隧道光面爆破参数优化及应用研究

杨 瑞,罗韩军,陈雁斌,张小宁,冯少华

(中铁七局集团西安铁路工程有限公司,陕西 西安 710032)

0 引言

随着国家经济的高速发展,交通建设规模不断扩大,但由于西部地区地势崎岖、多山,大规模建设山岭隧道成为一项艰巨任务。目前,主要采用钻爆法进行山岭隧道的施工建设,通过钻孔、装药、爆破、通风、支护和出渣等工序来掘进隧道。然而,钻爆法施工存在可控性差、超欠挖风险大、施工条件差、爆破自由面少、炸药消耗量大等缺点[1-3]。这些问题给隧道施工带来的困难和风险,可能导致人员伤亡、机械损坏和工期延误等不良后果[4]。

鉴于此,一种能按照设计轮廓爆破岩体、能控制超欠挖、能使围岩不受明显破坏的光面爆破技术提出并逐渐被广泛应用[5]。顾浩杰[6]介绍了光面爆破工法的爆破施工参数及起爆网络设计要点,并详细探讨了石方开挖光面爆破施工技术及爆破控制措施,在有效推进施工进度的同时,减少了不必要的地质破坏。简强[7]为提高光面爆破技术在小断面隧道施工中的应用效果,概述了光面爆破技术基本原理,并研究了光面爆破技术操作要点,为相关隧道工程参数优化方向提供有益参考。毛国宾等[8]以云南大红山铜矿巷道为工程背景,优化装药量、炮孔布置、线装药密度、炮孔间距及光爆层厚度等参数,改善了超欠挖状况,炮孔利用率从81%提高到了87.7%,眼痕率从53.3%提高到了80%,提升了炮孔利用率且爆后轮廓面光滑平整。朱耀璋[9]为得到高地应力作用下互层软岩隧道爆破施工参数,在甘肃尖山隧道互层软岩段采用光面爆破,考虑炮孔直径和炮眼间距2种水平因素,与原隧道设计轮廓进行对比分析,得到光面爆破可更好地控制超欠挖。陈林等[10]运用LS-DYNA软件建立隧道爆破模型,研究不同倾角节理时同种周边眼光面爆破参数下的爆破效果,研究发现层状节理围岩下隧道爆破产生明显的超欠挖现象,且超欠挖量与倾角大小成负相关。虽然光面爆破技术可提高施工效率,但在复杂的地质条件下,仍可能遇到困难。岩层变化、地下水、断层等因素可能导致爆破效果不理想,需在实践中进行调整和改进爆破,计算和校核爆破安全距离。总体而言,光面爆破技术在隧道施工中具有一定的应用价值,但仍需进一步研究和改进。

本文以兰合铁路西固隧道为背景工程,针对原有非光面爆破方案引起的围岩受损程度严重、岩层出现严重破碎或断裂,及在某些爆破区域挖掘深度超过预期或未达到预期要求等难题,对光面爆破方案进行参数优化,安全距离校核后在施工现场隧道掘进中应用,以期控制超欠挖,实现更稳定的岩层条件,提高施工效率,减少资源浪费和额外的修复工作,并为山岭隧道确定合理的光面爆破参数提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

西固隧道位于甘肃省兰州市西固至刘家峡区间,为双洞单线隧道,左右线隧道分修,左线起讫里程DK1+652.03—DK17+428,长13 433m,右线起讫里程DYK4+200—DYK17+255,长13 049m;本标段隧道施工共18个掌子面,其中进口施工4.331km;1号斜井施工6.256km,2号斜井施工6.283km,3号斜井施工4.967km,4号斜井施工4.645km。隧道地理位置如图1所示。

图1 隧道地理位置Fig.1 Location of the tunnel

1.2 地质构造及水文地质

1)地质构造 兰州地区经历了强烈的新构造运动,主要表现为间歇性的垂直上升和下降运动,从而形成多个级别的阶地。这些阶地间的高差非常显著,区域性上升和下降运动频繁,引起剧烈的断裂,形成了独特的二元结构地貌。隧址区在大地构造上属祁连山褶皱系,位于中祁连中间隆起带二级构造单元内。

2)水文地质 标段范围内有零星地表流水,其中进口段为黄河右岸高阶地,地表多为农田耕地,在灌溉季节沟渠及农田中多有灌溉水。洞身地表冲沟多为季节性流水冲沟,仅在雨季暴雨时有瞬时洪流。本标段隧道地下水对混凝土结构产生硫酸盐化学侵蚀及盐类溶解结晶侵蚀,其中DK3+995—DK5+250(DYK3+971—DYK5+250)硫酸盐侵蚀H4,氯盐侵蚀L3,盐类结晶破坏Y4,其他地段不同程度存在盐类侵蚀或结晶破坏。

2 光面爆破技术

2.1 光面爆破技术要求

采用控制爆破开挖时,在正洞、斜井及正洞、斜井与连接通道交叉口开展爆破振速监测,应急封堵墙爆破振动速度≤1.0cm/s,正洞、正洞与斜井交叉口处爆破振动安全允许振速≤3.5cm/s,斜井与连接通道交叉口处爆破振动安全允许振速≤15cm/s。连接通道与正洞净距小于30m段采用机械开挖,减小对围岩的扰动。

光面爆破参数的选择受多个因素的影响。首先考虑的是地质条件,不同的地质条件对爆破参数有重要影响;其次,炸药的品种和性能也是一个关键因素;此外,隧道开挖断面的形状和尺寸,及装药结构和起爆方法等因素也会对参数的选择产生显著影响。因此,在进行光面爆破时,需综合考虑以上因素来确定最合适的爆破参数。西固隧道控制爆破开挖段主要为Ⅲ级、Ⅳ级围岩,采用2号岩石乳化炸药,周边孔为光爆孔和预裂孔,选择不耦合间隔装药的方式,以实现特定的爆破效果。另外,在其他炮眼上采用连续柱状装药的方法,以满足不同区域的需求。为精确控制爆破序列并确保安全,引入导爆索和毫秒延期导爆雷管(MS1,MS3,MS5,MS7,MS9,MS11,MS13)分段间隔起爆,从而起到减小爆破振动、增强爆破效果、降低爆破单耗的作用。

光爆孔和预裂孔一般应采用间断不耦合装药,但由于孔深较浅,单孔装药量小,若将炸药直接装入底部,可能造成超挖;若将炸药装在炮眼中部,则可能形成欠挖。针对上述情况,一个关键条件是对周边炮眼进行严格的装药量控制,并采用合理的装药系数及装药结构,尽可能使炸药沿炮眼均匀分布,以确保爆破效果的一致性和可控性。其中不耦合系数、孔间距和外插角等对控制隧道的超欠挖起决定性作用,因此周边孔爆破参数对隧道爆破质量极其重要。

2.2 光爆参数

2.2.1钻爆机具

西固隧道掘进爆破,采用YT24型、YT28型气腿式风动凿岩机进行人工钻孔,保证钻孔直径为42mm;为确保爆破的安全性和连贯性,采用φ32的2号岩石乳化炸药,应用双电雷管引爆系统,通过在炮眼内部使用起爆传爆装置,实现爆破效果的传导;同时采用跳段雷管来扩大掏槽的效果。

2.2.2不耦合系数

不耦合系数D是指炮眼直径dk与药卷直径di的比值。在周边眼设计中,需确保爆炸后施加在炮眼壁上的压力不超过围岩的抗压强度。经过西固隧道的实践验证,当围岩为软岩时,最佳缓冲效果和光爆效果可在不耦合系数为2.0～2.5之间实现。这种范围内的不耦合系数选择对于爆破工作效果最佳。

为实现控制爆炸效果并确保合适的周边眼设计,对周边眼沿长度方向进行2号岩石乳化炸药的切割,使其相当于φ20小药卷。这样的设计使周边眼的不耦合系数D=42/20=2.1,符合D=2.0～2.5的要求。不耦合系数是光面爆破中的重要影响因素之一,合理的不耦合系数可控制对炮孔壁的损伤,并确保周边孔的爆破损伤区范围可控。通过以上措施,可有效控制光面爆破效果,并确保施工过程中的安全性和可控性。

2.2.3周边眼间距、最小抵抗线和相对距系数

最小抵抗线的确定与开挖隧道断面大小密切相关。当断面跨度较大时,光爆眼所受到的夹制作用较小,岩石易崩落,因此可将最小抵抗线设置得较大。当断面较小时,光爆眼所受到的夹制作用较大,因此可将最小抵抗线设置得较小。此外,最小抵抗线的设定还会受到岩石性质和地质构造的影响,坚硬的岩石可设定较小的最小抵抗线,松软破碎的岩石可设定较大的最小抵抗线。对于西固隧道标段而言,隧洞岩质主要为软岩,因此确定最小抵抗线W的范围为0.40～0.70。这样的设定有助于确保施工过程中的稳定性和安全性。

相对距系数是用来衡量周边眼之间距离E与最小抵抗线W之间关系的一个比值,对爆破效果具有重要影响。K值在隧道领域取值为小于1的数值,当药卷直径di取值为38～46mm时,E通常为 30～50cm,W取值为50～100cm,此时,K的取值范围为0.5～0.8。考虑到该爆区岩石节理较发育,并参照规范周边眼间距取值范围40～50cm,周边眼间距取45～48cm,根据试爆后及随着开挖岩层的不同适时进行调整优化。炮眼间距取值45cm,最小抵抗线值取80cm,K=E/W=0.562 5。

2.2.4炮眼装药系数

周边眼的装药集中度采用规范取值范围0.07～0.15kg/m3,针对现场围岩情况,选取0.15kg/m3,其他炮眼填充系数为:掏槽眼75%,辅助眼70%,底板眼75%。

2.2.5周边孔装药量

若炮孔装药量过小,可能无法产生足够的爆炸能量,导致无法有效地破碎围岩。相反,若炮孔装药量过大,可能引起过度破坏,超出设计范围,导致围岩断裂、塌方等严重问题。因此,合理控制炮孔装药量的大小至关重要。通过科学的设计和调整,确保炮孔装药量适中,可实现光面爆破的预期效果,并最大限度地降低对围岩的不必要损伤。光爆孔采用线装药密度计算单孔装药量:

Q1=qmL

(1)

式中:qm为线装药密度,通常取0.10～0.20kg/m,本工程取0.20kg/m;L为炮孔深度(m)。

计算得,单孔装药量Q1=400g=0.4kg。

2.2.6循环进尺

结合西固隧道现场实际情况,隧道开挖循环进尺的确定主要由以下几方面因素确定。

1)根据所采用的钻孔机具确定,用气腿式风动凿岩机钻孔时,一般钻孔深度以不超过3.0m为宜。

2)按照隧道开挖的施工规范和支护要求,每循环进尺通常按2榀计算,即拱架间距为0.90m时,每循环进尺按1.80m规划;拱架间距为1.0m时,每循环进尺按2.0m规划。考虑到钻孔的有效利用率,则应根据岩石特性,适当增加超钻深度。

3)根据掏槽形式来确定。当前国内水平孔垂直掏槽最大深度约为5.0m,再深钻孔速度会显著下降。

4)根据施工要求的月进度进行循环进尺计算:

(2)

式中:l为钻孔深度(循环进尺);L为按月进度要求的炮孔深度,设计规划Ⅴ级围岩平均月进度为50m;n1为每一个循环需要的小时数;n为每月能掘进的天数,平均作业每月可取30d,单行作业在采用喷锚支护时取27d,如采用永久性支护时取18～20d;η为炮孔利用率,一般取0.8～0.9;η1为循环率,一般为80%～90%。

3 光面爆破施工技术

兰合铁路西固隧道为双洞单线分修特长隧道,其中Ⅲ级围岩的长度各占隧道洞身总长的29%左右,Ⅳ,Ⅴ级围岩占约71%。围岩掘进采用光面爆破法,Ⅲ级围岩采用全断面施工,而Ⅳ级和Ⅴ级围岩采用台阶法或三台阶法进行临时横撑施工。若使用大型机械设备进行施工,则Ⅳ,Ⅴ级围岩采用微台阶法施工,洞地段采用明挖法施工。

3.1 光爆施工参数

光爆孔按照预定间距布置,但在实际施工过程中,参数会根据效果进行调整。若效果不理想,工程中会采取少装药、多钻孔,以减少每次装药的数量。西固隧道围岩钻眼布置如图2所示,爆破技术参数如表1所示。钻孔深度4.5m,掏槽眼、底板眼孔深4.8m,炮眼利用率90%,每循环进尺3.87m,炸药单耗1.0kg/m3。间隔装药用竹片绑扎,导爆索配合,均匀放置于孔内。本计算断面未考虑实际外放尺寸,施工中可用12cm的喷射混凝土调节。

表1 光面爆破参数Table 1 Smooth blasting parameter

图2 钻眼布置示意(单位:cm)Fig.2 Drilling arrangement(unit:cm)

3.2 光爆施工装药

1)掏槽孔、扩槽孔和辅助孔均采用连续密实装药结构,反向起爆。

2)光爆孔一般应采用间断不耦合装药,由于孔深较浅且单孔装药量较小,可采用空气柱装药结构。这种方法将药卷切段,并将其捆绑在导爆索或雷管上。然后将这些药卷分别放置在炮孔后部孔底和炮孔中部的适当位置。在孔口段,使用炮泥堵塞20～40cm长度,剩余部分不装填堵塞物,保持前后药卷之间为空气。通过这种方式,能在浅孔条件下有效控制爆破效果,并确保施工的安全性,不耦合装药如图3所示。

图3 不耦合装药示意Fig.3 Uncoupled charge

3.3 起爆网路设计

采用导爆管雷管孔内毫秒延时起爆网路,孔外采用簇联形式连接,如图4所示。为给孔外传爆留一定的时间间隔,孔内相比于孔外应采用段别高、延时长的雷管。

图4 簇联起爆网路示意Fig.4 Cluster initiation network

4 光面爆破安全校核与效果评价

4.1 光面爆破振动安全校核

1)设计爆破安全允许振速

设计爆破安全允许振速距正洞≤3.5cm/s,距竖井横通道封堵墙≤1cm/s,距正洞与斜井交叉口≤1.5cm/s。

2)爆破振速计算

根据GB 6722—2011《爆破安全规程》爆破地面振动速度计算:

V=K(Q1/3/R)α

(3)

式中:V为保护对象所在地安全允许质点振速;R为爆破振动安全允许距离;Q为炸药总量,延时爆破为最大单段药量(MS11),取77.6kg;K,α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,按表2选取,软岩石选取K=250,α=1.8。

表2 爆破区不同岩性的K,α值Table 2 K and α values of different lithology in blasting area

4.2 光面爆破飞石安全距离

爆破飞石的飞散距离是划定爆破安全警戒范围和确定防护等级的主要依据:

Rf=20Kfn2W

(4)

式中:Rf为爆破飞石安全距离;Kf为安全系数,一般取1.0～1.5;n为爆破作用指数,取1;W为最小抵抗线,取0.8m。

取Kf=1.5,计算得Rf=24m,即个别飞石飞散距离的计算结果为24m。

4.3 光面爆破质量效果

采用非光面爆破方案施工时的超欠挖现象如图5所示。由图5可知,非光面爆破方案虽每次单循环爆破掘进进尺满足需求,但爆破导致围岩出现大量裂缝和断裂,这些裂缝可能会对结构稳定性造成影响,爆破引起的震动和应力导致轮廓面不平整,围岩出现凸起和凹陷部分。

图5 非光面爆破导致超欠挖现象Fig.5 Non-smooth blasting leads to overbreak and underbreak phenomenon

这主要是由于非光面爆破的单次爆破装药量较大且主要集中在炮孔底部,爆破能量在岩体中分布不均匀,导致孔底处围岩破碎严重,位于孔底区域的围岩破碎程度明显增加,孔底残留清晰可见的纵向裂缝,这些裂缝可能在岩体中延伸,并对结构稳定性产生负面影响。孔底附近的围岩被过度破碎和破坏,导致挖掘超出了预期范围。爆破能量不足区域可见“挂口”现象,出现欠挖。

光面爆破效果如图6所示。由图6可知,通过优化调整炮眼参数和提高炮孔堵塞质量,爆破能量在岩体中的分布更均匀,这使爆破产生的岩石块状物明显变小,碎石程度增加,从而改善了爆破后岩石块过大的现象,使后续的出渣工作更加顺畅和高效。且采用不耦合装药方式极大地提高了炸药利用率,爆炸冲击应力波对于周边围岩的破碎效果较稳定,形成的轮廓壁面光滑平整,整体受力稳定性能较好,极大地改善了超欠挖现象的发生,减少了二衬喷射混凝土的用量,获得了较好的光面爆破效果,围岩的连续性和完整性基本未受到爆破作用的影响。

图6 光面爆破效果Fig.6 Smooth blasting effect

根据光面爆破后的现场数据检测得到,炮眼利用率提高至93%～95%,远高于光面爆破的基本质量标准。隧道开挖轮廓光滑平整,不平整度在12cm以内,平均线性超挖量由非光面爆破的25cm减小为14cm,局部欠挖量从18cm下降到5cm范围以内,隧道开挖轮廓断面的平整度得到有效提高,降低了后续施工难度,炮孔利用率从75%提高到90%以上,炸药能量的利用率也得到了提升,使冲击波峰值压力被削弱,极大地减小了爆破作用对围岩造成的破裂与损伤。

5 结语

1)山岭隧道围岩环境复杂,全断面开挖采用非光面爆破耦合装药时,炸药产生的应力波和爆生气体的作用时间缩短,爆炸无用功增加,炸药的使用利用率较低,爆破后观察到围岩遭受到了严重的破裂和断裂,轮廓面出现了明显的凸起和凹陷不平,超欠挖现象严重。

2)采用光面爆破方案对兰合铁路西固隧道进行开挖,炮孔利用率提升93%～95%;隧道周壁的不平整度在12cm以内,成功控制了超欠挖问题。相比于非光面爆破,平均线性超挖量显著减小,由25cm降低至14cm,局部欠挖量从18cm下降到5cm范围以内,取得了良好的爆破效果。

3)采用优化爆破参数后的光面爆破方案,可获得光滑连续的隧道开挖轮廓面,极大地降低了对围岩的干扰和破坏程度,从而显著提高了掌子面作业的安全性;超欠挖的控制对二次衬砌的质量保证至关重要,减少喷射混凝土用量既能保证施工进度,又能实现成本节约。