淺論光面爆破成縫機(jī)理的實(shí)踐應(yīng)用——隧道開挖中不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)周邊孔光爆質(zhì)量的影響

徐建東

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概況

新吉坪隧道是滬昆高速鐵路客運(yùn)專線中的一條較長(zhǎng)隧道，該隧道東起湖南省湘鄉(xiāng)市潭市鎮(zhèn)清泉村，西至湖南省湘鄉(xiāng)市棋梓鎮(zhèn)峽山村，起止里程為DK94+045～DK101+724，全長(zhǎng)7 679 m，其中Ⅱ級(jí)圍巖245 m，Ⅲ級(jí)圍巖2 903 m，Ⅳ級(jí)圍巖4 020 m，Ⅴ級(jí)圍巖511 m。洞身段圍巖主要有黑云母花崗巖、泥質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、砂巖、石灰?guī)r等，整體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，工程地質(zhì)條件較差。

該隧道主要采用新奧法原理施工，洞身開挖采用鉆爆法，根據(jù)圍巖級(jí)別不同初期支護(hù)方式分別采取噴射砼結(jié)合鋼拱架或鋼筋格柵支護(hù)，Ⅳ級(jí)圍巖與Ⅴ級(jí)圍巖的二次襯砌為鋼筋砼，Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)圍巖的二次襯砌為素砼。

2 光面爆破成縫機(jī)理的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 光面爆破成縫機(jī)理

炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波由炮孔向四周傳播，在孔壁及炮孔連線方向出現(xiàn)裂縫，隨后在爆炸氣體的作用下，使原裂縫延伸擴(kuò)大，最后形成平整的開裂面。也就是說，該機(jī)理分為兩個(gè)過程，即應(yīng)力波的作用過程和高壓氣體的作用過程，它們有先后，但又是連續(xù)的不可分割的。第一個(gè)過程是應(yīng)力波的作用，當(dāng)它從孔壁向四周傳開后，產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度而使巖石破裂，最初的裂縫出現(xiàn)在炮孔壁向外的短距離內(nèi)，如果應(yīng)力波在兩孔之間能夠發(fā)生疊加，那么，在此區(qū)段內(nèi)，合成的拉應(yīng)力也能使巖石產(chǎn)生裂縫;第二個(gè)過程是爆炸高壓氣體緊接著應(yīng)力波作用到孔壁上，它作用時(shí)間比應(yīng)力波要長(zhǎng)得多，孔周圍便形成準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，相鄰炮孔相互作用，并互位于應(yīng)力場(chǎng)中，在孔中連線方向產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，孔壁兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，最終拉斷巖石。

根據(jù)最新檢測(cè)結(jié)果表明，炸藥爆炸后在巖石中產(chǎn)生切向拉應(yīng)力到孔壁裂縫的形成時(shí)間極短，僅為1～2 ms，其后應(yīng)力波會(huì)發(fā)生反射形成拉伸應(yīng)力波，對(duì)于光面爆破來說因炸藥能量較小，不會(huì)使巖石裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，該過程發(fā)生在起爆后10～20 ms內(nèi)，隨后的爆炸氣體的氣楔作用是形成光爆面或預(yù)裂面的主導(dǎo)因素。

綜上所說，相鄰炮孔炸藥能否在1～2 ms內(nèi)同時(shí)起爆，是滿足光面爆破成縫機(jī)理的先決條件。

2.2 各種傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)周邊孔光爆質(zhì)量的影響

在隧道開挖中周邊孔爆破發(fā)生超挖時(shí)必須采用噴射砼回填，嚴(yán)重超挖時(shí)必須分層噴射回填，既延長(zhǎng)了施工工序時(shí)間又增加施工成本，造成極大的工期與經(jīng)濟(jì)損失;周邊孔欠挖時(shí)必須采取二次爆破，這種二次爆破造成的對(duì)隧道圍巖的二次擾動(dòng)，增加了隧道的安全隱患，同時(shí)局部欠挖采取二次爆破處理時(shí)又容易引起更大的超挖現(xiàn)象。為加強(qiáng)隧道周邊開挖輪廓質(zhì)量，減少周邊超欠挖情況的發(fā)生，周邊孔設(shè)計(jì)采用光面爆破法施工。

2.2.1 各種傳統(tǒng)光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)各類規(guī)范資料，周邊光爆孔的裝藥結(jié)構(gòu)主要有連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)與間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。其中連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)藥卷主要采用低威力的小藥卷，該裝藥結(jié)構(gòu)由于藥卷需專門針對(duì)各類圍巖定制，在鐵路爆破中不常使用。間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)一種情況是在光爆孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索連接，毫秒延期雷管起爆孔內(nèi)炸藥，通過導(dǎo)爆索起爆孔內(nèi)其它炸藥，稱為混合起爆裝藥結(jié)構(gòu)(見圖1)。

或孔內(nèi)不采用導(dǎo)爆索連接，而是在各藥卷中設(shè)置同段別的毫秒延期雷管起爆，稱為毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖1 混合起爆裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)

還有一種要求孔內(nèi)外連接均采用導(dǎo)爆索，同時(shí)導(dǎo)爆索也作為起爆體起爆炸藥，稱為導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)(見圖3)。

2.2.2 不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)周邊孔光爆質(zhì)量的影響

影響周邊孔光面爆破質(zhì)量的因素主要有周邊孔間距、最小抵抗線、線裝藥密度、成孔質(zhì)量與裝藥結(jié)構(gòu)等。其中周邊孔間距、最小抵抗線、線裝藥密度主要與圍巖類別性質(zhì)相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取;另外成孔質(zhì)量主要由施工操作決定;除去以上因素外，在圍巖狀況相同以及操作水平一樣的情況下，選取不同的裝藥結(jié)構(gòu)會(huì)引起不同的爆破質(zhì)量效果。根據(jù)新吉坪隧道周邊孔光爆試驗(yàn)結(jié)果如下:

混合起爆裝藥結(jié)構(gòu):在Ⅱ級(jí)圍巖中周邊光爆效果較好;在Ⅲ級(jí)圍巖中周邊光爆效果一般，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)半孔殘留率在75%左右，在節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶極易發(fā)生超欠挖現(xiàn)象;在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)較軟弱圍巖中周邊光爆效果較差，尤其在節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶超挖現(xiàn)象比較明顯。見圖4。

毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu):在Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖中周邊光爆效果也不是太好，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)半孔殘留率在60%左右，尤其在節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶超欠挖現(xiàn)象十分明顯;在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)較軟弱圍巖中周邊光爆效果很差，超欠挖現(xiàn)象十分嚴(yán)重，根本無法形成輪廓面，爆破對(duì)于節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶的影響深度深達(dá)50～70 cm。見圖5。導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu):在Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖中周邊光爆效果很好，半孔殘留率基本在95%以上，特別是在節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶基本不會(huì)發(fā)生超欠挖，順利形成較好輪廓面;在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)較軟弱圍巖中也能形成較好的輪廓面，爆破對(duì)于節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶的影響深度一般在20～30 cm。見圖6。

圖3 導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)

圖4 混合起爆裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果圖

圖5 毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果圖

2.3 光面爆破成縫機(jī)理的實(shí)踐應(yīng)用

圖6 軟弱圍巖中導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果

根據(jù)最新光面爆破成縫機(jī)理，分析各種裝藥結(jié)構(gòu)如下:

2.3.1 不合理的裝藥結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今階段，毫秒延期雷管的延期時(shí)間主要靠延期藥的長(zhǎng)短決定，一般同一段別的毫秒延期雷管其延期精度為±12.5 ms，高段位的毫秒延期雷管其延期誤差范圍更大，因此對(duì)于混合起爆裝藥結(jié)構(gòu)和毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)來說，相鄰炮孔同時(shí)起爆的概率較低，所以說這兩種裝藥結(jié)構(gòu)是不合理的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)。

圖7 局部超挖局部欠挖的毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)效果

這也就解釋了該兩種裝藥結(jié)構(gòu)爆破后輪廓性較差、超欠挖現(xiàn)象比較嚴(yán)重的原因。尤其是毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)中所有藥卷均由毫秒延期雷管起爆，藥卷先后起爆是一種不均勻用藥現(xiàn)象，先起爆的藥卷能量極有可能首先影響節(jié)理、裂隙發(fā)育的薄弱結(jié)構(gòu)面，后起爆的藥卷能量則對(duì)該薄弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步向深處發(fā)展，造成該處超挖嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)于其它部位而言這又是一種泄能作用，從而造成局部欠挖，因此，可以理解為這種裝藥結(jié)構(gòu)是一種錯(cuò)誤的光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)。見圖7。

2.3.2 合理的裝藥結(jié)構(gòu)

(1)導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)。導(dǎo)爆索其藥芯采用的是黑索金或太安，其爆速達(dá)6 000～6 500 m/s，一般隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺基本為3 m左右，當(dāng)周邊傳爆主導(dǎo)爆索爆破引爆各炮孔導(dǎo)爆索時(shí)，計(jì)算相鄰3個(gè)炮孔的導(dǎo)爆索總長(zhǎng)度在12 m左右，其爆破時(shí)間在1～2 ms以內(nèi)，滿足光面爆破成縫機(jī)理的先決條件。

(2)復(fù)合起爆裝藥結(jié)構(gòu)。為避免主導(dǎo)爆索與各炮孔導(dǎo)爆索局部綁扎不牢引起個(gè)別炮孔出現(xiàn)盲炮，在每個(gè)炮孔內(nèi)增加一枚同段別的毫秒延期雷管，并在主導(dǎo)爆索與炮孔導(dǎo)爆索連接的相反方向增加一條反向傳爆導(dǎo)爆索，稱之為復(fù)合起爆裝藥結(jié)構(gòu)(具體結(jié)構(gòu)見圖8)，即一旦出現(xiàn)個(gè)別盲炮，其相鄰炮孔的爆破也能引爆該炮孔，其實(shí)質(zhì)仍舊是導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)。

(3)數(shù)碼電子雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)。數(shù)碼電子雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)即將毫秒延期雷管起爆裝藥結(jié)構(gòu)中的毫秒延期雷管更換為數(shù)碼電子雷管。數(shù)碼電子雷管最核心的元件是微型電子定時(shí)器(集成電路塊)，它取代了普通雷管中的延期藥與點(diǎn)火元件，將延時(shí)精度控制在0.2 ms內(nèi)，使得起爆網(wǎng)路具有高精度、高可靠性，完全滿足成縫機(jī)理理論的要求。

圖8 復(fù)合起爆裝藥結(jié)構(gòu)

3 施工經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

通過對(duì)光面爆破成縫機(jī)理理論的深刻理解，結(jié)合新吉坪隧道在開挖過程中碰到的實(shí)際質(zhì)量缺陷，采取較為合理的導(dǎo)爆索起爆裝藥結(jié)構(gòu)與復(fù)合起爆裝藥結(jié)構(gòu)，極大地提高了周邊孔光面爆破質(zhì)量，使得較硬圍巖炮孔殘留率達(dá)到98%以上，較軟圍巖的周邊開挖同樣獲得較好的輪廓性，有效地減少了噴射砼的工序時(shí)間，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益，獲得業(yè)主與監(jiān)理的高度贊揚(yáng)，新吉坪隧道的爆破開挖工作成為全線的一道亮麗風(fēng)景，多次被評(píng)為樣板工序，經(jīng)常被同行單位參觀觀摩，為企業(yè)獲得較高的榮譽(yù)。

由于數(shù)碼電子雷管價(jià)格較貴，不能有效驗(yàn)證其效果，相信隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)碼電子雷管的應(yīng)用必然會(huì)逐步普及。

4 結(jié)束語

人類對(duì)自然科學(xué)的認(rèn)知過程總是不斷曲折前進(jìn)的。人們經(jīng)常將大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為理論知識(shí)，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)被驗(yàn)證為是正確的，有些卻被驗(yàn)證為存在一定的缺陷甚至是錯(cuò)誤。長(zhǎng)期以來，人們總結(jié)光面爆破技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)就是各炮孔能同時(shí)起爆，采用同段別的毫秒延期雷管與導(dǎo)爆索起爆均認(rèn)為是正確的裝藥結(jié)構(gòu)，然而隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，則驗(yàn)證只有導(dǎo)爆索起爆是比較合理的裝藥結(jié)構(gòu)，在不久的將來，隨著數(shù)碼電子雷管的不斷推廣應(yīng)用，其高精度的起爆控制將更加有效提高光面爆破的質(zhì)量。

因此，工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐過程中不僅要不斷總結(jié)豐富自己的經(jīng)驗(yàn)，還要不斷地用最新科學(xué)理論驗(yàn)證自己的經(jīng)驗(yàn)，這樣才能使自己的技術(shù)水平與業(yè)務(wù)能力得到切實(shí)的提高，才能為企業(yè)和社會(huì)多做貢獻(xiàn)。

［1］汪旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［2］高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.