王 凱 李登輝 陳 賓
(中國安能集團第一工程局有限公司,廣西 南寧 530028)
該項目位于甘孜藏族自治州九龍縣,為公路改建工程,其中包括6 座隧道。最大凈空7m×5m(寬×高),最大長度為1480m。隧道洞身段圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主,圍巖結(jié)構(gòu)較完整,節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)Ⅲ、Ⅳ圍巖勘察情況現(xiàn)場施工采用光面爆破技術(shù)進行爆破作業(yè)。
光面爆破的理論研究從20世紀就已開展,目前普遍認為其作用機理為爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用引起圍巖破碎,從而達到所需斷面的效果[1]。其斷面的產(chǎn)生可分為3個階段:爆炸應(yīng)力波通過炮孔作用于巖石上以起爆點為圓心向周邊擴散形成粉碎區(qū),然后通過應(yīng)力波通過折射與反射形成壓縮波使圍巖沿徑向產(chǎn)生裂隙從而發(fā)生破壞,最后爆生氣體在應(yīng)力疊加及高溫高壓的環(huán)境下使裂紋貫穿炮孔從而形成完整斷面。
圍巖條件為Ⅲ級圍巖的隧道采用全斷面光面爆破施工工藝,根據(jù)設(shè)計的炮孔參數(shù)進行放樣,布置炮眼,之后在炮眼內(nèi)布置炸藥并通過毫秒電雷管進行連接和分段引爆,首先引爆的是掏槽區(qū)的炮孔,其次是崩落區(qū)的炮孔,最后為周邊眼的炮孔。通過引爆各個炮孔最終形成完整的隧道斷面,從而向前推進。
在隧道工程的設(shè)計圖紙中并未給出炮孔的設(shè)計參數(shù),因此在實際施工中大多是憑經(jīng)驗或簡單的計算得出炮眼的布置方案。但這種方案在實際施工中的爆破效果并不理想,體現(xiàn)在炮眼保留率過低和圍巖超欠挖現(xiàn)象嚴重等不利影響。因此科學(xué)合理的炮眼布置方案能有效減少或規(guī)避該風(fēng)險。
光面爆破中的炮眼按其作用和影響可分為掏槽眼、崩落眼和周邊眼三種。其中周邊眼是布置在隧道輪廓周邊的炮眼,其炮眼參數(shù)是爆破后隧道輪廓是否平整的關(guān)鍵因素,也深度影響爆破效果。因此該文將對周邊眼的參數(shù)設(shè)計進行計算。
通過查閱相關(guān)文獻[2-3]和資料,周邊孔的計算參數(shù)主要由徑向不耦合系數(shù)D、周邊孔間距E、最小抵抗線W與裝藥集中度ql這4 個部分組成。
徑向不耦合系數(shù)D計算如公式(1)所示。
周邊孔間距E計算如公式(2)所示。
式中:dk、dl分別為炮孔直徑和藥卷直徑,cm;[σc]為隧道圍巖的抗壓強度,Pa;α為表征爆生氣體性質(zhì)的常數(shù);r為爆生氣體的絕熱指數(shù);P0為爆生氣體的初始壓力,Pa;kp為巖石抗破壞屈服系數(shù)。
最小抵抗線W采用豪柔公式進行計算,如公式(3)所示。
式中:ql為線裝藥密度;q為炸藥單耗。
在設(shè)計中E與W應(yīng)綜合考慮,記E與W的比值為m,為周邊孔的密集系數(shù),對密集系數(shù)的取值,m過大會導(dǎo)致圍巖欠挖現(xiàn)象嚴重,而m過小會導(dǎo)致圍巖超挖現(xiàn)象嚴重,大量隧道施工經(jīng)驗表明當(dāng)m在0.8~1 時,形成的斷面效果最好。
單位長度炮孔內(nèi)的炸藥量即裝藥集中度,如公式(4)所示。
式中:kl為裝藥軸向不耦合系數(shù);dc為炮孔半徑,m;ρo為炸藥密度,g/m3。
通過設(shè)計圖紙及地勘資料,并結(jié)合工程實際情況,選擇2 號巖石乳化炸藥,其相關(guān)參數(shù)見表1。
表1 乳化炸藥主要性能參數(shù)
聯(lián)立公式(1)~公式(4),得到Ⅲ級圍巖光面爆破周邊孔的設(shè)計參數(shù),基于篇幅原因崩落孔及掏槽孔的計算不詳細列出,最終Ⅲ級圍巖光面爆破的設(shè)計參數(shù)見表2。
表2 光面爆破設(shè)計參數(shù)
具體炮孔布置示意如圖1所示。
圖1 炮孔布置平面圖(單位:mm)
圖1 中單位均為mm,炮孔編號的具體意義見表2。合理設(shè)計炮孔參數(shù)后應(yīng)在施工中結(jié)合圍巖實際地質(zhì)條件通過多次試驗對參數(shù)進行微調(diào),以達到更好的光面爆破效果。
在打孔階段,周邊孔的開孔位置應(yīng)避開圍巖節(jié)理裂隙復(fù)雜交叉處[4],可在周邊孔連線上稍作平移,控制孔間距≤50cm,若周邊孔的部分位置進行調(diào)整,后續(xù)炮孔位置也因按要求依次調(diào)整。
周邊孔N1 與N2 以空氣作為隔斷采用不耦合間隔裝藥,其余炮孔均采用不耦合連續(xù)裝藥。周邊孔孔口應(yīng)使用炮泥進行堵塞,長度應(yīng)≥20cm,掏槽孔炮泥應(yīng)填滿無炸藥區(qū)域,崩落孔炮泥堵塞長度應(yīng)>抵抗線W 的80%。炮泥應(yīng)有一定的黏性與強度,可采用細砂與黃土按2 ∶1 的比例混合制成。因為炮孔均采用不耦合裝藥,所以采用竹片綁扎并用導(dǎo)爆索連接炸藥。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
導(dǎo)爆索采用“T”形連接形式,起爆方式為非電毫秒延時雷管聯(lián)網(wǎng)分段起爆,按預(yù)定的順序逐排微差起爆。
鉆孔精度也是光面爆破成型效果的主要影響因素,精度不夠會造成嚴重的超欠挖現(xiàn)象,嚴重影響施工進度,增加施工成本。在選擇鉆孔設(shè)備的過程中,應(yīng)結(jié)合實際情況,該項目選擇自制臺車與YT-28 型手風(fēng)鉆孔。要控制鉆孔精度,須對周邊眼的鉆孔進行精確控制,就單個周邊眼炮孔的精度而言,其超欠挖高度h由炮孔位置e,孔深l與外插角θ有關(guān),而超欠挖高度h的控制是斷面輪廓是否平整的關(guān)鍵因素。具體計算如公式(5)所示。
由公式(5)可知,h與e、L、θ呈正相關(guān)關(guān)系。對實際工程而言,考慮安全因素一次開挖的距離是有限制的,炮孔深度一般是固定的,因此可以從精確炮孔位置e,減少外插角θ的偏差2 個方面入手。
從測量放樣、開眼、鉆眼幾個方面控制炮孔位置。在測量放樣方面測量人員應(yīng)準確標注炮孔的位置,標記應(yīng)醒目顯眼,誤差控制在±5cm 內(nèi)。標記位置后,鉆孔人員應(yīng)由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn),經(jīng)驗豐富的工人進行鉆孔作業(yè),掏槽孔與周邊孔的開眼精度控制在±5cm 內(nèi),同時由于掌子面圍巖存在凹凸不平的現(xiàn)象,鉆孔作業(yè)人員應(yīng)及時調(diào)整炮眼位置與深度,盡量保證炮眼底部能處于同一垂直平面內(nèi)。
減少外插角θ的偏差可從輔助設(shè)備的選取與施工工藝上進行控制。該項目周邊眼外插角θ應(yīng)控制在2°~3°,對掏槽孔來說,第一排N6 角度為49.7°,第二排N7 角度為58.4°,第三排N8 角度為65.7°,在打孔過程中常常出現(xiàn)手風(fēng)鉆劇烈抖動的情況,對控制角度有一定的不利影響,因此在手風(fēng)鉆的輔助固定設(shè)備上因選用固定性強的設(shè)備,在施工工藝上周邊眼可引入長、短眼爆破技術(shù)[5],通過合理布置長短眼眼位充當(dāng)周邊眼的作用,該技術(shù)可避免因開挖臺車因作業(yè)空間狹小造成成孔不規(guī)范進而引起超挖嚴重的現(xiàn)象。
安裝炸藥前,應(yīng)用風(fēng)槍吹凈鉆孔產(chǎn)生的粉塵,并用炮棍對孔內(nèi)雜質(zhì)情況進行復(fù)查,按用藥要求將炸藥分組對應(yīng)后,周邊孔按計算出的每孔用藥量與間距進行不耦合裝藥,其余孔連續(xù)裝藥,雷管段應(yīng)“對號入座”。對炮孔位于巖面凹凸不平整處,其炮孔的裝藥量應(yīng)隨孔深長短進行相應(yīng)地調(diào)整。在炸藥裝填過程中應(yīng)按相關(guān)要求和規(guī)范進行操作,以免對結(jié)構(gòu)造成損傷。
制作炮泥不應(yīng)采用易燃材料,對周邊孔炮泥堵塞長度應(yīng)≥20cm,對連續(xù)裝藥的掏槽孔應(yīng)堵塞至炸藥端部,其余孔堵塞長度應(yīng)不小于抵抗線的80%,并且不小于40cm,在堵塞過程中要妥善保護網(wǎng)路。
聯(lián)網(wǎng)時應(yīng)注意單個擊發(fā)雷管與塑料導(dǎo)爆管的連接根數(shù)應(yīng)≤24 根,并且在連接的節(jié)點部位應(yīng)控制綁扎位置與塑料導(dǎo)爆管端頭的距離>15cm。不應(yīng)拉緊網(wǎng)絡(luò)連接的自由下垂,炮孔內(nèi)的雷管需對應(yīng)防止錯段,用于起爆網(wǎng)絡(luò)連接的中間連接雷管須選相同段且為小段位的雷管,不應(yīng)使用高段雷管影響爆破效果。
連接起爆網(wǎng)絡(luò)后,在起爆前應(yīng)將洞內(nèi)人員疏散至安全區(qū)域,并應(yīng)有兩人以上的爆破員成立爆破檢查組,保障爆破安全,當(dāng)起爆網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜或規(guī)模較大時應(yīng)有專業(yè)的技術(shù)人員進行指導(dǎo)實施,確保爆破效果。
隧道爆破后應(yīng)采取有效的防塵措施,如通風(fēng)、噴淋等,完成后應(yīng)由專人對隧道內(nèi)的有害氣體與爆炸產(chǎn)生的粉塵進行濃度檢測,并與規(guī)范要求做對比。隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)根據(jù)隧道斷面大小與作業(yè)人員進行確定,風(fēng)速控制在6m/s 以內(nèi),人均空氣量應(yīng)大于等于3m3/min。
達到空氣質(zhì)量要求后,應(yīng)進行裝渣出渣作業(yè),在作業(yè)前須檢查圍巖是否處于穩(wěn)定狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)圍巖松動甚至有塌方的風(fēng)險時應(yīng)先進行處理再進行出渣,出渣過程如果發(fā)現(xiàn)盲炮應(yīng)及時上報,讓專業(yè)爆破人員進行處理,處理后重新引爆炸藥達到預(yù)計的開挖輪廓線。
裝渣過程分為人工與機械裝渣。人工裝渣時應(yīng)先將車輛停穩(wěn)后制動并通過漏斗進行裝渣作業(yè),漏斗應(yīng)設(shè)置安全防護裝置并保證裝渣作業(yè)人員之間能順暢聯(lián)絡(luò),接渣時漏斗口下方應(yīng)禁止人員通行。機械裝渣時應(yīng)為裝渣機與挖掘機留有足夠的操作平臺,由于現(xiàn)場環(huán)境嘈雜與視野盲區(qū)應(yīng)在作業(yè)半徑內(nèi)禁止人員通行,機械裝渣時應(yīng)注意避開原有的支護結(jié)構(gòu),不能進行破壞。
該工程通過理論結(jié)合經(jīng)驗的方式完成了爆破施工參數(shù)的設(shè)計,再通過對鉆孔精度的控制,在楊家坪1#號隧道中應(yīng)用光面爆破效果后,其光爆效果如圖3所示。
圖3 光面爆破炮眼痕跡保留率
由圖3 可知,隧道作業(yè)合理使用光面爆破后,炮眼殘痕率清晰,斷面輪廓平整,超欠挖得到有效控制,通過對隧道5 次爆破循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,并與相關(guān)規(guī)范條文[6]進行比較,結(jié)果見表3。
表3 光面爆破質(zhì)量統(tǒng)計對比
由表3 結(jié)果可知,5 類檢測項目均滿足規(guī)范要求。通過應(yīng)用光面爆破技術(shù),爆破效果良好,超欠挖得到有效控制,局部欠挖率不足6%,工程的施工成本相應(yīng)減少,提高了工程進度。
該文通過對光面爆破各關(guān)鍵部分進行研究,在實際工程中進行應(yīng)用,得到以下3 個結(jié)論:1)結(jié)合理論及經(jīng)驗得出的光面爆破設(shè)計參數(shù)經(jīng)試驗驗證合理。2)鉆孔精度由多方面因素決定,在實際施工中應(yīng)著重從控制炮孔位置,減少外插角度偏差入手。3)通過數(shù)據(jù)分析,光面爆破施工取得了良好的經(jīng)濟效益,并縮短了施工工期。