大斷面隧道光面爆破設(shè)計(jì)與應(yīng)用

余孟軍，張澤輝

(中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031)

0 引言

光面爆破技術(shù)利用巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的特性，通過對(duì)爆破方向和作用范圍等的控制，將隧道內(nèi)的光爆層炸除，在隧道設(shè)計(jì)開挖輪廓線周圍形成一個(gè)光滑平整的邊壁，讓隧道斷面既符合設(shè)計(jì)輪廓要求，又不會(huì)對(duì)周邊圍巖產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，保持隧道周邊圍巖的完整和自身承載力，有效控制隧道超欠挖，達(dá)到安全、快捷、高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的施工目的。

1 工程概況

1.1 隧道簡(jiǎn)介

窯上隧道為三車道大斷面隧道，隧道區(qū)分布地層主要為第四系人工堆積層、殘破積層、侏羅系上統(tǒng)珍珠沖組。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工圍巖情況多為Ⅲ級(jí)，開挖方法選擇上下臺(tái)階法，開挖輪廓線凈寬為16.97 m，凈高為9.67 m。上臺(tái)階開挖面積85 m2，下臺(tái)階開挖面積51 m2，合計(jì)136 m2。

1.2 開挖循環(huán)進(jìn)尺確定

根據(jù)《公路工程施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60-2009)要求Ⅲ級(jí)圍巖每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得超過2.5 m，現(xiàn)場(chǎng)施工每榀拱架間距為1.2 m，故現(xiàn)場(chǎng)決定每循環(huán)進(jìn)尺采用2.4 m。炮眼利用率0.85，故每循環(huán)炮孔實(shí)際鉆孔深度為L(zhǎng)=2.4÷0.85=2.8 m。

2 光面爆破設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 光爆炮眼數(shù)量計(jì)算

光爆炮眼的數(shù)量主要與隧道開挖斷面大小、炮眼的尺寸、巖石的完整性和堅(jiān)硬強(qiáng)度、炸藥的性能有關(guān)。炮眼數(shù)量應(yīng)能裝入設(shè)計(jì)藥量，通?？筛鶕?jù)各炮眼平均分配炸藥量的原則來計(jì)算炮眼數(shù)量。計(jì)算公式為：

N=qS/ar

式中：N——炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼數(shù)；

q——單位炸藥消耗量，上臺(tái)階取0.9 kg/m3，下臺(tái)階取0.8 kg/m3(根據(jù)實(shí)際調(diào)整)；

S——開挖斷面積(m2)，取S上臺(tái)階=85 m2，下臺(tái)階=51 m2，合計(jì)136 m2；

a——裝藥系數(shù)，即裝藥長(zhǎng)度與炮眼長(zhǎng)度的比值上臺(tái)階取0.55，下臺(tái)階取0.45(根據(jù)實(shí)際調(diào)整)；

r——每1 m藥卷的炸藥質(zhì)量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質(zhì)量，藥劵直徑32 mm，r取0.78(kg/m)(根據(jù)實(shí)際調(diào)整)。

上半斷面炮眼數(shù)量：N(上臺(tái)階)=qS/ar=0.9×85/0.55×0.78=178(個(gè))，

下半斷面炮眼數(shù)量：N(下臺(tái)階)=qS/ar=0.8×51/0.45×0.78=116(個(gè))。

2.2 炮眼布置(見圖1、圖2)

2.2.1 炮眼間距

(1)周邊眼：周邊炮孔是控制隧道開挖輪廓的關(guān)鍵炮孔，根據(jù)巖質(zhì)和圍巖類別，周邊炮孔孔距E取(10～15)d(d為炮孔直徑為42 mm)，故炮孔間距取50 cm。抵抗線W是周邊眼至二圈眼的距離，根據(jù)光面爆破技術(shù)規(guī)范W=E/(0.7～1)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)當(dāng)E/W=0.8時(shí)光爆效果較好，故設(shè)計(jì)時(shí)取W=1.25E。實(shí)際隧道為反坡施工，隧道縱坡為2.4%，故周邊眼打孔時(shí)不考慮外插角，采用水平打孔(如為順坡施工考慮3%～5%的外插斜率)位置為開挖輪廓線往內(nèi)收縮5 cm的位置。

(2)二圈眼：二圈眼的間距E比周邊眼大些，一般為E′=(1.4～1.5)E，二圈眼抵抗線W′可按W′=(0.7～0.9)E′取值，周邊眼與二圈眼均按弧形布孔，二圈眼的角度應(yīng)保持跟周邊眼一致。

(3)擴(kuò)大眼：擴(kuò)大眼炮孔一般采用均勻布置的方式，施工中運(yùn)用線形布置和環(huán)形布置兩種方式相結(jié)合。擴(kuò)大眼比二圈眼間距要大些，抵抗線為同排(或同一環(huán)形)炮孔間距的0.8～1倍。

(4)輔助眼：輔助眼是緊挨著掏槽眼的位置，它既是掏槽眼的輔助眼，又對(duì)掏槽槽口起擴(kuò)大作用。輔助眼間距比周邊眼大些又比擴(kuò)大眼小，設(shè)置方法同二圈眼類似。

(5)掏槽眼：掏槽眼應(yīng)比其他眼深10～20 cm?，F(xiàn)場(chǎng)掏槽眼采用二級(jí)楔形掏槽，最外層掏槽炮眼與開挖面間的夾角a=75°，內(nèi)層為66°，間距與抵抗距均采用70 cm布置，同一平面上兩炮眼眼底的距離b=30 cm。

圖1 復(fù)式掏槽眼立面圖(單位：mm)

(6)底板眼：底板炮孔由于存在隧道爆破積渣需要較大的爆破力，為保證爆破效果應(yīng)當(dāng)對(duì)底板炮孔適當(dāng)加密，炮孔間距或抵抗線距離為擴(kuò)大眼間距的0.8倍左右，設(shè)計(jì)參考間距為0.50～0.70 m。

(7)綜合上述各類炮眼之間關(guān)系，隧道上、下臺(tái)階法開挖，光面爆破炮眼布置如圖2所示：

圖2 復(fù)式掏槽眼平面布置圖(單位：cm)

2.2.2 炮眼深度

每循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，炮眼利用率0.85，故每循環(huán)炮孔實(shí)際鉆孔深度為L(zhǎng)=2.4÷0.85=2.8 m。周邊眼深度L周邊=2.8 m，二圈眼深度L二圈=2.8 m，擴(kuò)大眼深度L擴(kuò)大=2.8 m，輔助眼深度L輔助=2.8 m，掏槽眼深度L掏1=3.07 m，L掏2=2.9 m，底眼深度L底=2.8 m。

2.3 裝藥量計(jì)算與分配

炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)循環(huán)的光面爆破總結(jié)窯上隧道采用的是光爆體積計(jì)算法。先根據(jù)一個(gè)循環(huán)光面爆破開挖巖石體積計(jì)算出一個(gè)循環(huán)的總藥量，然后按各種類型炮眼的爆破特征性對(duì)每個(gè)孔的裝藥量進(jìn)行分配，根據(jù)初步分配結(jié)果結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的圍巖變化不斷地對(duì)每個(gè)炮孔的裝藥量加以檢驗(yàn)和修正，直到取得良好的爆破效果。

2.3.1 總藥量計(jì)算

按體積法計(jì)算總藥量的公式為：Q=q·V

式中：Q——一個(gè)爆破循環(huán)的總用藥量(kg/m3)；

q——每立方米巖石爆破所需炸藥量(kg/m3)，上臺(tái)階取0.9 kg/m3，下臺(tái)階取0.8 kg/m3(根據(jù)實(shí)際調(diào)整)；

V——一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺所爆落的巖石總體積(m3)，炮眼有效長(zhǎng)度2.4 m，上臺(tái)階斷面開挖面積85 m2，下臺(tái)階斷面開挖面積51 m2。

每一循環(huán)總藥量：Q(上臺(tái)階)=q·V=0.9×2.4×85=184(kg)；

Q(下臺(tái)階)=q·V=0.8×2.4×51=98(kg)。

2.3.2 裝藥量分配

總的炸藥量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分配到每個(gè)炮孔中，采用裝藥的系數(shù)a進(jìn)行分配。

上臺(tái)階：

掏槽眼L掏1、L掏2，取0.6；

周邊眼L周邊、二圈眼L二圈，取0.45；

輔助眼L輔助、擴(kuò)大眼L擴(kuò)大、底眼L底，取0.5；

下臺(tái)階：

周邊眼L周邊、擴(kuò)大眼L擴(kuò)大、底眼L底，取0.4；

現(xiàn)場(chǎng)施工每卷炸藥質(zhì)量m為0.15 kg，各個(gè)炮眼的裝藥量(折合卷數(shù)n)分配如下：

上臺(tái)階：n=V/m=184 kg÷0.15 kg=1 227(卷)；

下臺(tái)階：n=V/m=98 kg÷0.15 kg=654(卷)；

單孔裝藥量v=r×L

r——每1 m藥卷的炸藥質(zhì)量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質(zhì)量，藥卷直徑32 mm，r取0.78(kg/m)，L為孔深。

實(shí)際每個(gè)炮孔裝藥量如下：

上臺(tái)階：

掏槽眼L掏1裝藥量=0.78×3.07×0.6=1.44 kg，按每卷0.15 kg折合為9.58卷，取10卷；L掏1共4個(gè)炮眼：4×10=40卷；

掏槽眼L掏2裝藥量=0.78×2.9×0.6=1.36 kg，按每卷0.15 kg折合為9.05卷，取9卷；L掏2共4個(gè)炮眼：4×9=36卷；

輔助眼L輔3裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取8卷；L輔3共5個(gè)炮眼：5×7=35卷；

擴(kuò)大眼L擴(kuò)4裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取7卷；L擴(kuò)4共78個(gè)炮眼：78×7=546卷；

二圈眼L二圈5裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L二圈5共31個(gè)炮眼：31×6=186卷；

周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L周6共48個(gè)炮眼：48×6=288卷；

底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取8卷；L底7共12個(gè)炮眼：12×8=96卷；

上臺(tái)階分配合計(jì)卷數(shù)=40+36+35+546+188+288+96=1 229卷(與計(jì)算1 227卷相符)。

下臺(tái)階：

擴(kuò)大眼L上、中、下裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L上、中、下共63個(gè)炮眼：63×6=378卷；

底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L底7共33個(gè)炮眼：33×6=198卷；

周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L周6共14個(gè)炮眼：14×6=84卷；

下臺(tái)階分配合計(jì)卷數(shù)=378+165+84=660卷(與計(jì)算654卷相符)。

2.3.3 計(jì)算匯總

采用上下臺(tái)階法開挖，隧道光面爆破裝藥參數(shù)及綜合計(jì)算匯總?cè)绫?所示：

表1 隧道光面爆破裝藥參數(shù)及綜合計(jì)算匯總表(上、下臺(tái)階法，每循環(huán)2.4 m)

2.4 起爆順序

通過對(duì)窯上隧道前期的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和理論參考，大斷面臺(tái)階法光面爆破最合理起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼→擴(kuò)大眼→二圈眼→周邊眼→底板眼，試驗(yàn)表明，各層炮之間的起爆時(shí)差越小爆破效果越好。常采用的時(shí)差為40～200 ms，稱為微差爆破。周邊眼宜一次起爆，若分次起爆周邊眼輪廓不大平整。

3 結(jié)語(yǔ)

在“強(qiáng)、好、優(yōu)”戰(zhàn)略新格局發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的爆破施工已不能滿足高速公路隧道施工的需要，光面爆破作為一種新工藝得到了廣泛的應(yīng)用。它不但能降低對(duì)巖石的擾動(dòng)，還能有效地控制超欠挖，在節(jié)約施工成本、加快工程進(jìn)度等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在高速公路隧道施工中有很好的推廣價(jià)值。