廣昆鐵路三棵樹隧道光面爆破施工技術(shù)

陳國(guó)平，葛 斌，張光宇

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093;2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校測(cè)繪學(xué)院，云南昆明 650033;3.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)有限公司第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢 430010)

云南省山地高原約占全省總面積的94%左右，給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)巨大困難。成昆線廣通至昆明段擴(kuò)能改造工程是云南省修建的首個(gè)預(yù)留時(shí)速200 km技術(shù)條件的山區(qū)雙線鐵路。該段鐵路隧道多且長(zhǎng)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，普通爆破方法已不能滿足施工要求。

光面爆破施工可以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，增強(qiáng)圍巖的自承能力，特別是在不良地質(zhì)條件下效果更為顯著，既可以減少危石和支護(hù)的工程量，又可保證施工安全。光面爆破使開(kāi)挖面平整，巖石無(wú)破碎，減少了裂隙，可以顯著減少超挖或欠挖量。光面爆破與普通爆破相比，超挖量可由15% ～20%降低到4% ～7%，不但減少出渣量，而且還很大程度地減少了支護(hù)工作量，從而降低成本，加快施工進(jìn)度［1-2］。

本文以廣昆鐵路三棵樹隧道施工為例，介紹光面爆破技術(shù)的應(yīng)用，可供同類工程參考。

1 工程概況

三棵樹隧道位于云南省祿豐縣境內(nèi)，線路里程DK984+815—DK992+190，隧道全長(zhǎng)7 375 m，為雙線Ⅰ級(jí)電氣化鐵路。主要地層為:粉質(zhì)黏土、塊石土、中厚層狀砂巖夾泥巖、泥灰?guī)r、泥巖夾砂巖、礫巖，呈現(xiàn)一系列微波狀褶皺構(gòu)造，節(jié)理以垂直節(jié)理發(fā)育為主，出現(xiàn)巖溶、巖堆、膨脹巖、石膏、涌水、突泥等不良地質(zhì)。施工揭露的地質(zhì)狀況與區(qū)段和設(shè)計(jì)圖標(biāo)示的地質(zhì)狀況存在較大差別。施工掘進(jìn)過(guò)程中曾出現(xiàn)掉塊、坍落，嚴(yán)重威脅到施工安全，影響施工進(jìn)度和質(zhì)量，增加了施工成本。根據(jù)鐵路隧道“新奧法”施工需要和工程地質(zhì)條件，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定采用光面爆破施工技術(shù)控制隧道開(kāi)挖成型質(zhì)量。

2 光面爆破方案

大斷面隧道光面爆破施工有兩種方法:一是預(yù)留光爆層法;二是全斷面一次性開(kāi)挖法。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況及本合同段圍巖地質(zhì)情況，三棵樹隧道采用全斷面一次性開(kāi)挖法，如圖1所示。

2.1 爆破參數(shù)選擇

光面爆破參數(shù)選擇主要考慮地質(zhì)條件，其次是炸藥的品種與性能、隧道開(kāi)挖斷面的形狀與尺寸、裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方法。三棵樹隧道出口段主要為Ⅲ級(jí)圍巖，全斷面法開(kāi)挖斷面的面積為113.74 m2。采用硝銨炸藥，周邊眼采用空氣間隔裝藥，其他炮眼采用連續(xù)柱狀裝藥，采用火雷管和塑料導(dǎo)爆管孔內(nèi)微差非電毫秒雷管起爆。嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，盡可能使藥沿炮眼均勻分布，這是實(shí)現(xiàn)光面爆破的重要條件。需要注意的是在光面爆破中，周邊眼間距、最小抵抗線［3］、相對(duì)距系數(shù)［4-7］、裝藥密度是相互制約的。

2.1.1 最小抵抗線

周邊眼最小抵抗線與開(kāi)挖的隧道斷面大小有關(guān)。若斷面跨度大，光爆眼所受到的夾制作用小，巖石比較容易崩落，最小抵抗線可以大些;若斷面小，光爆眼所受到的夾制作用大，最小抵抗線可以小些。最小抵抗線與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造也有關(guān)，堅(jiān)硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石最小抵抗線可大些。三棵樹隧道最小抵抗線為50～80 cm。

圖1 全斷面一次性開(kāi)挖法炮眼布置及圍巖開(kāi)挖示意(單位:cm)

2.1.2 相對(duì)距系數(shù)

相對(duì)距系數(shù)K是周邊眼間距與最小抵抗線的比值，是影響爆破效果的重要因素，計(jì)算公式為K=E/B。其中，E為周邊炮眼間距，cm;B為最小抵抗線，m;K總是 ＜1，當(dāng) E在40～50 cm，B在0.5～0.8 m時(shí)，K應(yīng)在0.5～1.0。

2.2 裝藥量及光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 裝藥量計(jì)算

光面爆破裝藥量的計(jì)算，主要是確定周邊光爆孔炮眼裝藥集中度，一般采用試驗(yàn)方法求得或參考同類工程選取，裝藥量計(jì)算公式為q=QaB。其中，q為裝藥集中度，kg/m;Q為單位體積耗藥量，kg/m3;a為周邊眼間距，m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，參考施工經(jīng)驗(yàn)，并用計(jì)算法進(jìn)行校核，確定q為0.15～0.25 kg/m。

2.2.2 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式

光面爆破采用不耦合裝藥，一般不耦合系數(shù)為1.5～2.0，將按裝藥集中度計(jì)算出的藥量均勻裝入炮眼內(nèi)。為克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)藥卷，使光爆層易于脫離巖體。施工中采用圖2所示的裝藥結(jié)構(gòu):①1/2普通標(biāo)準(zhǔn)藥卷(φ32)起爆;②小直徑藥卷(φ25)間隔裝藥。

圖2 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 光面爆破起爆順序

起爆順序?yàn)?掏槽眼—輔助眼(擴(kuò)挖眼)—底板眼—二周邊眼(內(nèi)圈眼)—周邊眼。采用多段微差起爆(由內(nèi)向外)，其中主爆區(qū)的周邊眼比輔助眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆區(qū)使用非電毫秒雷管，光爆區(qū)用導(dǎo)爆索一次同時(shí)起爆。

根據(jù)工程實(shí)際，確定三棵樹隧道光面爆破參數(shù)如表1所示。隧道全斷面開(kāi)挖斷面面積113.74 m2，掘進(jìn)長(zhǎng)度按2.0 m考慮。炸藥單耗量0.75 kg/m3，復(fù)式楔形掏槽槽口尺寸80 cm×240 cm和120 cm×280 cm，周邊眼直徑42 mm，使用小直徑藥卷直徑25 mm，裝藥不耦合系數(shù)1.68。周邊眼間距45 cm，最小抵抗線50～80 cm，相對(duì)距系數(shù)0.6～0.9，單孔裝藥量0.4 kg。采用的全斷面開(kāi)挖爆破裝藥量見(jiàn)表2。

表1 光面爆破參數(shù)

3 施工方法及工藝流程

3.1 鉆爆機(jī)具材料的選擇

鉆孔采用18臺(tái)YT-28型鑿巖機(jī)和6臺(tái)20 m3空壓機(jī)，人工鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，一字形合金鋼鉆頭。周邊眼采用φ25 mm小直徑藥卷，其余炮眼采用φ32 mm×200 mm2巖石硝銨炸藥。引爆采用電雷管，爆破網(wǎng)絡(luò)采用塑料導(dǎo)爆管連接孔內(nèi)微差非電毫秒雷管起爆，掏槽眼采用該型號(hào)雷管以擴(kuò)大掏槽效果。

3.2 光面爆破施工工藝流程

3.2.1 施工測(cè)量放樣定位

鉆眼前，測(cè)量人員用徠卡LEIKA-802(免棱鏡)全站儀，準(zhǔn)確定出隧道中心線和拱頂面高程;用紅油漆畫出開(kāi)挖輪廓線，并標(biāo)出炮眼位置，其誤差不得超過(guò)5 cm;每次測(cè)量放線之前，要對(duì)上次爆破斷面用隧道斷面儀進(jìn)行檢查，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以達(dá)到最佳爆破效果。

表2 全斷面開(kāi)挖爆破裝藥量

3.2.2 鉆眼

1)掏槽眼。深度、角度按設(shè)計(jì)施工，眼口間距誤差和眼底間距誤差不得＞5 cm。

2)輔助眼。深度、角度按設(shè)計(jì)施工，眼口排距、行距誤差均≤5 cm。

3)周邊眼。開(kāi)眼位置在設(shè)計(jì)斷面輪廓線上的間距誤差不得＞5 cm;周邊眼外斜率不得＞5 cm/m，眼底不得超出開(kāi)挖斷面輪廓線10 cm，最大不得超過(guò)15 cm。內(nèi)圈眼至周邊眼的排距，誤差不得＞5 cm;炮眼深度＞2.5 m時(shí)，內(nèi)圈眼與周邊眼宜采用相同的斜率。鉆眼裝藥率調(diào)整，當(dāng)開(kāi)挖面凹凸較大時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況調(diào)整炮眼深度并相應(yīng)調(diào)整裝藥量，力求所有炮眼(除掏槽眼外)眼底在同一垂直面上。鉆眼完畢，按炮眼布置圖進(jìn)行檢查并做好記錄，不符合要求的炮眼應(yīng)重鉆，經(jīng)檢查合格后，方可裝藥爆破。

3.2.3 炮眼布置

1)先布置掏槽眼，在巖層層理明顯時(shí)其方向應(yīng)盡量垂直于層理，掏槽眼應(yīng)比其他眼加深20 cm。

2)周邊眼嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線布置，在硬巖層中，周邊眼的眼口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線上，眼底超出輪廓線＜10 cm;在軟巖中，周邊眼的眼口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)＜8 cm，眼底落在輪廓線上。

3)輔助眼按均勻分布的原則布置。

4)已裝藥的炮眼應(yīng)及時(shí)用炮泥堵塞、密封，周邊眼的堵塞長(zhǎng)度不宜＜20 cm，其余炮眼的堵塞長(zhǎng)度不宜＜35 cm，且堵塞密實(shí)，嚴(yán)禁用紙箱等易燃物進(jìn)行堵塞。

3.2.4 清孔裝藥

裝藥前用小直徑高壓風(fēng)管將炮眼內(nèi)石屑吹凈，裝藥需分片，分組按炮眼設(shè)計(jì)圖確定的裝藥量自上而下進(jìn)行，雷管要“對(duì)號(hào)入座”不得混裝。所有炮孔均用炮泥堵塞，堵塞長(zhǎng)度周邊眼≥20 cm，其它眼≥35 cm。周邊眼采用小直徑藥卷配導(dǎo)爆索，以增加不耦合系數(shù)和爆破時(shí)的緩沖作用，炮孔裝藥均采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。

3.2.5 連接起爆網(wǎng)絡(luò)

起爆網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式網(wǎng)絡(luò)，以保證起爆的可靠性和準(zhǔn)確性。導(dǎo)爆管采用四通管連接，不能打結(jié)和拉伸，各類炮眼雷管連接段數(shù)相同。引爆雷管應(yīng)用絕緣膠布包扎在離一根導(dǎo)爆管自由端15 cm處，聚能穴背向傳爆方向，網(wǎng)絡(luò)連好后要有專人負(fù)責(zé)檢查后再起爆。

4 光面爆破施工控制

1)對(duì)所有爆破作業(yè)人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，以提高操作熟練程度，并派專人負(fù)責(zé)每茬炮掌子面穿中畫弧點(diǎn)炮眼工作，把技術(shù)素質(zhì)高的鉆工安排在拱部作業(yè)。

2)選用低爆速、低猛度、低密度、傳爆性能好、爆炸威力大的巖石硝銨炸藥。

3)用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，光面爆破不耦合系數(shù)為1.5～2.0，但藥卷直徑不應(yīng)小于該炸藥的臨界直徑，以保證穩(wěn)定傳爆。

4)嚴(yán)格掌握與周邊眼相鄰的內(nèi)圈眼的爆破效果，為周邊眼爆破創(chuàng)造臨空面。炮眼深度＞2.5 m時(shí)，內(nèi)圈眼應(yīng)與周邊眼有相同的外插角，應(yīng)盡量同時(shí)起爆。

5)控制周邊眼裝藥集中度，必要時(shí)采取間隔裝藥結(jié)構(gòu)，為克服眼底巖石的夾制作用，可在眼底加強(qiáng)裝藥。

6)當(dāng)巖石層理明顯時(shí)，炮眼方向應(yīng)盡量垂直于層理面，如節(jié)理發(fā)育，炮眼應(yīng)盡量避開(kāi)節(jié)理，以防卡鉆和影響爆破效果。

7)邊墻要順幫打眼，即把握炮眼外插的同時(shí)，還要注意炮眼坡度要與隧道縱向坡度一致。同一作業(yè)平臺(tái)內(nèi)避免出現(xiàn)扇形組合炮眼，在兩作業(yè)平臺(tái)之間避免出現(xiàn)“V”型炮眼組合。

5 工程效果

三棵樹隧道Ⅲ級(jí)圍巖開(kāi)挖全部實(shí)行光面爆破，現(xiàn)已開(kāi)挖地段光爆效果良好:爆破后周邊炮眼痕跡保存率達(dá)80% ～90%，兩茬炮銜接臺(tái)階最大尺寸為8 cm，超欠挖量?jī)H為5%左右，比非光面爆破的超欠挖量低得多(達(dá)20%);巖渣塊度較小且均勻，利于裝渣，節(jié)省了裝運(yùn)時(shí)間;減少支護(hù)投入，降低工程造價(jià)，節(jié)約了隧道開(kāi)挖成本;同時(shí)巖面爆破平整，應(yīng)力集中小，減少了安全隱患。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，三棵樹隧道采用光面爆破后明顯節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，在每一個(gè)施工循環(huán)中，清理危石或補(bǔ)炮縮短20 min，初期支護(hù)縮短20 min，裝渣及出渣縮短20 min，且方便了后續(xù)工序的施工。

同時(shí)，光面爆破比非光面爆破減少超挖量15%，按現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)平均超挖值為10 cm，即每米少開(kāi)挖約2 m3，減少同強(qiáng)度等級(jí)噴射混凝土超挖回填量約2 m3，同時(shí)也節(jié)省了火工品和因非光面爆破所造成的圍巖破碎所需錨桿、鋼筋網(wǎng)等初期支護(hù)的工程量。

［1］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

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［3］于書翰，杜謨運(yùn).隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

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