老龙山隧道光面爆破的设计应用

老龙山隧道光面爆破的设计应用
张 磊
摘 要：本文介绍了光面爆破技术在隧道掘进中的应用及参数的确定和施工过程的质量控制。
关键词：隧道；光面爆破；爆破参数；质量控制
一、工程概况
老龙山隧道位于山西省静乐县赤泥洼乡留仙村境内，隧道左线长4978米，右线长4945米，是太原到佳县高速公路东段的重点控制性工程。我单位承担出口段施工：左线EZK56＋818- EZK58＋800，右线EYK56＋800- EYK58＋815，其中Ⅴ级围岩215米，Ⅳ级围岩560米，Ⅲ级围岩1340米，Ⅱ级围岩1882米。Ⅱ级围岩开挖面积为82.7m2,采用全断面开挖和光面爆破，非电毫秒雷管起爆，减少了超欠挖，减弱了对围岩的扰动，提高开挖质量确保了施工安全。
二、光面爆破
光面爆破是按隧道断面的设计轮廓线合理布置周边眼而采取的一种控制爆破，实质就是爆破光面层，实施爆破后，在隧道周边形成一个光滑平整的边壁，使隧道断面既符合设计轮廓要求，又能保证孔壁岩石不产生或少产生破坏，形成光滑的表面和一定的断面形状。
在隧道掘进中采用光面爆破有以下优点：
（一）能有效减少超挖和挖运岩石量，能够加快隧道掘进速度，降低成本；
（二）围岩轮廓外裂隙区范围小，对围岩强度破坏不大，能显著提高隧道稳定性和轮廓质量，减少支护工作量和支护材料的消耗，确保隧道施工安全；
(三)做好光面爆破能保证防水板与衬砌混凝土和围岩紧密贴合，不产生空洞，保证施工质量。
三、施工方法和机具
老龙山隧道Ⅱ级围岩段采用全断面开挖光面控制爆破，钻孔采用自制简易台车，YT28型气腿式凿岩机，钻头直径42mm。采用ZLB50B侧卸式装载机和反铲挖掘机装渣，自卸汽车运输至洞外。
四、光面爆破的设计
（一）进尺与炮眼深度的选择
一般随着眼深的增加,单循环的进尺也越高。但钻眼的深度与钻眼机械有关,随着眼深的增加,钻眼效率降低,而且眼孔易出现弯曲,孔间误差过大影响爆破效果。通过实践证明,老龙山隧道在Ⅱ级围岩条件下,每循环进尺3.0m,炮眼深度在3.2～3.4m比较合适。
（二）爆破器材及起爆顺序
选择2号岩石硝铵**,规格为φ32×200(0.15kg/卷)和φ25×200(0.12kg/卷),塑料导爆管采用1:15段非电毫秒雷管。光面爆破时,从掏槽眼开始,一层一层从截面中心往外进行,最后是周边眼爆破。布置雷管段号时应注意,安排合理的段间隔时间,前一段的起爆要尽量为后一段爆破创造良好的临空面。
（三）掏槽眼
掏槽效果的好坏直接影响掘进效果和炮孔利用率。老龙山隧道钻爆施工中采用斜眼掏槽。
（四）爆破参数选择
影响光面爆破效果的主要参数是:周边炮眼间距E、周边眼密集系数m、最小抵抗线W、不偶合系数D、装药集中度q。实践证明这些参数是共同起作用的,只有这些参数都在正确的范围内时,爆破效果才是最理想的。各种参数中周边眼装药集中度q,是最重要的参数。所以对光面爆破来讲,根据地质条件、**品种、性能等因素,正确设计装药集中度q是最为重要的。影响光面爆破参数变化的因素很多,主要有岩石的爆破性能、**品种、一次爆破的断面大小、断面形状、凿岩设备性能、地质条件等。其中最主要的是地质条件的变化。
1.周边眼间距a0
周边眼间距和最小抵抗线是光面爆破的2个重要参数。一般原则是:软岩和层理节理发育的岩层上,眼距应小而抵抗线应大,在坚硬稳定的岩层上,眼距应大些,抵抗线应小些。隧道跨度较大时,眼距适当加大。隧道开挖施工爆破可按下式确定周边眼间距a0。
a0=(12～16)d1
式中:d1为炮眼直径;mm。
对于隧道光面爆破的周边眼间距可取600～700mm,若开挖面曲率较大,岩石对爆破的夹制作用较强,炮眼间距可缩小至450～500mm,导向空眼和装药眼之间的间距一般不小于400mm。以理论为依据,通过反复试验和综合分析论证,老龙山隧道Ⅱ级围岩可取a0=60cm。
2.炮眼密集系数m
炮眼密集系数也称炮眼邻近系数,它表达了炮眼间距a0与最小抵抗线W 之间的关系即m= a0/W,是光面爆破参数确定中的一个关键值。目前,在工程施工中,光面层厚度的确定,一般情况下,周边眼间距a0与光面层厚度W 的比值为:
m= a0/W=0.8～1.0
当m>1时,说明a0值偏大,W 值偏小,爆破时易出现眼间裂缝,周边眼尚未沟通前应力波已传到二圈眼,这样光面眼就变成偏斗爆破。当a0=W 时, m=1。爆破时光面眼之间的裂缝形成较好;当m=0.5时,即2a0=W,光面层不易爆下来,实践表明m=0.8～1.0时较好。
3.光面爆破的最小抵抗线
理论和实践证明,光面爆破炮眼间距与最小抵抗线之比取0.8为好,即: E/W=0.8,W=1.25E
当岩石坚韧时,抵抗线W 应减小;岩石破碎时,在节理裂隙发育处,抵抗线W 应增大。
4.不耦合系数D
炮眼直径与药包直径的比值称为不耦合系数。当不耦合系数D=1时,表示药包与孔壁紧密接触。当D>1时,表示药包与孔壁之间存在着空气间隙。当药包与孔隙之间存在着空气间隙时,爆破将在间隙中衰减很多,导致作用于孔壁的冲击压力大为减小,从而减小了传递给岩面的爆炸能量。因此,在实际施工中,主要采用耦合装药改变装药结构来实现控制爆破。
研究表明,不耦合系数的大小与炮壁上的最大切向应力之间呈指数关系。因此,当炮眼直径为32～45mm时,不耦合系数D=1.5～2.0。
5.装药集中度q
(1)循环耗药量的计算
Q=k×S×L
式中:k为爆破1m3岩石的用药量,kg/m3;S为导坑断面面积;L为炮眼深度。
(2)**量的分配
爆破隧道不同部位的炮眼所起的作用不同,因而各部位炮眼的装药量也不同。
q=k×a0×ω×L×λ
式中:q为单眼装药量,kg;k为单位**消耗量,kg/m3;ω为炮眼爆破方向的抵抗线,m; a0
为炮眼间距,m;L为炮眼深度,m;λ为炮眼的部位系数,掏槽炮眼λ=2～3,扩槽炮眼λ=2,掘进槽土λ=0.8,掘进槽侧λ=1,内圈炮眼λ=0.6,底眼λ=1.5。
6.装药结构
(1)周边眼装药结构
将每卷乳化**剖成4等分间隔装药,并在各卷药间串联导爆线,让药卷架空于钻孔中间,适当采用孔底集中装药以提高炮眼利用率,为了充分利用**能量,使**威力均匀作用在两炮眼的岩石中,相邻药卷错开,使峒壁爆裂光滑整齐,提高光爆效果。
(2)掏槽眼装药结构
掏槽眼采用正向装药起爆。
7.辅助眼参数的确定
内圈眼孔所在的位置即是光爆抵抗线的外边缘,内圈眼孔爆破质量好坏,直接影响着周边孔的光爆质量。实践表明,内圈眼孔距E'=1.5～2.0ω,掏槽眼扩大孔既是掏槽眼的辅助炮眼,又是对掏槽炮所在爆槽口起扩大“战果”的作用,因而它的炮孔底部与掏槽孔底部距离应比其他扩大炮小一些,才便于保证槽口顺利地向外扩展,其孔底间距视岩石坚硬程度而定,一般在50～100cm。扩大炮孔间距需视岩石坚硬强度而定,扩大孔孔口间距为周边孔距的
1.5～2.0倍,并根据实际情况及时调整。
8.合理段间隔时间的选择
爆破时产生超挖,主要有两个原因,一是由于爆轰波的相互叠加而加剧了对围岩的破坏;二是各段间隔秒差过小而使爆破中未能充分形成自由面。经过多次试验得出周边眼用导爆索,老龙山隧道掏槽眼和辅助眼采用1、2、3、4、5、6段,周边眼采用7、8段雷管串联导爆线起爆效果最好。底板眼的爆破,习惯的做法是加大装药量,并且最后同时起爆,以达到翻渣的目的,便于出渣。但是隧道爆破振动观测表明,隧道爆破产生的地震动强度,除掏槽眼最大外,其次是底板眼的爆破,有时底板眼爆破产生的地震动强度最大,从保护围岩的角度来看,显然是不合理的。所以我们改变了传统的习惯做法,将底板眼分成两段分开起爆,底板眼同段起爆,共同作用的**量,改变了底板眼抵抗线的方向,实际上是缩小了底板眼的抵抗线,从而减小底板眼爆破产生的地震动强度。
五、隧道开挖质量的控制
隧道施工最主要的原则是要像保护眼睛那样地保护围岩，要想方设法地加强围岩的自支护能力。保护围岩的措施视围岩性质、围岩固有的自支护能力而定,对坚硬围岩主要是控制对遗留岩体的损伤,对软弱破碎岩体则是如何防止围岩的松弛,提高围岩的自支护能力。为了控制好隧道的开挖质量,应做好以下几项工作。
（一）改变“宁超勿欠”的传统观点
在控制隧道超欠挖的施工中，首先要对司钻人员进行岗前培训,必须改变“宁超勿欠”的传统观点，树立“少欠少超”的观点，应熟练掌握炮眼的角度、眼口位置的选择、眼底位置的控制等, 施工人员要有很强的责任心。
（二）提高钻孔技术水平
钻眼对隧道超欠挖(h)主要受周边炮眼的外插角θ、开口位置e和钻眼深度L的影响,四者之间的关系如下:h=e+Ltanθ。随着外插角θ和钻眼深度L的增大,h值也相应增大。为了减少因钻眼误差而引起的超欠挖,必须做到:
1.周边炮眼的开口位置应尽量在开挖轮廓线上,即e=0;
2.周边炮眼的外插角根据钻眼深度和允许超欠挖计算,一般应控制在30以内(当L=3m时,h=15.7cm);
3.所有炮眼(掏槽眼除外)的眼底位置应尽可能的在同一垂直面上。
（三）选择合理的爆破参数。
隧道爆破质量的好坏主要在于爆破参数的合理选定。在光面爆破中,主要的技术参数包括:周边炮眼的布置、掏槽炮眼的布置、炮眼装药结构、单位岩石**消耗量和起爆顺序等。
（四）提高测量放线精度。
控制超欠挖主要是控制好开挖轮廓线(或周边孔线)的精度。为此，首先要保证中线和高程的准确，其次是要通过正确的方法来确保设计开挖断面各部位的尺寸的正确。每次测量放线时,对上次爆破断面进行检查,并及时调整爆破参数,以达最佳的爆破效果。
（五）根据地质条件调整施工方法。
地质条件是客观条件，它是确定爆破参数的基本依据。在现场施工中,应紧跟开挖面对围岩进行观测描述,并对围岩的节理裂隙状态进行预测,据此调整爆破参数和施工方法或采取局部内炮眼、局部空孔不装药、加密炮眼、局部调整起爆顺序等辅助措施。如遇到断层破碎带时,采取预裂爆破或预留光爆层的方法施工。
（六）采取恰当的施工方法。
台阶法与全断面开挖，有轨运输与无轨运输,以及不同的出渣方式,都影响光爆参数的选择,效果相应就有所改变。
（七）加强现场的施工组织管理。
在控制隧道超欠挖中,需要建立一个比较完善、系统的质量保证体系,对作业全过程及相关因素实行严格的科学管理。现场的组织管理是指人员组织、作业安排、技术交底与指导、质量检测及相应的规章和技术标准的制定等。管理的目的就是要把众多的因素置于可控状态,达到爆破设计的基本要求。
六、应用效果
施工中根据围岩的不同情况,及时调整爆破参数,选择合理的钻爆参数,不断完善爆破设计，提高了开挖质量,不仅有效地发挥了围岩的自稳能力,而且还提高了经济效益。在老龙山隧道快速掘进过程中,光爆施工效果良好,爆破后炮眼保存率达85%-95%,两茬炮衔接台阶最大尺寸为8cm,超欠挖量仅为5%左右；岩渣块体较小且均匀，利于装渣，节省装运时间；减少支护工作量，降低工程造价。

参考文献:
[1] 张志呈.爆破原理与设计.重庆:重庆大学出版社,1992.
[2] 齐景岳等编著.隧道爆破现代技术.北京:中国铁道出版社,1999.
[3] 关宝树.隧道工程施工要点集.北京:人民交通出版社，2003.
[4] 黄成光等编著.公路隧道施工. 北京:人民交通出版社，2001.
[5] JTG F60-2009,公路隧道施工技术规范
 

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