光面爆破技術在新武家莊隧道掘進中的應用

邵曉寧，張道振

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001;2.浙江民能爆破工程咨詢有限公司，杭州 310012)

光面爆破技術是一種控制巖體開挖輪廓的爆破技術［1］，由于爆破后形成的輪廓規(guī)則，對圍巖擾動輕，超欠挖量少，在隧道掘進中被大量使用。廣大爆破工程技術者在長期工程實踐中，總結(jié)出了很多光面爆破設計參數(shù)的半經(jīng)驗半理論公式和方法［2-3］，這些研究成果對于指導工程實踐起到了很好的效果。目前對大斷面軟巖隧道掘進中光面爆破參數(shù)的研究成果不多，有必要加強這方面工作。

1 工程概況

新武家莊隧道全長258 m。起止點里程D1K1 069+557—D1K1 069+815，隧道按160 km/h客貨共線雙線隧道設計，并預留200 km/h客貨共線條件。隧道最大埋深約為23 m。隧道斷面寬1 380 cm，高1 197 cm，斷面形狀如圖1所示。隧道進口處圍巖為泥巖、泥灰?guī)r，夾少量泥質(zhì)粉砂巖，穩(wěn)定性較差。隧道測繪范圍內(nèi)未見泉點出露，溝谷均干涸，地下水不發(fā)育。隧道位于既有武家莊隧道左側(cè)，進口左線距離既有線路中線約25 m。施工過程中需考慮對既有線路的影響。

圖1 隧道開挖斷面示意(單位:cm)

2 施工方案確定

地質(zhì)勘探工作表明該隧道進口地處Ⅴ級圍巖，進口的穩(wěn)定性較差，容易坍塌。根據(jù)工程的特點和鐵路隧道施工的要求，為保證施工的安全，采用小短距分部開挖技術進行爆破開挖［4］，周邊眼采用光面爆破技術控制開挖輪廓。開挖進尺以支護的2榀為單位，實際取每次掘進進尺為100 cm。

2.1 施工工藝

對傳統(tǒng)的三臺階七部開挖法進行改進，由于采用了小短距臺階方式，取消了預留核心土的步驟。變?yōu)槿_階六部開挖。先超前開挖上臺階，中臺階和下臺階采用左右交錯開挖的方法，最后開挖仰拱?？紤]具體施工條件，臺階爆破炮孔布置成水平孔，仰拱采用垂直孔。具體開挖步驟參見圖1。

2.2 爆破參數(shù)設計

2.2.1 孔徑d

根據(jù)選用的鑿巖工具為手持式風鉆YT28，鉆頭直徑42 mm，炮孔直徑為d=42 mm。選用的藥卷為普通2號巖石炸藥，φ32 mm。

2.2.2 開挖進尺L和炮眼深度l0

根據(jù)預定的開挖進尺L=100 cm，取炮孔深度l0=110 cm，炮孔利用率取0.9。

2.2.3 掏槽方式及參數(shù)

由于開挖斷面比較大，圍巖屬于軟弱圍巖，在保證效果的前提下應盡量減少炮孔數(shù)目。決定采用垂直楔形掏槽。如何設計合理布置掏槽眼及數(shù)目，不僅會對掏槽效果有影響，而且還會影響整個掘進進尺和光面爆破的效果。

1)掏槽眼眼口距a1。根據(jù)幾何關系掏槽眼眼口距與掏槽眼深度可以用式(1)計算［5］

式中，a1為掏槽眼眼口距(cm);l0為炮眼深度(cm);α為炮眼傾斜度數(shù)(°);a0為掏槽眼眼底距(cm)，b=15～20 cm。

眼底距離的選擇一般在10～30 cm左右，巖石硬度較大時取小值，硬度較小時取大值?？紤]進尺較短，采用傳統(tǒng)的方法，孔口距會偏小，帶來的問題是掏槽眼數(shù)目偏多。設計中對掏槽參數(shù)進行了優(yōu)化。眼底距放大到40 cm，炮眼的傾斜角也采用了中等穩(wěn)固巖石常用的65°角，代入式(1)計算后為

2)掏槽眼對數(shù)和數(shù)目。楔形掏槽的炮眼對數(shù)依圍巖的類別而定，布置的原則應是較少的掏槽眼達到較好的效果。對于軟弱圍巖，一般2對4個炮眼就可以掏出較大的自由面，取得較好的掏槽效果。

3)光爆層厚度 B。光爆層就是周邊眼最小抵抗線，光爆層厚度與開挖的隧道斷面大小和巖石的性質(zhì)有關，一般取50～80 cm［6］。該隧道開挖斷面大，巖石夾制力小，又是軟弱圍巖，取較大值75 cm。

4)周邊眼布置及參數(shù)。對于一般的鐵路隧道爆破周邊眼的間距E一般為(8～18)d［7］，理論和實踐均證明光面爆破炮眼間距E與最小抵抗線W之比取0.8時可以取得較好的爆破效果［8］，即

由公式(2)計算可得E=m×W=0.8×75 cm=62 cm。

以上理論計算表明，在一般隧道掘進中采用這種周邊眼布置方式可以取得較好的光面效果。對于軟弱圍巖是否適用還有待工程實踐檢驗。參照上述結(jié)論進行周邊眼布置爆破后，發(fā)現(xiàn)靠近周邊眼的地方超挖現(xiàn)象非常突出。本著“多打眼，少裝藥”的原則，及時對周邊眼進行了調(diào)整，把周邊眼距離縮短到40 cm，同時對裝藥結(jié)構(gòu)也進行了改進。

5)掘進眼布置及參數(shù)。掘進眼的眼距通常應大于抵抗線，小于炮眼的深度，根據(jù)相關經(jīng)驗炮眼間距a與抵抗線 W 之間有［8-10］:

根據(jù)式(3)確定掘進眼的眼距在70～90 cm左右，布置時為保證爆破效果可以以小抵抗線，大眼距為基本原則。臺階左右交錯開挖時，應考慮自由面的影響，右臺階的參數(shù)比左臺階約增加10%。

6)炸藥單耗q。隧道爆破中實際采用的q值通常在0.7～2.5 kg/m3之間，對于大斷面的軟巖隧道，應該降低。參照工程類似經(jīng)驗數(shù)據(jù)取q=0.6 kg/m3。

7)理論總裝藥量Q。隧道掘進爆破中，在一定的進尺前提下，爆破的總裝藥量與掘進進尺成正比。

8)理論單眼裝藥量Q0及眼數(shù)N。根據(jù)經(jīng)驗公式炮眼單眼裝藥量在軟巖隧道掘進中取0.25 kg比較合適，斷面炮眼的數(shù)目N可以利用公式(4)進行計算

9)裝藥結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)是把炸藥以一定間隔綁在竹片上，再用膠帶將導爆索與炸藥綁緊。這種裝藥方式不僅裝藥結(jié)構(gòu)復雜，而且費時費力。進行周邊眼眼距設計時縮短了眼距，裝藥時采用了隔眼裝藥技術，兩個裝藥眼之間的空眼起到了定向作用，裝藥方式和結(jié)構(gòu)與掘進眼相同。炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置示意(單位:cm)

10)起爆網(wǎng)路。爆破網(wǎng)路采用一手抓的方式進行網(wǎng)路連接，每個炮孔的雷管均反向裝于眼底的藥包中。炮眼布置和起爆順序見圖2。

3 爆破效果

采用上述光面爆破參數(shù)進行施工后，取得了較好的效果。隧道的輪廓線控制得很好，基本上超欠挖很少，圍巖的穩(wěn)定性也較好，沒有發(fā)生坍塌現(xiàn)象，加快了掘進進度，節(jié)約了支護成本。

4 結(jié)語

1)軟巖隧道掏槽方式和參數(shù)。大斷面隧道常用多級楔形掏槽來保證掏槽效果，對于采用小凈距掘進的軟巖隧道應結(jié)合軟巖巖體特征，采用單級掏槽方式，只要選擇合理的掏槽參數(shù)，同樣可以達到理想的掏槽效果。合理的掏槽方式應是在保證掏槽效果的前提下，以最小的炮眼數(shù)目實現(xiàn)。

2)光面參數(shù)的選擇。進行光面爆破設計，要想取得理想的光面效果，光面參數(shù)的選擇顯得非常重要。考慮軟巖的特點，在這種巖體中鉆孔比較容易，通過減小孔距，增加光爆圈的厚度來進行炮孔布置。

3)裝藥結(jié)構(gòu)的改變。傳統(tǒng)的光面爆破采用間隔裝藥或者不耦合裝藥來達到降低線裝藥密度的效果，這種方法費時費力，利用軟巖巖體特征，適當縮小孔距，采用間隔裝藥，不改變裝藥結(jié)構(gòu)，同樣可以達到減弱裝藥的目的。中間的空孔為起爆孔提供了自由面和定向的作用。形成的輪廓線比較平整。

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