盾構(gòu)隧址區(qū)無(wú)自由面基巖孤石爆破預(yù)處理技術(shù)炸藥單耗確定研究

劉洪震

(中鐵隧道集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的地下工程采用盾構(gòu)施工，而盾構(gòu)施工中所面臨的復(fù)雜多變的地層越來(lái)越難［1－4］?；◢弾r為新生巖石，地層中多以巖漿的形式侵入其他地層中，且這種地層較為多見，當(dāng)盾構(gòu)在這種地層中施工時(shí)，就會(huì)不同程度地存在球狀風(fēng)化巖體和基巖局部侵入隧道開挖斷面的情況。在這種地層條件下，盾構(gòu)刀具無(wú)法有效破除該高強(qiáng)度巖體;同時(shí)由于巖體上部或周圍存在軟弱地層，人工破除操作困難。因此，該類花崗巖地層成為盾構(gòu)工程重大風(fēng)險(xiǎn)源之一。竺維彬等［5］介紹了采用地面引孔下藥施爆的控制鉆爆法，處理深埋地層中的孤石。王鵬華［6］介紹了深埋地層中孤石的處理技術(shù)，這些處理技術(shù)包括:地下深孔爆破、冷凍、地面沖孔和人工挖孔、地表注漿以及盾構(gòu)直接切削。為了確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行，需先期采取相應(yīng)的技術(shù)措施對(duì)該類地層進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)該類地層預(yù)處理多采取爆破處理的方式進(jìn)行，前人多借鑒水下爆破裝藥量計(jì)算公式進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)［7－9］。前人研究認(rèn)為，影響水下爆破炸藥單耗的因素主要有:巖石物理力學(xué)性能參數(shù)、自由面條件、爆破的水深及上覆層厚度、炸藥的性能指標(biāo)等［10］。但針對(duì)深埋地層中的無(wú)自由面巖石的爆破設(shè)計(jì)依據(jù)不應(yīng)簡(jiǎn)單借鑒水下爆破裝藥量計(jì)算公式，該公式?jīng)]有表現(xiàn)爆破后巖石的破碎程度，這也是盾構(gòu)能否順利通過(guò)該地層的關(guān)鍵，本文主要針對(duì)該問(wèn)題開展研究。

1 工程特點(diǎn)

研究主要依托廣東臺(tái)山核電站引水隧洞工程，該核電站循環(huán)冷卻水通過(guò)1#，2#機(jī)組取水隧洞穿越海底，在東南約5 km處的大襟島南側(cè)引入核電廠區(qū)。1#，2#取水隧洞平面軸線為2條平行直線，隧洞中心間距29.2 m，建筑長(zhǎng)度4 330.6 m/條，主要采用大斷面泥水盾構(gòu)施工，最大埋深約55.75 m。隧洞外徑8.7 m，內(nèi)徑7.3 m，該工程為我國(guó)第一條大斷面長(zhǎng)距離的海底盾構(gòu)隧洞工程。

根據(jù)前期地質(zhì)補(bǔ)勘及水域地震反射波的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)取水隧洞的洞身范圍內(nèi)存在花崗巖風(fēng)化殘留體(基巖與孤石)，主要分布在核電岸邊300 m范圍內(nèi)。花崗巖風(fēng)化殘留體與周圍巖體強(qiáng)度相差較大，其單軸抗壓強(qiáng)度大部分為80～120 MPa，甚至更高，而盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)其他周邊風(fēng)化或殘積土層的強(qiáng)度較低。因此，在盾構(gòu)始發(fā)前，需提前對(duì)該地段的花崗巖風(fēng)化殘留體進(jìn)行預(yù)爆破處理。

2 炸藥單耗經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)

本文所討論的是無(wú)自由面巖石爆破，說(shuō)明爆破作用只發(fā)生在巖體內(nèi)部。當(dāng)裝藥只發(fā)生在內(nèi)部作用時(shí)，根據(jù)巖石的變形和破壞情況，孔壁(或峒室)周圍可以分為4個(gè)區(qū)域，即空腔區(qū)、壓碎區(qū)(也叫粉碎區(qū)或粉碎圈、壓碎圈)、破裂區(qū)(也叫裂隙區(qū)或裂隙圈或破裂圈)和震動(dòng)區(qū)(也叫震動(dòng)圈)，如圖1所示。

圖1 無(wú)限介質(zhì)中的爆破作用分區(qū)Fig.1 Zoning of blasting action in unlimited media

當(dāng)巖石產(chǎn)生了大量的裂隙后，代替了盾構(gòu)刀盤上的刀具破巖功能，所以盾構(gòu)到達(dá)該地層時(shí)，就減少了刀具破巖壓力，可以很順利地進(jìn)行掘進(jìn)。爆破預(yù)處理的目的就是使盾構(gòu)隧址內(nèi)的巖石均產(chǎn)生裂隙，爆破設(shè)計(jì)使炮孔間距不大于2倍的破裂圈半徑即可。目前關(guān)于破裂圈半徑的精確計(jì)算公式還沒(méi)有，可采取以下過(guò)程進(jìn)行推導(dǎo)。

一般認(rèn)為巖石爆破的壓碎區(qū)一般不超過(guò)炮孔半徑的3倍，之外的范圍為裂隙區(qū)，壓碎區(qū)理論上可以認(rèn)為是由于巖石的塑性變形或剪切破壞形成的，而裂隙區(qū)則是由巖石的拉伸破壞形成的，當(dāng)巖石某處爆破應(yīng)力產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力大于該處巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石即會(huì)產(chǎn)生裂隙。

切向拉應(yīng)力峰值可通過(guò)徑向壓應(yīng)力峰值求得

式中 b=μ/1－μ(其中μ為泊松比)。

目前工程多為柱狀裝藥，本文重點(diǎn)討論柱狀裝藥，其裂隙區(qū)半徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式按式(2)計(jì)算，沖擊波峰值隨距離衰減的經(jīng)驗(yàn)公式可近似表示為［11－12］:

式中:p為某點(diǎn)的沖擊波峰值壓力;pd為炮孔孔壁的初始爆炸壓力;為比例距離=rc/r0(其中 rc是某點(diǎn)至裝藥中心(軸)的距離;r0是炮孔初始半徑);α為衰減指數(shù)，α=2－μ/(1－μ)(μ為泊松比，它是炸藥性質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)和藥包形狀的函數(shù))。

由式(1)和(2)可推導(dǎo)出裂隙區(qū)半徑

式中［σt］為巖石單向抗拉強(qiáng)度。

裝藥方式不同，炮孔孔壁的初始爆炸壓力計(jì)算方式也不同。

1)當(dāng)耦合裝藥時(shí)，炮孔直徑也是裝藥直徑，此時(shí)pd與炸藥性質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)和巖石性質(zhì)等有關(guān)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里引用日本學(xué)者熊尾日野(Kumao Hino)通過(guò)試驗(yàn)給出柱形藥包的爆炸波在巖石內(nèi)的傳播規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)［13］。

式中:ρw為裝藥密度;D為裝藥爆速;K為常數(shù)(ρw＞1.2 g/cm3時(shí)，K=3;ρw＜1.2 g/cm3時(shí)，K=2.1，因目前多數(shù)工業(yè)炸藥密度小于1.2 g/cm3，本文計(jì)算時(shí)取K為2.1);rb為裝藥半徑;n為爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)，n=8～11;r0為炮孔半徑，則不耦合系數(shù)k=rb/r0。

炸藥單耗

式中:rb為裝藥半徑;L為巖石厚度;m為炮孔間距，為保證區(qū)域內(nèi)巖石充分得到破碎，這里炮孔間距取2倍裂隙區(qū)半徑，即m=2rc。

當(dāng)耦合裝藥時(shí)，由式(3)、(4)和(6)可得炸藥單耗推導(dǎo)公式

當(dāng)非耦合裝藥時(shí)，由式(3)、(5)和(6)可得炸藥單耗推導(dǎo)公式

3 爆破方案

3.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際巖石分布情況及其與隧址間的關(guān)系，采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，炮孔直徑取90 mm，布孔形式采用梅花形結(jié)構(gòu)，孔距a取1.0 m。根據(jù)巖層厚度及與周圍土層的關(guān)系，從最小厚度排炮孔開始起爆，通過(guò)毫秒導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延時(shí)分排起爆，為防止盲炮產(chǎn)生，孔內(nèi)均采用雙發(fā)雷管?？拙W(wǎng)參數(shù)布置示意圖見圖2和圖3。

圖2 爆破炮孔布置平面示意圖Fig.2 Plan layout of blasting holes

圖3 巖石爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Charging structure of blasting holes

3.2 炸藥單耗計(jì)算

3.2.1 炸藥單耗

因受盾構(gòu)開口率、破碎機(jī)及泥水管路輸送能力影響，要求巖石爆破破碎塊度不大于30 cm，爆破設(shè)計(jì)時(shí)，盡量降低爆破后巖石塊度大小。采用推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，根據(jù)本工程地層中巖石特性及所采用的乳化炸藥性質(zhì)，巖石強(qiáng)度為80～130 MPa，為了達(dá)到破碎效果，取單軸抗壓強(qiáng)度為130 MPa的花崗巖進(jìn)行計(jì)算，其［σt］=3.7 MPa，裝藥密度 ρw=1 060 kg/m3，巖石泊松比 μ =0.14，通過(guò)泊松比計(jì)算 b=0.16，α =1.84，采用式(7)計(jì)算q=2.13 kg/m3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用炸藥單耗為2.2 kg/m3進(jìn)行裝藥爆破。

3.2.2 單孔裝藥量確定

根據(jù)理論推導(dǎo)炸藥單耗意義，施工時(shí)單孔裝藥量

式中:Q為單孔裝藥量，kg;q為無(wú)自由面巖石爆破單位炸藥消耗量，kg/m3;a為炮孔間距，m;H為需處理的巖石厚度，m。

根據(jù)盾構(gòu)直徑及周邊環(huán)境，確定鉆孔設(shè)備和炮孔間距，其中炮孔行間距a取1.0 m，代入式(9)得:Q=2.2H。在實(shí)際操作過(guò)程中，根據(jù)調(diào)查所得巖石厚度代入式(9)計(jì)算出每孔的裝藥量，階段爆破后對(duì)爆破效果進(jìn)行驗(yàn)證，目前主要采用地質(zhì)鉆孔取芯的方式進(jìn)行，根據(jù)取芯芯樣的破碎程度及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。

3.2.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)

采用非電毫秒雷管超爆網(wǎng)絡(luò)，孔內(nèi)外延時(shí)相結(jié)合，每孔內(nèi)均采用雙發(fā)雷管，孔口及孔底各裝1發(fā)雷管，連接成2套并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，孔內(nèi)裝藥采用連續(xù)裝藥。填塞長(zhǎng)度為覆土厚度。

3.2.4 最大單段藥量的確定

根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范［7］及國(guó)外的一些研究成果，最大段裝藥量采用薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo):

式中:v為地震安全速度，cm/s;Q為最大段裝藥量，齊發(fā)裝藥量，kg;K為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù);α為與巖性、地形地質(zhì)因素相關(guān)的爆破衰減系數(shù)。

K，α屬于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，巖石中K為30～70，軟土中K為150～250，半巖半土段K取70～150;α為爆破地震波隨距離衰減的系數(shù)，一般為1.5～2.0，較遠(yuǎn)距離取1.5，近距離取2.0，實(shí)際變化為 0.88 ～2.80。結(jié)合本工程實(shí)際情況，暫按中硬巖取值:K=200，α=1.8，在爆破作業(yè)中，K，α也需要通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)用回歸方法進(jìn)一步確定。

主要考慮對(duì)1#洞管片振動(dòng)影響來(lái)確定最大單段藥量。兩隧道間距為19 m，控制振速取15 cm/s，按式(10)計(jì)算允許最大裝藥量為91 kg。

3.3 爆破器材的選擇

炸藥選用防水性能、安定性和起爆性能良好的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，長(zhǎng)度為40 cm，單卷藥重1.2 kg?？變?nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管MS1－10段，導(dǎo)爆管長(zhǎng)30 m。采用起爆器進(jìn)行起爆。

4 爆破破碎效果檢驗(yàn)

4.1 鉆孔取芯驗(yàn)證

因巖石深埋地層中，爆破后無(wú)法直接觀察到，因此現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)鉆對(duì)爆破后的巖石取芯，通過(guò)對(duì)所取到的芯樣進(jìn)行分析，確定最終的爆破效果是否滿足盾構(gòu)通過(guò)的要求。圖4為爆破前某處巖石鉆孔取出的芯樣，巖體結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙少。圖5為爆破后某處巖石取出的芯樣，從現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果可以看出:巖體比較破碎，大部分粒徑較小，較大粒徑也均小于原設(shè)定的30 cm要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，爆破后盾構(gòu)順利地通過(guò)了該巖石地層。

圖4 爆破前巖石鉆孔取芯圖Fig.4 Drilling cores taken before blasting

圖5 爆破后取芯驗(yàn)證圖Fig.5 Drilling cores taken after blasting

4.2 對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響

通過(guò)對(duì)已完工的1號(hào)洞管片爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況可知，基巖段爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度均較小，而孤石段爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)速度相對(duì)大些，見圖6和圖7。分析原因，一是基巖段巖性較孤石段好，地震波在巖土介質(zhì)中傳播，其地震效應(yīng)除決定于爆破本身性質(zhì)外，主要決定于巖土介質(zhì)本身的振動(dòng)周期。實(shí)測(cè)表明，在軟弱的巖石中地震效應(yīng)要強(qiáng)烈些，在堅(jiān)硬的未被破壞的巖石中，其地震強(qiáng)度要比軟弱巖石中低。而孤石段主要是花崗巖殘積土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖并且呈土狀，波阻抗比小，爆炸能量耗損小，其能量主要傳到管片襯砌上，因而，測(cè)得孤石段的振速遠(yuǎn)大于基巖段的。另外，基巖段測(cè)試的爆破振動(dòng)主振持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量隨時(shí)間分布較為均勻。而孤石段測(cè)試的爆破振動(dòng)出現(xiàn)波峰或波谷較大時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率較高，持續(xù)時(shí)間極短，能量不大，作用在管片上的破壞作用也就相對(duì)較小，其他時(shí)間段主振時(shí)間較長(zhǎng)，質(zhì)點(diǎn)振速較對(duì)較小。在進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的同時(shí)也對(duì)1#洞已拼裝管片的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，爆破前后，爆破區(qū)域同里程段的管片變形較小，管片收斂及管片上浮均沒(méi)有發(fā)生明顯的變形情況，最大收斂值僅為4.3 mm，最大上浮值僅為3 mm，管片并沒(méi)發(fā)現(xiàn)有明顯新增裂紋等異常情況，結(jié)構(gòu)是安全的。

圖6 基巖段爆破振動(dòng)測(cè)試波形圖Fig.6 Form of vibration wave of blasting in bedrock section

圖7 孤石段爆破振動(dòng)測(cè)試波形圖Fig.7 Form of vibration wave of blasting in boulder section

5 討論與體會(huì)

1)區(qū)別于以往的研究成果，本文重點(diǎn)是理論推導(dǎo)出了無(wú)自由面巖石炸藥單耗爆破經(jīng)驗(yàn)公式，在本工程花崗巖爆破預(yù)處理中得到了很好的驗(yàn)證，可應(yīng)用于類似工程中。

2)根據(jù)理論推導(dǎo)出的炸藥單耗公式，確定本工程爆破參數(shù)中的炸藥單耗，方案較為成功，破碎效果良好，滿足了盾構(gòu)順利通過(guò)的要求。

3)孤石爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)幅值較大，但質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率較高，持續(xù)時(shí)間極短，能量不大，對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞作用也相對(duì)較小。

4)根據(jù)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)所要求的巖石最小塊度，怎么更好地計(jì)算爆破后巖石的破碎塊度大小，需做進(jìn)一步的研究工作。

5)怎樣降低在城區(qū)盾構(gòu)施工中孤石爆破過(guò)程產(chǎn)生的瞬時(shí)較大振動(dòng)幅值及爆破后巖石的破碎塊度大小的計(jì)算方法需做進(jìn)一步的研究工作。

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