隧洞開挖單循環(huán)進尺對超挖量的影響研究

楊 玉 銀， 李 俊 峰， 楊 仕 杰， 郝 利 軍， 白 軍 平

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

在隧洞開挖施工中，通常認為單循環(huán)進尺越大其超挖量越大，并且認為單循環(huán)進尺對超挖量的影響非常顯著，主要有以下幾種觀點：一種是習慣性地認為單循環(huán)進尺與超挖量成正比關(guān)系，比如單循環(huán)進尺1 m時超挖量為1個單位體積V，那么，單循環(huán)進尺3 m，其超挖量即為3V；另一種觀點認為單循環(huán)進尺與超挖量成平方關(guān)系[1，2]，比如單循環(huán)進尺1 m時其超挖量為1個單位體積V，那么單循環(huán)進尺3 m，其超挖量即為9V。在地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范[3]中是這樣描述的：相鄰兩排炮孔的巖面錯臺取決于鉆手的操作水平和鉆孔深度，排炮鉆進越深，兩排炮間巖面的錯臺越大，因此，必須合理選擇排炮進尺。

以上觀點均認為：單循環(huán)進尺越深，其超挖量越大，并且單循環(huán)進尺對超挖量的影響非常顯著。但是在實際爆破施工中我們發(fā)現(xiàn)：以上觀點均具有一定的局限性。隨著單循環(huán)進尺的增大，超挖量并沒有成正比或平方關(guān)系增大，單循環(huán)進尺對超挖量的影響不是很明顯，因而需要我們進一步探索、研究隧洞開挖中單循環(huán)進尺與超挖量的關(guān)系，筆者對此研究進行了詳述，具體的研究目的如下：

(1)通過研究，進一步明確隧洞開挖中單循環(huán)進尺對超挖量的影響程度。

(2)為隧洞開挖施工中的單循環(huán)進尺選擇提供支撐依據(jù)。

2 研究的基礎

(1)鉆孔工具的選擇：在隧洞開挖施工中，最常用的鉆孔工具為YT28型手風鉆。因此，對鉆孔工具的研究選用YT28型手風鉆，鉆孔直徑為38～42 mm，(圖1(a))，基本結(jié)構(gòu)尺寸見圖1(b)。

(a)鉆機實物

(b)結(jié)構(gòu)尺寸圖1 YT28型手風鉆結(jié)構(gòu)圖

(2)鉆孔要求[4，5]：鉆掌子面左側(cè)墻周邊孔時，要求鉆機調(diào)壓閥外側(cè)緊貼左側(cè)墻巖面向前推進；鉆掌子面右側(cè)墻周邊孔時，要求鉆機氣管彎頭側(cè)緊貼右側(cè)墻巖面向前推進；鉆頂拱周邊孔時，要求鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面向前推進。

(3)鉆桿長度要求：鉆孔時，設定鉆桿剩余20 cm左右時停止鉆孔，即鉆桿總長度至少比設計單循環(huán)進尺多20 cm。

(4)周邊孔爆破方法：采用光面爆破[6，7]。對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖，其半孔率一般為85%以上，可以有效控制鉆孔外超挖，降低爆破對圍巖的擾動。

3 研究采用的計算模型

3.1 研究采用的計算模型

周邊孔鉆孔狀態(tài)及孔底超挖計算模型見圖2。模型基本要素如圖2所示：L1為設計單循環(huán)進尺，cm；L2為鉆機貼巖面點至掌子面的垂直距離，cm；L3為鉆機至掌子面預留距離，cm；L4為鉆機貼墻側(cè)至鉆機尾部距離，cm；a為鉆機緊貼

圖2 周邊孔鉆孔狀態(tài)及孔底超挖計算模型

巖面點至鉆桿中心線延長線的交點距離，cm；a1、a2為周邊孔最小鉆孔外偏角，°；△r為孔底徑向超挖值，cm；△r1為理論平均徑向超挖值，cm。

3.2 基本要素值的確定

(1)設計單循環(huán)進尺L1：研究時選取的計算隧洞開挖中最常用的單循環(huán)進尺：200 cm、250 cm、300 cm、350 cm、400 m，并需進行計算結(jié)果的分析與對比。

(2)鉆機貼巖面點至掌子面的垂直距離L2：由單循環(huán)進尺L1、鉆機至掌子面預留距離L3、鉆機貼巖面點至鉆機尾部距離L4三部分組成，即L2=L1+L3+L4。

(3)鉆機至掌子面預留距離L3：取L3=20 cm，即鉆機尾部至掌子面20 cm左右時停止鉆進。

(4)鉆機貼巖面點至鉆機尾部的距離L4：根據(jù)圖2，①當鉆機調(diào)壓閥外側(cè)緊貼左側(cè)墻巖面或鉆機氣管彎頭外側(cè)緊貼右側(cè)墻巖面時，取計算值L4=52 cm；②當鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面時，取計算值L4=38 cm。

(5)鉆機緊貼巖面點至鉆桿中心線延長線的交點距離a：根據(jù)圖2，①當鉆機調(diào)壓閥外側(cè)緊貼左側(cè)墻巖面時，取計算值a=11 cm；②當鉆機氣管彎頭外側(cè)緊貼右側(cè)墻巖面時，取計算值a=14 cm；③當鉆機排氣口頂部緊貼頂部巖面時，取計算值a=11 cm。

(6)周邊孔最小鉆孔外偏角a1、a2按式(1)計算:

α1=α2=tan-1(a/L2)

(1)

(7)孔底徑向超挖值△r按式(2)計算:

△r=L1·tan(α1)

(2)

(8)理論平均徑向超挖值△r1按式(3)計算

△r1=△r/2

(3)

4 計算驗證

為了使此次的研究結(jié)果具有普遍性，筆者以隧洞施工中最常用的單循環(huán)進尺2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m為例進行了計算研究。

4.1 計算結(jié)果

采用以上單循環(huán)進尺時，根據(jù)式(1)、式(2)，其相應鉆孔外偏角和孔底徑向超挖情況計算結(jié)果見表1。

根據(jù)式(3)和表1，其理論平均徑向超挖值計算結(jié)果見表2。

表1 單循環(huán)進尺與周邊孔孔底徑向超挖值計算表

表2 理論平均徑向超挖值計算表

4.2 計算結(jié)果分析

(1)從表1中的計算結(jié)果不難看出：隨著單循環(huán)進尺由2 m逐漸增大至4 m，鉆孔外偏角和孔底超挖發(fā)生了以下變化：

①隨著單循環(huán)進尺的逐漸增大，鉆孔外偏角逐漸減?。赫{(diào)壓閥外側(cè)由2.32°逐漸減少至1.34°；氣管彎頭外側(cè)由2.95°逐漸減少至1.7°；排氣口頂部由2.44°逐漸減少至1.38°。

②隨著單循環(huán)進尺的逐漸增大，孔底超挖有所增大，但增大幅度非常?。赫{(diào)壓閥外側(cè)由8.1 cm逐漸增大到9.36 cm；氣管彎頭外側(cè)由10.31 cm逐漸增大到11.87 cm；排氣口頂部由8.52 cm逐漸增大到9.63 cm。

③同一單循環(huán)進尺條件下，右側(cè)墻(氣管彎頭側(cè))超挖量最大，頂拱超挖量(排氣口頂部)居中，左側(cè)墻(調(diào)壓閥側(cè))超挖量最小。

(2)從表2中的計算結(jié)果看：隨著單循環(huán)進尺由2 m逐漸增大至4 m，理論平均徑向超挖值有所增大，但增大的幅度很?。赫{(diào)壓閥外側(cè)由4.05 cm逐漸增大到4.68 cm；氣管彎頭外側(cè)由5.16 cm逐漸增大到5.94 cm；排氣口頂部由4.26 cm逐漸增大到4.82 cm。

5 實踐檢驗

在實際施工過程中，孔底徑向超挖值△r的大小可以通過前后兩茬炮之間的錯臺大小進行驗證。在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞工程施工中，為了監(jiān)測隧洞鉆孔質(zhì)量和孔底徑向超挖量的大小，分別對10#施工支洞和1#尾水隧洞主洞進行了連續(xù)10茬炮的孔底錯臺量測。

5.1 10#施工支洞量測情況

10#施工支洞量測洞段為0+299.62～0+332.12，屬Ⅱ類圍巖，開挖斷面呈城門洞形，寬8.16 m、高7.38 m，平均單循環(huán)進尺3.25 m,觀測點位為左側(cè)墻高1.65 m孔、右側(cè)墻高1.65 m孔與頂拱中心孔。兩茬炮間的具體錯臺量測結(jié)果見表3。

5.2 1#尾水隧洞主洞

1#尾水隧洞主洞觀測洞段為TRT(1)2+005.38～TRT(1)1+1 967.26屬于Ⅱ類圍巖，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.6 m、高13.45 m，上層開挖高度為9 m,平均單循環(huán)進尺3.81 m,觀測點位為上層左側(cè)墻高1.65 m孔與右側(cè)墻高1.65 m孔、頂拱中心孔。兩茬炮間具體的錯臺觀測結(jié)果見表4。

以上兩個量測洞段邊頂拱光面爆破半孔率均在95%以上，平均徑向超挖值均在10 cm以內(nèi)。從表3中的觀測結(jié)果看，只要嚴格管理鉆孔作業(yè)人員，認真按照鉆孔要求鉆孔完全可以將鉆孔外偏角和孔底徑向超挖值控制到最小范圍。

表3 10#施工支洞兩茬炮間錯臺量測結(jié)果表 /cm

表4 1#尾水隧洞主洞兩茬炮間錯臺量測結(jié)果表 /cm

6 結(jié) 語

根據(jù)以上計算分析和實踐檢驗，當采用YT28型手風鉆進行鉆孔作業(yè)、且單循環(huán)進尺2 m～4 m時，可以得出以下結(jié)論：

(1)在隧洞開挖中，隨著單循環(huán)進尺的增大，鉆孔外偏角逐漸減小，孔底徑向超挖有所增大，但增大的幅度非常有限，既不成正比增長，也不成平方關(guān)系增長。

(2)單循環(huán)進尺2～4 m時，可以將鉆孔外偏角控制在3°以內(nèi)；孔底徑向超挖可以控制在12 cm以內(nèi)。

(3)單循環(huán)進尺2 m與單循環(huán)進尺4 m相比，理論平均徑向超挖值最大相差0.78 cm。

(4)隧洞開挖單循環(huán)進尺可以根據(jù)開挖斷面的大小、地質(zhì)條件、施工機具、施工進度需要、自身施工能力等因素綜合考慮選取，不必受超挖問題影響。