kg/m取值。

Ⅴ類圍巖三臺(tái)階法上臺(tái)階爆破參數(shù)見(jiàn)表2,三臺(tái)階上臺(tái)階鉆爆經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 隧道Ⅴ類圍巖三臺(tái)階法上臺(tái)階爆破參數(shù)

表3 三臺(tái)階法上臺(tái)階鉆爆經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

3.2.5 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

上臺(tái)階起爆順序?yàn)樘筒劭住鷶U(kuò)槽孔→輔助孔→周邊孔→底板孔;起爆方式采用1～13段毫秒延時(shí)導(dǎo)爆管雷管(15段較少采用),利用圈(排)間的毫秒差延時(shí)起爆;起爆網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)延時(shí)起爆,每個(gè)炮孔內(nèi)裝一發(fā)相對(duì)應(yīng)毫秒導(dǎo)爆管雷管,將約20根導(dǎo)爆管采用“一把抓”的方式捆扎1束,為第一次“過(guò)橋”,每1束導(dǎo)爆管再用2發(fā)1段導(dǎo)爆管雷管,一般要求反向連接,最后再將“過(guò)橋”雷管捆扎1束,用高能起爆器起爆塑料導(dǎo)爆管直至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

3.3 中下臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)

(1)中下臺(tái)階炮孔設(shè)計(jì):由于中下臺(tái)階的開(kāi)挖都有上面、側(cè)面和立面三個(gè)自由面,因此,中臺(tái)階可以適當(dāng)減少炮孔數(shù)量,其周邊孔、輔助孔和底板設(shè)計(jì)圖如圖6(a)、圖6(b)所示。

圖6 中下臺(tái)階炮孔設(shè)計(jì)(單位:cm)

(2)中下臺(tái)階爆破參數(shù):隧道Ⅴ級(jí)圍巖三臺(tái)階法中下臺(tái)階藥量分配見(jiàn)表4。

表4 三臺(tái)階開(kāi)挖法中下臺(tái)階爆破藥量分配

4 結(jié)論與建議

三臺(tái)階法在山嶺隧道Ⅴ級(jí)圍巖爆破施工實(shí)踐,尤其在板巖地質(zhì)條件中具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)上臺(tái)階施工空間大,可直接用挖土機(jī)扒渣后裝車和裝載機(jī)吊運(yùn)鋼拱架,與預(yù)留核心土法相比,工效可提高20%～30%;

(2)炮孔布置能適合鉆機(jī)鉆孔;

(3)爆破施工可以在上臺(tái)階和中下臺(tái)階左右5個(gè)作業(yè)面進(jìn)行,上臺(tái)階采用楔形掏槽方式,減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng),增加了爆破臨空面,降低了炸藥單耗;

(4)簡(jiǎn)易臺(tái)車制作設(shè)備投入少,操作性強(qiáng),三臺(tái)階的上臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)是二臺(tái)階上臺(tái)階爆破的縮小版,爆破技術(shù)易掌握。

建議及時(shí)跟進(jìn)沉降位移檢測(cè)工作,嚴(yán)格控制下臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)尺。