楊 瑞,羅韓軍,陳雁斌,張小寧,馮少華

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司,陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展,交通建設(shè)規(guī)模不斷擴大,但由于西部地區(qū)地勢崎嶇、多山,大規(guī)模建設(shè)山嶺隧道成為一項艱巨任務(wù)。目前,主要采用鉆爆法進行山嶺隧道的施工建設(shè),通過鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、支護和出渣等工序來掘進隧道。然而,鉆爆法施工存在可控性差、超欠挖風(fēng)險大、施工條件差、爆破自由面少、炸藥消耗量大等缺點[1-3]。這些問題給隧道施工帶來的困難和風(fēng)險,可能導(dǎo)致人員傷亡、機械損壞和工期延誤等不良后果[4]。

鑒于此,一種能按照設(shè)計輪廓爆破巖體、能控制超欠挖、能使圍巖不受明顯破壞的光面爆破技術(shù)提出并逐漸被廣泛應(yīng)用[5]。顧浩杰[6]介紹了光面爆破工法的爆破施工參數(shù)及起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要點,并詳細探討了石方開挖光面爆破施工技術(shù)及爆破控制措施,在有效推進施工進度的同時,減少了不必要的地質(zhì)破壞。簡強[7]為提高光面爆破技術(shù)在小斷面隧道施工中的應(yīng)用效果,概述了光面爆破技術(shù)基本原理,并研究了光面爆破技術(shù)操作要點,為相關(guān)隧道工程參數(shù)優(yōu)化方向提供有益參考。毛國賓等[8]以云南大紅山銅礦巷道為工程背景,優(yōu)化裝藥量、炮孔布置、線裝藥密度、炮孔間距及光爆層厚度等參數(shù),改善了超欠挖狀況,炮孔利用率從81%提高到了87.7%,眼痕率從53.3%提高到了80%,提升了炮孔利用率且爆后輪廓面光滑平整。朱耀璋[9]為得到高地應(yīng)力作用下互層軟巖隧道爆破施工參數(shù),在甘肅尖山隧道互層軟巖段采用光面爆破,考慮炮孔直徑和炮眼間距2種水平因素,與原隧道設(shè)計輪廓進行對比分析,得到光面爆破可更好地控制超欠挖。陳林等[10]運用LS-DYNA軟件建立隧道爆破模型,研究不同傾角節(jié)理時同種周邊眼光面爆破參數(shù)下的爆破效果,研究發(fā)現(xiàn)層狀節(jié)理圍巖下隧道爆破產(chǎn)生明顯的超欠挖現(xiàn)象,且超欠挖量與傾角大小成負(fù)相關(guān)。雖然光面爆破技術(shù)可提高施工效率,但在復(fù)雜的地質(zhì)條件下,仍可能遇到困難。巖層變化、地下水、斷層等因素可能導(dǎo)致爆破效果不理想,需在實踐中進行調(diào)整和改進爆破,計算和校核爆破安全距離。總體而言,光面爆破技術(shù)在隧道施工中具有一定的應(yīng)用價值,但仍需進一步研究和改進。

本文以蘭合鐵路西固隧道為背景工程,針對原有非光面爆破方案引起的圍巖受損程度嚴(yán)重、巖層出現(xiàn)嚴(yán)重破碎或斷裂,及在某些爆破區(qū)域挖掘深度超過預(yù)期或未達到預(yù)期要求等難題,對光面爆破方案進行參數(shù)優(yōu)化,安全距離校核后在施工現(xiàn)場隧道掘進中應(yīng)用,以期控制超欠挖,實現(xiàn)更穩(wěn)定的巖層條件,提高施工效率,減少資源浪費和額外的修復(fù)工作,并為山嶺隧道確定合理的光面爆破參數(shù)提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

西固隧道位于甘肅省蘭州市西固至劉家峽區(qū)間,為雙洞單線隧道,左右線隧道分修,左線起訖里程DK1+652.03—DK17+428,長13 433m,右線起訖里程DYK4+200—DYK17+255,長13 049m;本標(biāo)段隧道施工共18個掌子面,其中進口施工4.331km;1號斜井施工6.256km,2號斜井施工6.283km,3號斜井施工4.967km,4號斜井施工4.645km。隧道地理位置如圖1所示。

圖1 隧道地理位置Fig.1 Location of the tunnel

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)

1)地質(zhì)構(gòu)造 蘭州地區(qū)經(jīng)歷了強烈的新構(gòu)造運動,主要表現(xiàn)為間歇性的垂直上升和下降運動,從而形成多個級別的階地。這些階地間的高差非常顯著,區(qū)域性上升和下降運動頻繁,引起劇烈的斷裂,形成了獨特的二元結(jié)構(gòu)地貌。隧址區(qū)在大地構(gòu)造上屬祁連山褶皺系,位于中祁連中間隆起帶二級構(gòu)造單元內(nèi)。

2)水文地質(zhì) 標(biāo)段范圍內(nèi)有零星地表流水,其中進口段為黃河右岸高階地,地表多為農(nóng)田耕地,在灌溉季節(jié)溝渠及農(nóng)田中多有灌溉水。洞身地表沖溝多為季節(jié)性流水沖溝,僅在雨季暴雨時有瞬時洪流。本標(biāo)段隧道地下水對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生硫酸鹽化學(xué)侵蝕及鹽類溶解結(jié)晶侵蝕,其中DK3+995—DK5+250(DYK3+971—DYK5+250)硫酸鹽侵蝕H4,氯鹽侵蝕L3,鹽類結(jié)晶破壞Y4,其他地段不同程度存在鹽類侵蝕或結(jié)晶破壞。

2 光面爆破技術(shù)

2.1 光面爆破技術(shù)要求

采用控制爆破開挖時,在正洞、斜井及正洞、斜井與連接通道交叉口開展爆破振速監(jiān)測,應(yīng)急封堵墻爆破振動速度≤1.0cm/s,正洞、正洞與斜井交叉口處爆破振動安全允許振速≤3.5cm/s,斜井與連接通道交叉口處爆破振動安全允許振速≤15cm/s。連接通道與正洞凈距小于30m段采用機械開挖,減小對圍巖的擾動。

光面爆破參數(shù)的選擇受多個因素的影響。首先考慮的是地質(zhì)條件,不同的地質(zhì)條件對爆破參數(shù)有重要影響;其次,炸藥的品種和性能也是一個關(guān)鍵因素;此外,隧道開挖斷面的形狀和尺寸,及裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方法等因素也會對參數(shù)的選擇產(chǎn)生顯著影響。因此,在進行光面爆破時,需綜合考慮以上因素來確定最合適的爆破參數(shù)。西固隧道控制爆破開挖段主要為Ⅲ級、Ⅳ級圍巖,采用2號巖石乳化炸藥,周邊孔為光爆孔和預(yù)裂孔,選擇不耦合間隔裝藥的方式,以實現(xiàn)特定的爆破效果。另外,在其他炮眼上采用連續(xù)柱狀裝藥的方法,以滿足不同區(qū)域的需求。為精確控制爆破序列并確保安全,引入導(dǎo)爆索和毫秒延期導(dǎo)爆雷管(MS1,MS3,MS5,MS7,MS9,MS11,MS13)分段間隔起爆,從而起到減小爆破振動、增強爆破效果、降低爆破單耗的作用。

光爆孔和預(yù)裂孔一般應(yīng)采用間斷不耦合裝藥,但由于孔深較淺,單孔裝藥量小,若將炸藥直接裝入底部,可能造成超挖;若將炸藥裝在炮眼中部,則可能形成欠挖。針對上述情況,一個關(guān)鍵條件是對周邊炮眼進行嚴(yán)格的裝藥量控制,并采用合理的裝藥系數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu),盡可能使炸藥沿炮眼均勻分布,以確保爆破效果的一致性和可控性。其中不耦合系數(shù)、孔間距和外插角等對控制隧道的超欠挖起決定性作用,因此周邊孔爆破參數(shù)對隧道爆破質(zhì)量極其重要。

2.2 光爆參數(shù)

2.2.1鉆爆機具

西固隧道掘進爆破,采用YT24型、YT28型氣腿式風(fēng)動鑿巖機進行人工鉆孔,保證鉆孔直徑為42mm;為確保爆破的安全性和連貫性,采用φ32的2號巖石乳化炸藥,應(yīng)用雙電雷管引爆系統(tǒng),通過在炮眼內(nèi)部使用起爆傳爆裝置,實現(xiàn)爆破效果的傳導(dǎo);同時采用跳段雷管來擴大掏槽的效果。

2.2.2不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)D是指炮眼直徑dk與藥卷直徑di的比值。在周邊眼設(shè)計中,需確保爆炸后施加在炮眼壁上的壓力不超過圍巖的抗壓強度。經(jīng)過西固隧道的實踐驗證,當(dāng)圍巖為軟巖時,最佳緩沖效果和光爆效果可在不耦合系數(shù)為2.0～2.5之間實現(xiàn)。這種范圍內(nèi)的不耦合系數(shù)選擇對于爆破工作效果最佳。

為實現(xiàn)控制爆炸效果并確保合適的周邊眼設(shè)計,對周邊眼沿長度方向進行2號巖石乳化炸藥的切割,使其相當(dāng)于φ20小藥卷。這樣的設(shè)計使周邊眼的不耦合系數(shù)D=42/20=2.1,符合D=2.0～2.5的要求。不耦合系數(shù)是光面爆破中的重要影響因素之一,合理的不耦合系數(shù)可控制對炮孔壁的損傷,并確保周邊孔的爆破損傷區(qū)范圍可控。通過以上措施,可有效控制光面爆破效果,并確保施工過程中的安全性和可控性。

2.2.3周邊眼間距、最小抵抗線和相對距系數(shù)

最小抵抗線的確定與開挖隧道斷面大小密切相關(guān)。當(dāng)斷面跨度較大時,光爆眼所受到的夾制作用較小,巖石易崩落,因此可將最小抵抗線設(shè)置得較大。當(dāng)斷面較小時,光爆眼所受到的夾制作用較大,因此可將最小抵抗線設(shè)置得較小。此外,最小抵抗線的設(shè)定還會受到巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造的影響,堅硬的巖石可設(shè)定較小的最小抵抗線,松軟破碎的巖石可設(shè)定較大的最小抵抗線。對于西固隧道標(biāo)段而言,隧洞巖質(zhì)主要為軟巖,因此確定最小抵抗線W的范圍為0.40～0.70。這樣的設(shè)定有助于確保施工過程中的穩(wěn)定性和安全性。

相對距系數(shù)是用來衡量周邊眼之間距離E與最小抵抗線W之間關(guān)系的一個比值,對爆破效果具有重要影響。K值在隧道領(lǐng)域取值為小于1的數(shù)值,當(dāng)藥卷直徑di取值為38～46mm時,E通常為 30～50cm,W取值為50～100cm,此時,K的取值范圍為0.5～0.8。考慮到該爆區(qū)巖石節(jié)理較發(fā)育,并參照規(guī)范周邊眼間距取值范圍40～50cm,周邊眼間距取45～48cm,根據(jù)試爆后及隨著開挖巖層的不同適時進行調(diào)整優(yōu)化。炮眼間距取值45cm,最小抵抗線值取80cm,K=E/W=0.562 5。

2.2.4炮眼裝藥系數(shù)

周邊眼的裝藥集中度采用規(guī)范取值范圍0.07～0.15kg/m3,針對現(xiàn)場圍巖情況,選取0.15kg/m3,其他炮眼填充系數(shù)為:掏槽眼75%,輔助眼70%,底板眼75%。

2.2.5周邊孔裝藥量

若炮孔裝藥量過小,可能無法產(chǎn)生足夠的爆炸能量,導(dǎo)致無法有效地破碎圍巖。相反,若炮孔裝藥量過大,可能引起過度破壞,超出設(shè)計范圍,導(dǎo)致圍巖斷裂、塌方等嚴(yán)重問題。因此,合理控制炮孔裝藥量的大小至關(guān)重要。通過科學(xué)的設(shè)計和調(diào)整,確保炮孔裝藥量適中,可實現(xiàn)光面爆破的預(yù)期效果,并最大限度地降低對圍巖的不必要損傷。光爆孔采用線裝藥密度計算單孔裝藥量:

Q1=qmL

(1)

式中:qm為線裝藥密度,通常取0.10～0.20kg/m,本工程取0.20kg/m;L為炮孔深度(m)。

計算得,單孔裝藥量Q1=400g=0.4kg。

2.2.6循環(huán)進尺

結(jié)合西固隧道現(xiàn)場實際情況,隧道開挖循環(huán)進尺的確定主要由以下幾方面因素確定。

1)根據(jù)所采用的鉆孔機具確定,用氣腿式風(fēng)動鑿巖機鉆孔時,一般鉆孔深度以不超過3.0m為宜。

2)按照隧道開挖的施工規(guī)范和支護要求,每循環(huán)進尺通常按2榀計算,即拱架間距為0.90m時,每循環(huán)進尺按1.80m規(guī)劃;拱架間距為1.0m時,每循環(huán)進尺按2.0m規(guī)劃?？紤]到鉆孔的有效利用率,則應(yīng)根據(jù)巖石特性,適當(dāng)增加超鉆深度。

3)根據(jù)掏槽形式來確定。當(dāng)前國內(nèi)水平孔垂直掏槽最大深度約為5.0m,再深鉆孔速度會顯著下降。

4)根據(jù)施工要求的月進度進行循環(huán)進尺計算:

(2)

式中:l為鉆孔深度(循環(huán)進尺);L為按月進度要求的炮孔深度,設(shè)計規(guī)劃Ⅴ級圍巖平均月進度為50m;n1為每一個循環(huán)需要的小時數(shù);n為每月能掘進的天數(shù),平均作業(yè)每月可取30d,單行作業(yè)在采用噴錨支護時取27d,如采用永久性支護時取18～20d;η為炮孔利用率,一般取0.8～0.9;η1為循環(huán)率,一般為80%～90%。

3 光面爆破施工技術(shù)

蘭合鐵路西固隧道為雙洞單線分修特長隧道,其中Ⅲ級圍巖的長度各占隧道洞身總長的29%左右,Ⅳ,Ⅴ級圍巖占約71%。圍巖掘進采用光面爆破法,Ⅲ級圍巖采用全斷面施工,而Ⅳ級和Ⅴ級圍巖采用臺階法或三臺階法進行臨時橫撐施工。若使用大型機械設(shè)備進行施工,則Ⅳ,Ⅴ級圍巖采用微臺階法施工,洞地段采用明挖法施工。

3.1 光爆施工參數(shù)

光爆孔按照預(yù)定間距布置,但在實際施工過程中,參數(shù)會根據(jù)效果進行調(diào)整。若效果不理想,工程中會采取少裝藥、多鉆孔,以減少每次裝藥的數(shù)量。西固隧道圍巖鉆眼布置如圖2所示,爆破技術(shù)參數(shù)如表1所示。鉆孔深度4.5m,掏槽眼、底板眼孔深4.8m,炮眼利用率90%,每循環(huán)進尺3.87m,炸藥單耗1.0kg/m3。間隔裝藥用竹片綁扎,導(dǎo)爆索配合,均勻放置于孔內(nèi)。本計算斷面未考慮實際外放尺寸,施工中可用12cm的噴射混凝土調(diào)節(jié)。

表1 光面爆破參數(shù)Table 1 Smooth blasting parameter

圖2 鉆眼布置示意(單位:cm)Fig.2 Drilling arrangement(unit:cm)

3.2 光爆施工裝藥

1)掏槽孔、擴槽孔和輔助孔均采用連續(xù)密實裝藥結(jié)構(gòu),反向起爆。

2)光爆孔一般應(yīng)采用間斷不耦合裝藥,由于孔深較淺且單孔裝藥量較小,可采用空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。這種方法將藥卷切段,并將其捆綁在導(dǎo)爆索或雷管上。然后將這些藥卷分別放置在炮孔后部孔底和炮孔中部的適當(dāng)位置。在孔口段,使用炮泥堵塞20～40cm長度,剩余部分不裝填堵塞物,保持前后藥卷之間為空氣。通過這種方式,能在淺孔條件下有效控制爆破效果,并確保施工的安全性,不耦合裝藥如圖3所示。

圖3 不耦合裝藥示意Fig.3 Uncoupled charge

3.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)毫秒延時起爆網(wǎng)路,孔外采用簇聯(lián)形式連接,如圖4所示。為給孔外傳爆留一定的時間間隔,孔內(nèi)相比于孔外應(yīng)采用段別高、延時長的雷管。

圖4 簇聯(lián)起爆網(wǎng)路示意Fig.4 Cluster initiation network

4 光面爆破安全校核與效果評價

4.1 光面爆破振動安全校核

1)設(shè)計爆破安全允許振速

設(shè)計爆破安全允許振速距正洞≤3.5cm/s,距豎井橫通道封堵墻≤1cm/s,距正洞與斜井交叉口≤1.5cm/s。

2)爆破振速計算

根據(jù)GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》爆破地面振動速度計算:

V=K(Q1/3/R)α

(3)

式中:V為保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速;R為爆破振動安全允許距離;Q為炸藥總量,延時爆破為最大單段藥量(MS11),取77.6kg;K,α為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù),按表2選取,軟巖石選取K=250,α=1.8。

表2 爆破區(qū)不同巖性的K,α值Table 2 K and α values of different lithology in blasting area

4.2 光面爆破飛石安全距離

爆破飛石的飛散距離是劃定爆破安全警戒范圍和確定防護等級的主要依據(jù):

Rf=20Kfn2W

(4)

式中:Rf為爆破飛石安全距離;Kf為安全系數(shù),一般取1.0～1.5;n為爆破作用指數(shù),取1;W為最小抵抗線,取0.8m。

取Kf=1.5,計算得Rf=24m,即個別飛石飛散距離的計算結(jié)果為24m。

4.3 光面爆破質(zhì)量效果

采用非光面爆破方案施工時的超欠挖現(xiàn)象如圖5所示。由圖5可知,非光面爆破方案雖每次單循環(huán)爆破掘進進尺滿足需求,但爆破導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)大量裂縫和斷裂,這些裂縫可能會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響,爆破引起的震動和應(yīng)力導(dǎo)致輪廓面不平整,圍巖出現(xiàn)凸起和凹陷部分。

圖5 非光面爆破導(dǎo)致超欠挖現(xiàn)象Fig.5 Non-smooth blasting leads to overbreak and underbreak phenomenon

這主要是由于非光面爆破的單次爆破裝藥量較大且主要集中在炮孔底部,爆破能量在巖體中分布不均勻,導(dǎo)致孔底處圍巖破碎嚴(yán)重,位于孔底區(qū)域的圍巖破碎程度明顯增加,孔底殘留清晰可見的縱向裂縫,這些裂縫可能在巖體中延伸,并對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響?？椎赘浇膰鷰r被過度破碎和破壞,導(dǎo)致挖掘超出了預(yù)期范圍。爆破能量不足區(qū)域可見“掛口”現(xiàn)象,出現(xiàn)欠挖。

光面爆破效果如圖6所示。由圖6可知,通過優(yōu)化調(diào)整炮眼參數(shù)和提高炮孔堵塞質(zhì)量,爆破能量在巖體中的分布更均勻,這使爆破產(chǎn)生的巖石塊狀物明顯變小,碎石程度增加,從而改善了爆破后巖石塊過大的現(xiàn)象,使后續(xù)的出渣工作更加順暢和高效。且采用不耦合裝藥方式極大地提高了炸藥利用率,爆炸沖擊應(yīng)力波對于周邊圍巖的破碎效果較穩(wěn)定,形成的輪廓壁面光滑平整,整體受力穩(wěn)定性能較好,極大地改善了超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生,減少了二襯噴射混凝土的用量,獲得了較好的光面爆破效果,圍巖的連續(xù)性和完整性基本未受到爆破作用的影響。

圖6 光面爆破效果Fig.6 Smooth blasting effect

根據(jù)光面爆破后的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測得到,炮眼利用率提高至93%～95%,遠高于光面爆破的基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。隧道開挖輪廓光滑平整,不平整度在12cm以內(nèi),平均線性超挖量由非光面爆破的25cm減小為14cm,局部欠挖量從18cm下降到5cm范圍以內(nèi),隧道開挖輪廓斷面的平整度得到有效提高,降低了后續(xù)施工難度,炮孔利用率從75%提高到90%以上,炸藥能量的利用率也得到了提升,使沖擊波峰值壓力被削弱,極大地減小了爆破作用對圍巖造成的破裂與損傷。

5 結(jié)語

1)山嶺隧道圍巖環(huán)境復(fù)雜,全斷面開挖采用非光面爆破耦合裝藥時,炸藥產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆生氣體的作用時間縮短,爆炸無用功增加,炸藥的使用利用率較低,爆破后觀察到圍巖遭受到了嚴(yán)重的破裂和斷裂,輪廓面出現(xiàn)了明顯的凸起和凹陷不平,超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重。

2)采用光面爆破方案對蘭合鐵路西固隧道進行開挖,炮孔利用率提升93%～95%;隧道周壁的不平整度在12cm以內(nèi),成功控制了超欠挖問題。相比于非光面爆破,平均線性超挖量顯著減小,由25cm降低至14cm,局部欠挖量從18cm下降到5cm范圍以內(nèi),取得了良好的爆破效果。

3)采用優(yōu)化爆破參數(shù)后的光面爆破方案,可獲得光滑連續(xù)的隧道開挖輪廓面,極大地降低了對圍巖的干擾和破壞程度,從而顯著提高了掌子面作業(yè)的安全性;超欠挖的控制對二次襯砌的質(zhì)量保證至關(guān)重要,減少噴射混凝土用量既能保證施工進度,又能實現(xiàn)成本節(jié)約。