隧道掘進(jìn)下臺(tái)階垂直鉆孔爆破技術(shù)應(yīng)用

劉媛媛,湯志健,劉清源

(1.中國(guó)爆破器材行業(yè)協(xié)會(huì),北京 100089;2.北京中科力爆炸技術(shù)工程有限公司,北京 101318)

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)隧道爆破掘進(jìn)主要采用氣腿式鑿巖機(jī),利用臺(tái)車(chē)作為鉆孔平臺(tái),由人工進(jìn)行水平炮孔鉆孔及裝藥作業(yè),在水平炮孔裝藥過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)卡孔、堵孔、炸藥無(wú)法裝入的情況[1-3],同時(shí)由于炮孔數(shù)量多、水平炮孔填塞難度大,很多地區(qū)存在不填塞或僅用炸藥紙箱進(jìn)行填塞的違規(guī)操作,爆破效果差,影響隧道的施工安全和施工效率[4-6]。

根據(jù)隧道爆破分部開(kāi)挖的特點(diǎn),提出在隧道分部開(kāi)挖過(guò)程中,下臺(tái)階爆破采用由小型履帶鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行垂直鉆孔、實(shí)施較大規(guī)模的多排孔臺(tái)階爆破。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及開(kāi)挖深度進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)和起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì),通過(guò)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析和評(píng)估爆破有害效應(yīng)可能造成的危害,為隧道采用垂直鉆孔爆破的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

依托于北京國(guó)道109 新線(xiàn)高速公路黃臺(tái)隧道工程,該隧道全長(zhǎng)4 014 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面開(kāi)挖高度9.18～11.67 m,開(kāi)挖寬度16.54～17.06 m,隧道斷面為127～164 m3,隧道Ⅲ級(jí)圍巖占比41.6%、Ⅳ級(jí)圍巖占比37%、Ⅴ級(jí)圍巖占比21.4%,其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用兩臺(tái)階分部開(kāi)挖法進(jìn)行爆破掘進(jìn),下臺(tái)階分左右側(cè)交替掘進(jìn)向前推進(jìn)。

1.2 工程難點(diǎn)

項(xiàng)目自2020 年開(kāi)工以來(lái),受疫情、冬奧會(huì)、其他活動(dòng)停工以及爆破作業(yè)時(shí)間(6:00 至20:00)限制等因素影響,項(xiàng)目按常規(guī)作業(yè)無(wú)法按預(yù)期工期目標(biāo)完工。 隧道斷面上臺(tái)階每天完成一個(gè)爆破作業(yè)循環(huán),下臺(tái)階一側(cè)完成一個(gè)爆破作業(yè)循環(huán),下道掘進(jìn)速度延后,為保證上下臺(tái)階步距符合相關(guān)安全要求,掘進(jìn)一段時(shí)間后須停止上臺(tái)階掘進(jìn)作業(yè),僅進(jìn)行下臺(tái)階爆破掘進(jìn),直至步距符合安全要求后再進(jìn)行上臺(tái)階斷面掘進(jìn),停止上臺(tái)階爆破影響隧道貫通工期要求。 為保證隧道如期貫通,在施工過(guò)程中,項(xiàng)目以上臺(tái)階掘進(jìn)爆破貫通為目標(biāo),下臺(tái)階爆破為輔。 為保證上下臺(tái)階步距符合相關(guān)要求,同時(shí)減少人員投入,提高機(jī)械化作業(yè)效率,下臺(tái)階采用垂直鉆孔爆破。 本次試驗(yàn)段起始里程為AK24+360,均為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖,上臺(tái)階高度7.8 m,下臺(tái)階高度3.5 m,在施工過(guò)程中采用數(shù)碼電子雷管延期起爆技術(shù),對(duì)爆破振動(dòng)、初襯破壞情況、爆破效果以及施工效率與常規(guī)水平孔爆破對(duì)比。

2 試驗(yàn)方案及參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告,里程AK24+320—AK24+567段隧道為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖,左右線(xiàn)圍巖狀況及巖性基本一致。 選取隧道左線(xiàn)大里程方向AK24+360 位置處,開(kāi)始實(shí)施下臺(tái)階垂直孔首次爆破試驗(yàn),利用全站儀對(duì)下臺(tái)階開(kāi)挖深度進(jìn)行測(cè)量,以此確定鉆孔深度及孔網(wǎng)參數(shù)。 采用小型挖掘機(jī)改造的履帶式潛孔鉆機(jī)配合人工清孔進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

以隧道下臺(tái)階一次爆破進(jìn)尺10 m 為例,下臺(tái)階左右兩側(cè)采用交替掘進(jìn)、邊墻處預(yù)留1.5 m 不進(jìn)行鉆孔裝藥,以保證上臺(tái)階用于支護(hù)的鋼拱架支腿具備足夠的支撐能力,在后續(xù)爆破清渣完成后,根據(jù)底拱一次支護(hù)長(zhǎng)度,對(duì)支護(hù)區(qū)域內(nèi)邊墻采用水平孔鉆孔爆破,隨掘隨支,保證斷面圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定。

2.1 下臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)

采用2#巖石乳化炸藥,炸藥直徑為32 mm,單卷炸藥長(zhǎng)度為30 cm、質(zhì)量為300 g;炮孔直徑為42 mm、鉆孔角度90 °,鉆孔深度為3.4～3.7 m、炮孔間距為1.2 m、排距為1 m、填塞長(zhǎng)度為1.2 m,炮孔剖面布置如圖1 所示。 采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行延期起爆,減弱爆破振動(dòng)[7-9],單孔藥量為2.1 kg,最大單響藥量為10.5 kg,總藥量為105 kg;采用逐排起爆,孔間延期為0 ms,排間延期時(shí)間為70 ms。

圖1 下臺(tái)階炮孔布置正視示意圖

2.2 預(yù)留邊墻爆破設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)

邊墻二次爆破共布置4 個(gè)炮孔,炮孔外傾孔底落在隧道斷面開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外10 cm 處,開(kāi)挖炮孔直徑為42 mm、鉆孔深度為4.4 m、上下排炮孔間距為0.8 m,上部炮孔采用水平鉆孔,底部炮孔向下傾斜,孔口落在底板輪廓線(xiàn)上,孔底超出底板輪廓線(xiàn),填塞長(zhǎng)度為0.6 m。 采用分段間隔裝藥結(jié)構(gòu),底部加強(qiáng)裝藥,裝藥系數(shù)為0.45,導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路一次起爆,最大單響藥量為8.1 kg。

在距爆破點(diǎn)前方30 m 邊墻處安設(shè)1 個(gè)爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn),采集邊墻在實(shí)施爆破作業(yè)過(guò)程中接收到的振動(dòng)數(shù)據(jù)。 炮孔及測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 炮孔及測(cè)點(diǎn)布置俯視示意圖

采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。 在安設(shè)測(cè)點(diǎn)前,將安設(shè)區(qū)域進(jìn)行清理至基巖面,用水泥將安設(shè)位置基巖坑洼處抹平。 待水泥凝固后,將測(cè)振傳感器用快干粉固定在水泥面上。 同時(shí),在傳感器四周巖體上鉆孔,用膨脹螺絲和固定卡扣將傳感器再次進(jìn)行固定,保證測(cè)振傳感器布置在巖體上防止脫落。

將測(cè)點(diǎn)兩側(cè)初襯支護(hù)作為觀測(cè)點(diǎn),爆破前對(duì)初襯支護(hù)進(jìn)行錄像并留存影像資料,便于爆后進(jìn)行比對(duì)爆破對(duì)初襯的破壞情況[10]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 爆破振動(dòng)比較分析

爆破振動(dòng)數(shù)值除受最大起爆藥量、炮孔延期時(shí)間、自由面數(shù)量影響外,還受到爆源與測(cè)點(diǎn)之間的巖石介質(zhì)影響。 為盡量減小巖石介質(zhì)變化對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)值的影響,根據(jù)業(yè)主單位提供的詳細(xì)地勘報(bào)告,選取隧道左右線(xiàn)圍巖情況相同的同一位置進(jìn)行爆破振動(dòng)數(shù)值監(jiān)測(cè)對(duì)比。

取隧道左線(xiàn)AK24+360—AK24+390 區(qū)域作為垂直孔爆破試驗(yàn)段,下臺(tái)階左右兩側(cè)各爆破3 次;隧道右線(xiàn)AK24+360—AK24+390 采用常規(guī)水平孔爆破掘進(jìn),在左線(xiàn)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置布置測(cè)點(diǎn),對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)行記錄,兩種爆破方式的振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,振動(dòng)波形如圖3 所示。

圖3 爆破振動(dòng)波形圖

垂直孔爆破垂直方向振動(dòng)最大值為0.61 cm/s、最小值為0.31 cm/s;水平孔爆破垂直方向振動(dòng)最大值為0.90 cm/s、最小值為0.50 cm/s,兩者比較,相對(duì)于水平孔爆破,垂直孔爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)相對(duì)較小,爆破振動(dòng)有害效應(yīng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)更小。

水平孔爆破分3 排由上向下分段延期進(jìn)行爆破,延期時(shí)間間隔為90 ms,圖3(b)垂直方向的爆破振動(dòng)峰值出現(xiàn)在0.29 s 處,即底部一排炮孔起爆后達(dá)到振動(dòng)峰值。 主要原因是由于底部一排炮孔受巖石重力作用,受到較大的夾制作用,爆炸能力作用于巖體上,產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[11]中交通隧道結(jié)構(gòu)10～15 cm/s 的安全允許值,上述數(shù)據(jù)處于安全值范圍內(nèi)。

3.2 初襯破壞情況

爆破振動(dòng)對(duì)初襯支護(hù)破壞主要分為兩個(gè)方面:爆破振動(dòng)導(dǎo)致噴射混凝土表面開(kāi)裂、脫落以及爆破振動(dòng)導(dǎo)致上部封閉圍巖失穩(wěn)造成拱架下沉變形[12]。 通過(guò)對(duì)錄像留存的影像資料與爆破后現(xiàn)場(chǎng)初襯情況進(jìn)行對(duì)比及觀察,噴射混凝土表面完好,未發(fā)生噴漿脫落及大量裂縫的出現(xiàn);根據(jù)甲方跟進(jìn)的測(cè)量隊(duì)伍提供的數(shù)據(jù),拱架未發(fā)生下沉變形的情況。 同時(shí),隧道邊墻懸掛的各類(lèi)管線(xiàn)及風(fēng)筒均未受到爆破飛石損毀破壞。

3.3 隧道掘進(jìn)情況

垂直孔一次爆破規(guī)模較大,一次爆破進(jìn)尺約10 m,隧道掘進(jìn)效率高,相對(duì)于水平孔爆破,受巖體自重的夾制作用較小,巷道底部沒(méi)有底坎,巖石塊度較均勻,爆破效果優(yōu)于水平孔爆破。 同時(shí),采用分段延期起爆技術(shù),控制單段起爆最大藥量,將爆破振動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)。 由于預(yù)留邊墻一側(cè)部分巖體,隨支隨掘,相比于水平孔爆破,不存在欠挖補(bǔ)炮的情況。

4 試驗(yàn)結(jié)論

1)隧道下臺(tái)階采用垂直孔裝藥爆破,有利于機(jī)械化作業(yè),減少人員投入,加快施工進(jìn)度,炮孔受巖體自重的夾制作用小,爆破效果好。

2)邊墻預(yù)留部分巖體進(jìn)行二次爆破,有利于保證上部拱架的支撐能力,保障隧道支護(hù)的可靠性。

3)垂直孔爆破相對(duì)于水平孔爆破更容易對(duì)爆破飛石進(jìn)行控制,防止飛石對(duì)隧道內(nèi)施工管線(xiàn)的破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

1)考慮到隧道圍巖穩(wěn)定性和開(kāi)挖方式,本次試驗(yàn)僅在Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖中進(jìn)行,后續(xù)計(jì)劃在Ⅴ級(jí)圍巖以及高度大于4 m 的下臺(tái)階爆破開(kāi)挖中進(jìn)行試驗(yàn),優(yōu)化試驗(yàn)方案。

2)由于爆破振動(dòng)數(shù)值滿(mǎn)足爆破安全規(guī)程中的安全允許值,考慮到爆破效果,試驗(yàn)采用逐排延期起爆技術(shù),后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)劃根據(jù)巖性,調(diào)整爆破延期方案,采取逐孔起爆技術(shù),進(jìn)一步降低爆破振動(dòng)數(shù)值。