光面爆破技術(shù)在隧道水平圍巖中的應用

光面爆破技術(shù)在隧道水平圍巖中的應用

摘要：光面爆破人為控制爆破的技術(shù)，目前這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟,并且應用廣泛,本文就光面爆破的主要參數(shù)以及在水平圍巖中參數(shù)的調(diào)整，并結(jié)合具體工程論述光面爆破技術(shù)在隧道水平圍巖中的應用

關(guān)鍵詞：隧道 光面爆破 參數(shù)　水平圍巖

１　引言

　水平巖層是隧道工程作業(yè)經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，但在隧道開挖過程中，水平巖層的光面爆破一直是一個技術(shù)難題。如果處理不好，隧道的拱頂會出現(xiàn)大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象，不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會影響巖洞的圍巖穩(wěn)定性、初期支護的數(shù)量和永久支護的混凝土工程量，增加工程投資。所以水平巖層中光面爆破技術(shù)尤為關(guān)鍵。

２　光面爆破技術(shù)

光面爆破也稱為密眼小炮爆破，是利用巖石抗劈裂能力低，用縮小周邊眼間距，嚴格控制周邊眼間距、方向，限制裝藥量，正確控制起爆順序等措施，使爆破面沿周邊眼劈裂開來，從而避免周邊眼以外的圍巖受到破壞，并使周邊達到光面的效果。 這種人為控制爆破的方法稱為光面爆破。
光面爆破能使隧道開挖面成型規(guī)整，尺寸符合要求，表面光順。爆破后坑道輪廓線與周邊眼相切，每個周邊眼殘留半個眼痕，使隧道坑道不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生爆震裂縫，從而保護了圍巖的完整性，使圍巖的自穩(wěn)能力和自身承載能力達到安全可靠的目的，減少超挖或欠挖，節(jié)省因超挖或欠挖而增加的工程量和費用，縮短工期，也保證了施工質(zhì)量。

３　光面爆破參數(shù)及在水平巖層的調(diào)整

３．１　周邊眼間距E　
周邊眼是緊靠設(shè)計掘進斷面輪廓線的一排炮眼。周邊眼間距就是周邊眼孔與孔間距。一般由試驗決定，以前的經(jīng)驗值大致在0．4～0．7 m之間，經(jīng)驗公式為： E = 16d 式中，E為周邊眼間距；d為炮眼直徑。 對于水平巖層，由于水平巖層無收斂，拱頂有微小下沉，E一般取值要較小。而且周邊眼間距E過大，光面爆破不能對巖層進行有效的環(huán)向拉裂。
３．２　最小抵抗線W
周邊眼中心與最外一排輔助眼的距離。一般W約為0．5—0．8 m左右，初步可采用E= 0．8 W求得；當巖體裂隙面與最小抵抗線方向垂直， 就要采用E=W；當巖體裂隙面與最小抵抗線平行 時，E=0．5 W。技術(shù)員應嚴格記錄，從中選出適合實 際巖體情況的最佳值。所以水平巖層中，也要減小最小抵抗線W。
炮眼密集系數(shù)E/W：該比值是按照均勻介質(zhì)即裂縫、節(jié)理不發(fā)育的中等堅硬巖石經(jīng)試驗得出的，在實際使用中根據(jù)掌子面巖石堅硬程度作調(diào)整，一般認為W ：E =O．8—2．2是理想的調(diào)整范圍
３．３裝藥量
裝藥量Q=qEWL
式中q一單位炸藥消耗量(kg／m)
E 一周邊眼間距(m)
W一周邊眼最小抵抗線即與最外一圈輔助眼間距(m)
L一周邊眼孔深(m)
Q一 每孔炸藥用量
單位炸藥消耗量爆破一立方巖石需要消耗炸藥的數(shù)量q，一般是按巖石堅固性確定，巖石越堅固，耗藥量越大。由于堅固性系數(shù)有一定的局限性，往往比實際巖石的f偏高，為此，在實際選擇時，應根據(jù)巖石節(jié)理發(fā)育程度、風化程度等，將f值降低2-4進行修正。對于水平巖層，也應降低單孔裝藥量。
裝藥過于集中，基本上周邊眼裝藥都集中于孔底，容易形成孔底處超挖，而孔口處又容易欠挖。不耦合裝藥系數(shù) ：其定義是炮孔直徑與藥卷直徑之比，光面爆破是要確定一個比較理想的不偶合系數(shù)范圍，以有效避開起爆時的應力峰值，減少對圍巖的破壞。通過查閱有關(guān)資料，一般情況下不偶合系數(shù)的選用范圍在1．15—1．28之間效果比較理想。
３．４　掏槽眼
所謂掏槽眼就是在開挖面中心炸出個槽子，使原只有一個臨空面變成兩個臨空面，以提高四周炮 眼的爆破效果，并確保掘進深度，掏槽眼對隧道掘 進起控制作用。 對于水平巖層，裂隙較發(fā)育，掏槽炮眼應布置在裂隙近旁(嚴禁炮眼鉆入裂隙中)，充分發(fā)揮巖層中的薄弱環(huán)節(jié)，減少掏槽眼爆 破的抵抗力。擴大掏槽眼的掏槽容積，例如單層掏槽眼改變?yōu)槿龑愚�槽眼，且掏槽眼位置降低，有利于緩解或減輕首次掏槽瀑破時對拱部水平巖層的震動。因水平巖層節(jié)理發(fā)脊，擴大掏槽眼后，洞渣塊度也同樣較小，不用二次裝藥改小大塊洞渣。同時掏槽眼的范圍擴大，每循環(huán)總裝藥量減少，不但有利于減小爆破帶來的震動，同時節(jié)約大量成本
３．３　輔助眼
輔助跟的作用是擴大掏槽眼的體積，為周邊眼創(chuàng)造有利條件，其間距與巖層特性有關(guān)，整體 性好的巖層，布眼宜密，較破碎的巖層宜疏。一般應避開節(jié)理、裂隙，尤其在水平頁巖中施工時。 水平巖層是隧道工程作業(yè)經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造,但在隧道鉆爆開挖過程中,水平巖層的光面爆破一直是一個技術(shù)難題。如果處理不好,隧道的拱頂會出現(xiàn)大面積平頂、落石、塌頂?shù)痊F(xiàn)象,不僅直接影響隧道的光面爆破效果,還會影響毛洞的圍巖穩(wěn)定性、初期支護的數(shù)量和永久支護的混凝土工程量,增加工程投資。過去施工中,因為水平巖層引發(fā)安全事故且增加工程造價的事例很多,所以水平巖層光面爆破技術(shù)對我們隧道施工意義重大,而正確和有力的施工組織管理,則對全面實現(xiàn)技術(shù)措施,收獲技術(shù)成果提供了保證。

４　光面爆破在洞子崖隧道的應用

４．１　工程概況
洞子崖隧道位于澄城縣馮源鎮(zhèn)境內(nèi)，洞長 1 323 m，為雙線隧道，全隧位于直線上。該隧道設(shè)計以Ⅲ級圍巖為主，該隧道圍巖穩(wěn)定性較好，巖性以砂頁巖互層為主，巖層多為水平層理，有時呈交互層理，部分地段夾有泥巖、鋁土巖、碳質(zhì)頁巖及煤層等。
４．２　光面爆破參數(shù)的選擇
光面爆破參數(shù)的選擇，通常采用簡單的計算并結(jié)合工程類比的方法進行初步確定，在初步確定后 根據(jù)現(xiàn)場爆破實踐加以修正完善。根據(jù)現(xiàn)場實際 情況洞子崖隧道開挖爆破參數(shù)確定如下。
４．２．１　不耦合裝藥系數(shù)
合理的不耦合裝藥系數(shù)使炮孔壓力低于孔壁巖石的動抗壓強度而高于動抗拉強度。洞子崖隧 道由于水平節(jié)理較發(fā)育，不耦合系數(shù)不應偏大， 取2．0—2．3較好，因此采用了直徑為 15 mm、 20 mm、25 mm三種乳化炸藥。 　
４．２．２　光爆孔間距E
在不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的前提下，光爆孔滿足孔內(nèi)靜壓力小于爆破巖體的極限抗壓強度而大于巖體 的極限抗拉強度，因此根據(jù)理論計算，光爆孔間距一般為孔眼直徑的10～l4倍。對于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石可以取小值，因洞子崖隧道圍巖為水平巖層且節(jié)理發(fā)育，光爆孔問距取 l0倍。
４．２．３　光面爆破層厚度 W
光面爆破的最小抵抗線，應大于光爆孔的間距。 通常以周邊眼的炮孔密集系數(shù)K=E／W表示，節(jié)理發(fā)育較好的圍巖抵抗線不應過大，根據(jù)以往經(jīng)驗洞子崖隧道K取0．8、E取50 cm比較合適。
４．２．４ 裝藥集中度
為了控制裂縫的發(fā)展，保持新壁面的完整穩(wěn)固，在保證沿炮孔連接線破裂的前提下，盡量減少 裝藥量。對于軟巖來說，一般采用70—120 m，中硬巖為200～300 g／m，硬巖300～350 m。
4.2.5　炮眼深度L
根據(jù)該隧道圍巖的實際情況：石質(zhì)以砂巖夾頁 巖、砂巖夾泥巖為主，圍巖軟硬相間，巖層近水平， 傾角3～1O°。，進行爆破預設(shè)計，確定炮眼深度為 3．0 m，周邊眼間距 E取40 cm。 堵塞長度：堵塞長度不小于20ｃｍ。
掏槽眼形式：掏槽眼采用楔形掏槽，開口角度控制在60～70°。，掏槽眼間距1．6 m，距底板線0．8～ l ｍ處。
4.2.6起爆間隔時間
洞子崖光面爆破采用分段微差爆破，隧道內(nèi)光面爆破選用非電毫秒雷管，分多段起爆(一般為 1、 3、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15段)，非電導爆管長度選擇7 m。起爆順序：掏槽眼一掘進眼一內(nèi)圈眼一周邊眼一底板眼。先掏槽后擴槽從低段到高段逐段起爆，周邊眼最后起爆。
4.2.6周邊炮眼裝藥結(jié)構(gòu)
該隧道周邊炮眼為ø14孔，采用不耦合系數(shù)不小于2．0，不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)采用ø25小直徑藥卷間隔裝藥；導爆管、竹片用電工膠布與炸藥卷綁在一起。起爆采用齊發(fā)起爆。注意控制隧道頂板 的周邊眼的準確度和炮孔間距。
4.3水平圍巖光面爆破設(shè)計
洞子崖隧道在Ⅲ級圍巖水平節(jié)理發(fā)育特別明顯時，在進行圍巖光面爆破參數(shù)設(shè)計時不僅考慮了 水平層間的周邊眼間距的調(diào)整，還同時嚴格控制了靠近周邊眼的主炮孔的裝藥量，要求任何主炮孔爆破產(chǎn)生的裂隙破壞區(qū)均不得超過周邊眼的裂隙破壞區(qū)，特別是對分層明顯的頂板位置。
爆破振動速度計算的振速范圍可參照經(jīng)驗公式計算 其 中，ｖ 為振速(cm／s)，Q為單孔裝藥量 (kg)，R為孔距(m)，對周邊眼產(chǎn)生危險的振速范圍為70～100 cm／s，對于 3 m的炮孔，周邊孔的線裝藥密度及與周邊眼相距 1 m的炮孔的裝藥量， 對光面爆破的質(zhì)量影響有很大關(guān)系。因此，光面爆破的爆破參數(shù)主要考慮孔徑西、藥徑 d、線裝藥 密度q，最小抵抗線 和孔間距E等。根據(jù)以上光面爆破參數(shù)的選擇情況進行參數(shù)設(shè)計，該光面爆破參數(shù)見表１。

表１　雙線III級圍巖光面爆破參數(shù)

雙線III級圍巖光面爆破炮眼布置如圖１。

圖１　掏槽眼炮眼布置
４.４　開挖過程中的防坍塌問題
開挖過程周圍巖石松動、落石、局部坍塌，大的坍方冒頂，這些都是開挖過程中的安全問題，也往往是隧道超挖的原因。坍塌是周圍的巖石不穩(wěn)定造成的，屬于一種地質(zhì)災害，但是“誘導因素”主要是人為造成的。
(1)開挖過程中，不注意開挖面的地質(zhì)素描，開挖不當造成超挖。隧道開挖過程中要做好地質(zhì)記錄，充分利用對上一循環(huán)的爆破效果評判，優(yōu)化本循環(huán)的爆破參數(shù)，減少超、欠挖。
(2)爆破參數(shù)確定后，未嚴格按照爆破設(shè)計進行施工。施工不按炮眼設(shè)計位置鉆孔， 眼、多裝藥，好巖石炸松動了，也造成應力集中現(xiàn)象，也將造成落石坍方。
(3)在圍巖較差、節(jié)理發(fā)育的隧道中，爆破參數(shù)選擇不合理。在爆破過程中應根據(jù)現(xiàn)場圍巖變化的實際情況，參照爆破設(shè)計的參數(shù)取值對當次循環(huán)的爆破參數(shù)進行調(diào)整，以確保光面爆破效果，盡量避免隧道坍塌事故的發(fā)生。
(4)對于水平成層圍巖來說，降低爆破震動效應，減小爆破震動對圍巖的影響，是防止拱部掉塊和影響拱部光爆效果的重要因素之一。