礦山法隧道光面爆破技術(shù)及超挖控制方法

高原

摘要：結(jié)合寧波至象山市域鐵路工程礦山法隧道施工，深入研究了光面爆破技術(shù)特點。在闡述了光面爆破技術(shù)參數(shù)和施工技術(shù)要點基礎(chǔ)上，分析光面爆破超挖問題原因及控制措施。工程實踐表明，在復雜地質(zhì)條件下，隧道仰拱采用光面爆破技術(shù)，可滿足隧道開挖施工精度和施工安全要求，且施工成本顯著低于傳統(tǒng)爆破施工技術(shù)，具有良好的應用推廣價值。

關(guān)鍵詞：復雜地質(zhì)；礦山法隧道；光面爆破技術(shù)；超挖控制

0? ?引言

隧道仰拱開挖時，采用鉆爆法開挖易出現(xiàn)超挖、欠挖等問題[1]，對隧道施工安全和工程質(zhì)量造成較大影響。在隧道施工中應用光面爆破技術(shù)，可顯著提高隧道施工穩(wěn)定性，降低隧道爆破對圍巖結(jié)構(gòu)造成的擾動和破壞，但在復雜地質(zhì)條件下，光面爆破施工質(zhì)量受多方面因素影響，要求施工單位合理確定光面爆破參數(shù)，嚴格控制爆破超挖標準，降低光面爆破對隧道圍巖的影響[2]，提高隧道光面爆破施工效果，保障隧道工程順利施工。本文結(jié)合礦山法隧道工程項目，深入研究光面爆破技術(shù)應用技術(shù)要點，以期為隧道工程施工提供有益參考。

1? ?工程概況

寧波至象山市域（郊）鐵路工程SGXS03標段，起點為竺家莊隧道進口DK7+635.165，終點為張家?guī)X隧道洞身DK18+300.00處，里程范圍DK7+635.165～DK18+300.00。標段內(nèi)線路全長10.665km，其中，區(qū)間橋梁長度1.739km，礦山法隧道長度8.926km，包括竺家莊隧道、龍王廟隧道、西舟嶺隧道、石神洞隧道、華山村隧道和張家?guī)X隧道共計6座隧道，橋梁占比16.31%，隧道占比83.69%。

選擇隧道仰拱爆破施工工藝時，專家組對傳統(tǒng)爆破開挖技術(shù)和光面開挖技術(shù)優(yōu)缺點進行了對比。傳統(tǒng)爆破開挖技術(shù)采用連續(xù)炮孔裝藥，會造成其軸線方向裝藥位置爆炸產(chǎn)生的壓力，顯著大于炮孔周圍圍巖極限抗壓強度，易形成周圍巖石破碎圈，導致仰拱輪廓圓順度較差、超挖嚴重。相較于傳統(tǒng)爆破開挖技術(shù)，光面爆破技術(shù)開挖隧道仰拱施工工藝可有效控制爆破對圍巖結(jié)構(gòu)的影響，實現(xiàn)隧道仰拱光面爆破效果。經(jīng)專家組論證研究，該工程仰拱采用光面爆破技術(shù)。

2? ?工程施工難點問題

2.1? ?地質(zhì)條件差

根據(jù)地勘資料可知，工程所在場地屬于低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，地面標高2.84～172m，地勢較高處基巖裸露，巖性以凝灰?guī)r為主，坡地分布坡洪積層，淺部覆蓋層較薄，以黏土混碎石為主，層面起伏較大，厚度較小。

隧道區(qū)間內(nèi)巖土層自上而下為含黏性土角礫、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖、微風化凝灰?guī)r，隧道巖土層主要穿越Ⅴ級圍巖，巖性破碎-極破碎，開挖時易掉塊坍塌，穩(wěn)定性差，局部穿越淺埋、破碎帶段，地質(zhì)條件復雜多變，為此防變形、防坍塌、防涌水、防突水是隧道施工難點問題。

針對該工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜、圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的難點問題，施工單位在仰拱光面爆破施工中遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的原則爆破施工，以此降低光面爆破施工對圍巖結(jié)構(gòu)擾動作用，充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)性，確保隧道施工安全。

2.2? ?爆破施工安全管理難度大

該工程礦山法隧道洞口300m爆破安全范圍內(nèi)存在民居等構(gòu)建物，爆破施工產(chǎn)生的爆破力波、沖擊波、飛石等，可能對周圍構(gòu)建物和道路通行產(chǎn)生安全影響。針對潛在安全風險，施工單位制定爆破安全管理方案如下：

對光面爆破編寫專項方案并對其進行方案論證，確保爆破施工安全。涉路洞口石方開挖采用液壓錘、靜態(tài)爆破等非爆工藝。涉路洞口以松動爆破、光面爆破為主，施工單位通過優(yōu)化光面爆破參數(shù)，并加強試爆、震速監(jiān)測，降低光面爆破對周圍環(huán)境的影響。在臨民居側(cè)設(shè)置安全檔護。

3? ?光面爆破技術(shù)應用

光面爆破會受到圍巖強度、圍巖節(jié)理、層理等地質(zhì)因素影響，現(xiàn)場圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)場爆破施工需根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況進行動態(tài)調(diào)整。根據(jù)該思路，施工單位在同一類圍巖結(jié)構(gòu)中試爆取得試驗參數(shù)，將該試驗參數(shù)作為本循環(huán)技術(shù)參數(shù)依據(jù)和下一循環(huán)預設(shè)計與試爆破依據(jù)。

3.1? ?爆破參數(shù)預設(shè)計

3.1.1? ?爆破設(shè)計要求

光面爆破施工中，設(shè)計采用32mm×200mm乳化炸藥，每卷180g。雷管采用非電毫秒雷管。為確保炸藥和雷管運輸安全，本項目爆破材料均由項目部統(tǒng)一采購，并由公安機關(guān)指定民爆公司統(tǒng)一配送。

工程光面爆破技術(shù)要求如下：仰拱零欠挖、少超挖，平均線性超挖量≤12cm；仰拱周邊眼痕跡保存率，硬巖痕跡保存率≥80%，中硬巖痕跡保存率≥65%，并應在仰拱開挖輪廓面均勻分布；仰拱每循環(huán)開挖接茬錯臺≤15cm。

根據(jù)隧道巖土層巖土特性、圍巖完整程度、節(jié)理裂隙等地質(zhì)條件，施工單位現(xiàn)場采集巖樣對其進行實驗，分析獲得巖石單軸飽和抗壓強度等參數(shù)確定預爆破參數(shù)，如表1所示。

3.1.2? ?炮眼數(shù)量和裝藥量計算

炮眼數(shù)量直接影響鑿巖工作量，根據(jù)開挖斷面、炮眼直徑、巖石性質(zhì)和炸藥性能有關(guān)。考慮到炮眼數(shù)量必須裝入設(shè)計裝藥量，該工程按平均分配原則設(shè)計計算。

N=qS/r? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：N為炮眼數(shù)量，q為單位體積耗藥量，S為開挖斷面面積，r為每米炮眼裝藥量。

炮眼裝藥量直接影響光面爆破效果。裝藥量不足可能出現(xiàn)炸不開、炮眼利用率低和石碴過大等問題。裝藥量過大則可能造成圍巖破壞、崩壞支撐和機械設(shè)備、拋碴過散等問題，并可能增加隧道內(nèi)有害氣體含量，威脅隧道內(nèi)施工安全?？紤]到該工程隧道仰拱采用光面爆破，周邊眼低猛度炸藥，掏槽眼采用相對較高猛度的炸藥，裝藥量可按下式計算。

Q=qV? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

V=Is? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Q為單爆破循環(huán)總藥量，q為爆破1m3巖石耗藥量，V為每循環(huán)進尺所需爆破巖石總體積。I為計劃循環(huán)進尺，s為爆破開挖面積。根據(jù)炮眼數(shù)量和裝藥量計算結(jié)果確定施工參數(shù)。

3.1.3? ?爆破網(wǎng)絡(luò)連接

光面爆破采用孔內(nèi)毫秒導爆管雷管延期，孔外采用同段別爆管雷管簇網(wǎng)絡(luò)連接方法，使用導爆管雷管一次擊發(fā)起爆。該方法能夠有效控制和改善起爆質(zhì)量、效果，確保隧道仰拱光面爆破現(xiàn)場施工安全。現(xiàn)場起爆時，掏槽孔最先起爆，輔助孔順序起爆，周邊孔同時起爆，底孔最后起爆。通過采用不同段別雷管孔內(nèi)延期起爆，孔外同段雷管簇連一次性同時起爆[3]，達到精確控制起爆烈度、影響范圍的目的。

3.1.4? ?裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

周邊孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，掏槽孔、輔助孔和底板孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。鑒于隧道仰拱地質(zhì)情況較為復雜，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整周邊孔裝藥量。對于局部圍巖穩(wěn)較差的可在周邊孔基礎(chǔ)上增加輔助孔，并通過采用不裝藥、減少裝藥量等方法調(diào)整周邊孔爆破參數(shù)。

為提高爆破能量利用效率，工程中設(shè)計采用炮泥（砂：土：水=3：1：1）堵塞，堵塞裝藥時填塞密實，確保無空隙、間斷。根據(jù)炮孔位置和作用不同對堵塞長度進行差異控制，并確保裝藥結(jié)構(gòu)堵塞長度≥40cm。

3.2? ?鉆孔施工

鉆孔前，為解決人工鉆鑿仰拱周邊孔時可能面臨的外插角過大、仰拱開挖錯臺和超挖嚴重等問題，施工單位通過配置鉆孔反力支座鉆孔方式，減小氣腿與地表夾角，從而達到降低周邊孔插角的目的。仰拱部分周邊孔鉆孔時，氣腿端部支承在開挖反力支座橫梁上提供反力，以確保氣腿與地表間夾角足夠小。通過采用鉆孔反力支座方式保障鉆孔角和鉆孔深度，能夠有效防止超挖問題。

3.3? ?爆破施工

爆破施工前，施工單位結(jié)合周圍環(huán)境情況，對隧道仰拱光面爆破安全性進行校核。距隧道洞口最近建筑為進口處民房，最小距離為100m?！侗瓢踩?guī)程》（GB 6722-2014）要求，一般民用建筑物允許振動速度為2.0～2.5cm/s。

為確保民居建筑安全，本工程按一般民用建筑允許安全振速1.0cm/s計算最大允許段起爆裝藥量，并計算距民居距離與裝藥量關(guān)系。計算結(jié)果顯示，距民居50m最大裝藥量為10.9kg，100m最大裝藥量為87.0kg，150m最大裝藥量為293.5kg，200m最大裝藥量為695.7kg。根據(jù)安全裝藥量，施工單位對隧道仰拱光面爆破裝藥量、與民居距離進行對比驗算，確定工程設(shè)計最大爆破裝藥量符合安全振速的要求。

為確?，F(xiàn)場爆破施工安全，施工單位加強現(xiàn)場測振?？紤]到爆破飛石安全風險，施工單位借助Lundborg統(tǒng)計規(guī)律，計算隧道內(nèi)光面爆破飛石距離為63～67m，隧道明洞個別飛濺物距離為21m。隧道內(nèi)部爆破施工時人員撤離至300m外，可確保爆破施工安全。明洞爆破安全距離50m。

4? ?爆破超挖原因分析及超挖控制

隧道光面爆破施工過程中，施工單位發(fā)現(xiàn)局部斷面存在超挖問題。經(jīng)專業(yè)測量人員測量對比分析，發(fā)現(xiàn)存在問題包括：爆破后局部圍巖巖面粗糙、不規(guī)則；隧道輪廓超挖超出控制標準，導致初支混凝土量增加。

結(jié)合現(xiàn)場仰拱巖性、節(jié)理發(fā)育和爆破施工參數(shù)，施工單位對隧道超挖原因進行分析并采取一定的控制措施，具體如下：周邊眼間距控制為45～50cm偏大，超挖部位周邊眼間距≥50cm，后續(xù)將其優(yōu)化調(diào)整為40cm。優(yōu)化周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，適當減少孔底的裝藥量，增加中段裝藥量。外插角精度控制不到位，局部超挖外插角過大，加之隧道巖體節(jié)理和裂隙發(fā)育，隧道仰拱在爆破振動作用下發(fā)生振動，影響光面爆破效果。現(xiàn)場嚴格控制外插角為3～5°，降低外插角偏差對爆破效果的影響。經(jīng)超挖原因分析和爆破參數(shù)調(diào)整后，超挖問題得到有效改善，如表2所示。

5? ?爆破效果分析

通過加強隧道光面爆破施工管理和優(yōu)化控制，使得該工程隧道仰拱光面爆破施工效果良好。根據(jù)隧道施工過程中測量記錄，統(tǒng)計分析隧道仰拱爆破施工質(zhì)量數(shù)據(jù)，均符合質(zhì)量控制標準要求。仰拱圍巖面光滑、平整，炮眼痕跡保存率≥85%，優(yōu)化調(diào)整后超挖問題顯著改善，滿足工程設(shè)計質(zhì)量標準，表明該工程光面爆破效果良好。光面爆破施工質(zhì)量標準如表3所示。

6? ?結(jié)束語

在復雜地質(zhì)隧道工程中應用光面爆破技術(shù)，通過調(diào)整炮眼間距、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)，可降低爆破施工對仰拱圍巖穩(wěn)定性的影響。工程施工完成后，經(jīng)對比同類工程采用傳統(tǒng)爆破技術(shù)開挖成本，隧道仰拱采用光面爆破施工技術(shù)可降低成本約35.14%，具有良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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