張家溝隧道光面爆破設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王 小 波

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

張家溝隧道光面爆破設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王 小 波

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

以張家溝隧道光面爆破施工為例，根據(jù)光面爆破特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則，對光面爆破技術(shù)參數(shù)、施工工藝、控制要點(diǎn)及其技術(shù)措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期為類似工程的施工提供一定的參考依據(jù)。

光面爆破，隧道，參數(shù)，技術(shù)措施

光面爆破是隧道開挖施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對控制隧道斷面超欠挖有著直接的影響，光面爆破質(zhì)量的優(yōu)劣與隧道施工進(jìn)度及成本密切相關(guān)，所以光面爆破施工技術(shù)一直是隧道施工技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)[1-4]。文章結(jié)合新建呂梁至臨縣(孟門)支線鐵路ZNTJ—3標(biāo)段張家溝隧道光面爆破施工實(shí)際，對光面爆破特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及施工控制要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

2 光面爆破特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

光面爆破屬于控制爆破技術(shù)的一種，該技術(shù)最早起源于瑞典。蘭格福爾斯(Langefors U)等人首先在實(shí)驗(yàn)室研究了裝藥密度、爆破時(shí)差、最小抵抗線等爆破參數(shù)對光面爆破效果的影響，并成功運(yùn)用于地下隧道爆破掘進(jìn)施工中，因此技術(shù)能夠獲得光滑平整的巖壁，因而被稱之為“光面爆破”。光面爆破與傳統(tǒng)礦山法施工采用的普通爆破法相比，具有以下特點(diǎn)：能減少隧道施工的超挖與欠挖，使開挖斷面形狀與設(shè)計(jì)斷面高度吻合；爆破對圍巖不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生爆破裂隙，最大限度的保持了圍巖穩(wěn)定性；光面爆破效果好能加快隧道施工，降低成本，保證施工安全。光面爆破的設(shè)計(jì)原則為根據(jù)工程地質(zhì)及現(xiàn)場施工條件，在施工中盡量做到“多打眼，少裝藥”。為了獲得良好的光面爆破效果，一方面要保證爆破裂隙沿隧道設(shè)計(jì)輪廓線的發(fā)展貫通；另一方面要避免爆破能量集中而出現(xiàn)炮眼局部過度粉碎破壞。值得注意的是，保證合理爆破參數(shù)情況下，光面爆破的效果還與實(shí)際施工技術(shù)水平有很大關(guān)系。

3 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 炮眼間距E、最小抵抗線W

按照應(yīng)力波疊加理論，要使炮眼之間的裂縫貫通，必須使炮眼連心線上的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)目前的施工經(jīng)驗(yàn)，一般取炮眼間距E=8d～12d(d為炮眼直徑)。

光面爆破設(shè)計(jì)中，最小抵抗線是指周邊炮孔與鄰近一圈輔助眼之間的垂直距離，最小抵抗線過大或者過小都會影響到光面爆破效果，實(shí)踐表明，最小抵抗線取值與炮眼間距有一定關(guān)系，實(shí)際中可取最小抵抗線W=(1.0～1.5)E。

張家溝隧道炮眼直徑d=38 mm，根據(jù)以上炮眼間距關(guān)系式，此炮眼設(shè)計(jì)間距E=450 mm，最小抵抗線W=500 mm，根據(jù)爆破最后效果和不同巖層做適當(dāng)調(diào)整即可。

3.2 裝藥系數(shù)Ll、裝藥集中度q

1)周邊眼裝藥系數(shù)Ll:

(1)

其中，kb為體積應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度提高系數(shù)，一般取kb=10；σc為巖石的動態(tài)抗拉強(qiáng)度；弱風(fēng)化灰?guī)r，取σc=140 MPa=1 400 kg/cm3；db，dc分別為裝藥直徑和炮眼直徑；ρ0為炸藥密度，采用2號巖石炸藥，取ρ0=0.95 g/cm3；n為爆炸沖擊波引起炮孔壁壓力增大系數(shù)，n=8～11；D為炸藥爆速。

采用式(1)計(jì)算后，施工中每米裝藥長度L的精度達(dá)到0.005 m即可。

2)裝藥集中度q：

q=(πd2/4)ρ0·L1

(2)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)至式(2)得到q的取值為0.2 kg/m，張家溝隧道采用一次爆破，裝藥集中q的取值在2號巖石炸藥對裝藥集中度q值的經(jīng)驗(yàn)值范圍。

3.3 炮眼數(shù)量N的確定

周邊炮眼數(shù)量N與開挖面周長以及周邊眼間距有關(guān)，炮眼數(shù)量根據(jù)式(3)計(jì)算：

N=S0/E

(3)

其中，S0為開挖面周長，m；E為周邊眼間距，m。

張家溝隧道開挖面周長為34.5 m，炮眼設(shè)計(jì)間距E=450 mm，周邊炮眼數(shù)量N約為77個。

開挖斷面每循環(huán)裝藥量Q：

Q=q·V

(4)

其中，q為單位體積巖石炸藥消耗量；V為一次循環(huán)進(jìn)尺爆破巖石體積。

由修正的普氏公式：

(5)

其中，f為巖石的堅(jiān)固系數(shù)；s為隧道掘進(jìn)斷面面積；K為考慮炸藥做功的修正系數(shù)。

計(jì)算求得q=1.1 kg/m3，一次循環(huán)進(jìn)尺爆破巖石體積為155 m3，按此公式計(jì)算，Q=170 kg。

3.4 爆破器材

炸藥采用常用的2號巖石硝銨炸藥，為加大周邊眼的不耦合系數(shù)，光爆層采用直徑為25 mm的小藥卷，其余炮眼采用20 cm長，直徑為32 mm標(biāo)準(zhǔn)藥卷，每卷炸藥質(zhì)量為0.15 kg。掏槽眼和輔助眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炮泥封口。

爆破利用微差爆破技術(shù)，雷管采用非電導(dǎo)爆管毫秒雷管(1,3,5,7,9,11,13,15段)，共8種段別。

3.5 炮眼斷面布置

炮眼斷面布置原則為：

1)周邊炮眼按照光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)布置，但為了便于打眼，炮眼可以向外偏斜一定角度，偏斜角根據(jù)炮眼深度調(diào)整，一般為3°～5°，炮眼間距不宜大于設(shè)計(jì)值。

2)為了加大爆破循環(huán)進(jìn)尺和便于打孔，掏槽炮眼采用直眼掏槽，通常將掏槽炮孔布置在斷面中央偏下。

3)布置好了周邊眼和掏槽眼之后再來考慮布置輔助眼，輔助眼以掏槽眼為中心層層布置，層與層之間距離一般為650 mm～800 mm，孔距和最小抵抗線之比在0.8～1.0左右。

4)合理的炮眼斷面布置還應(yīng)保證有較高的炮眼利用率，先爆炸的炮眼不會破壞后爆破的炮眼，爆破塊度均勻集中。

光面爆破施工工藝見圖1。

4 光面爆破控制要點(diǎn)及技術(shù)措施

4.1 光面爆破控制要點(diǎn)

1)光面爆破施工中，必須按照設(shè)計(jì)的裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥，裝藥量不宜偏差過大，同時(shí)要確保炮眼內(nèi)裝藥位置的準(zhǔn)確。

2)周邊炮眼應(yīng)彼此平行，并且深度不宜超過輔助眼。

3)如果工作面不平整，要適當(dāng)調(diào)整炮眼深度和裝藥量，盡量保證所有周邊眼底部在同一斷面上。

4)周邊眼開孔位置要準(zhǔn)確，位置均要位于隧道斷面輪廓線上，偏差值不宜超過3 cm，同時(shí)不允許有偏向隧道內(nèi)輪廓線的誤差，最好在施工前在掌子面上用紅油漆畫出隧道開挖輪廓線及炮眼位置。裝藥前要檢查炮孔的施工質(zhì)量和數(shù)量，炮眼內(nèi)的巖渣要清理干凈。

5)雷管段別要設(shè)置合理，理論上要保證周邊眼同時(shí)起爆，裝藥要特別注意防止雷管段別混亂搭錯的失誤從而影響爆破效果。

6)掏槽眼與輔助眼、輔助眼與周邊眼之間的起爆時(shí)間間隔要加大，輔助眼要在掏槽孔爆破后將槽腔內(nèi)巖石拋離才能起爆，周邊眼則要在相鄰內(nèi)圈崩落眼爆破充分形成自由面后起爆，但是考慮到雷管段別的限制，各類炮眼微差間隔時(shí)間不能太長，根據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，各類炮眼的起爆時(shí)間間隔以50 ms～100 ms為宜。

4.2 光面爆破技術(shù)措施

1)嚴(yán)密組織：光爆鉆孔時(shí)，應(yīng)由專人統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)，認(rèn)真實(shí)行定人、定位、定機(jī)、定標(biāo)準(zhǔn)、定數(shù)量的崗位責(zé)任制。

2)測量定位：先由測量班在掌子面測出炮孔位置，并用十字線標(biāo)定，鉆孔過程中嚴(yán)格控制炮眼方向。

3)掏槽：全斷面開挖時(shí)采用大直徑中空直眼掏槽，臺階法開挖時(shí)采用復(fù)式楔形掏槽。掏槽眼炮孔超鉆200 mm～300 mm，并加強(qiáng)裝藥。

4)鉆孔：為提高鉆孔的速度和準(zhǔn)確性，應(yīng)按順序分區(qū)鉆孔，除加快純鉆孔速度外，還要快速定位，快速開鉆打孔，快速換釬接桿，快速拔釬移鉆。

5)清孔驗(yàn)孔：鉆孔完畢后，要逐一進(jìn)行清孔和驗(yàn)孔，嚴(yán)格按照:“準(zhǔn)、直、平、齊”來檢查炮眼；底部深度要符合炮眼的設(shè)計(jì)要求，各個炮眼保持相互平行，孔底要落在同一個平面上。炮眼驗(yàn)收合格后，清除孔內(nèi)的碴粉，準(zhǔn)備裝藥；對不合格的炮孔要堅(jiān)持重鉆。

6)裝藥聯(lián)線：光面爆破盡量選用低爆速、低猛度、傳爆性好、威力大的炸藥，炸藥波阻抗保持與巖石的波阻抗相配。各類炮眼采用合理的裝藥系數(shù)，周邊眼選用小直徑藥卷不耦合裝藥，事先將藥卷按照設(shè)計(jì)間距固定在小竹片上，然后輕輕地送入孔內(nèi)；掘進(jìn)炮眼連續(xù)裝藥，掏槽眼藥量要加強(qiáng)。炮孔采用機(jī)制炮泥堵塞，炮孔最小堵塞長度不得小于200 mm，聯(lián)線應(yīng)確保內(nèi)圈眼的爆破效果和周邊眼同時(shí)或分段起爆。爆破網(wǎng)絡(luò)檢查：裝藥聯(lián)線完成后要對整個爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面檢查，在專人確認(rèn)所有網(wǎng)絡(luò)正確聯(lián)通后才可起爆。

7)爆破設(shè)計(jì)動態(tài)優(yōu)化：爆破設(shè)計(jì)人員和施工人員要共同檢驗(yàn)每次爆破后的效果，主要檢驗(yàn)的指標(biāo)包括石碴塊度均勻情況、周邊眼炮痕保留情況、炮眼利用率等，根據(jù)爆破得出的效果及不同實(shí)際圍巖級別，實(shí)時(shí)變更設(shè)計(jì)參數(shù)，使之下次獲得更好光爆效果。

5 結(jié)語

張家溝隧道光面爆破的應(yīng)用使其斷面超欠挖得到了很好的控制，保證了其開挖尺寸精度，取得了很好效果，其光面爆破技術(shù)參數(shù)和技術(shù)措施可供同類工程參考和借鑒。

[1] 張選鋒.光面爆破技術(shù)在洛陽村隧道Ⅲ級圍巖應(yīng)用總結(jié)[J].山西建筑,2014,40(9):194-196.

[2] 曹冠軍.東秦嶺特長隧道光面爆破施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2002(16)：9-11.

[3] 葛春民.小草湖鐵路隧道光面爆破設(shè)計(jì)與施工[J].山西建筑,2004，30(21)：95-97.

[4] 聶卸青.蛟洋隧道光面爆破施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2004(26)：105-106.

Design and application of smooth blasting for Zhangjiagou tunnel

Wang Xiaobo

(ChinaRailway20BureauGroupCo.，Ltd，Xi’an710016，China)

Taking the smooth blasting construction at Zhangjiagou tunnel as the example, the paper introduces the technical parameter, construction craft, controlling points, and technical measures of the smooth blasting according to its features and design principle, so as to provide certain reference for similar projects.

smooth blasting, tunnel, parameter, technical measure

2015-01-27

王小波(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0165-02

U455.6

A