PVC管聚能爆破法在水平砂泥巖隧道中的應(yīng)用

種玉配，齊燕軍，劉書奎

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 511400；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

水平巖層是目前隧道施工作業(yè)經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造。隧道光面爆破若處理不好，會(huì)導(dǎo)致隧道拱頂出現(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(huì)影響隧道圍巖穩(wěn)定性、初支支護(hù)數(shù)量及二襯混凝土工程量，增加工程投資[1-4]。

房玉中等[5]在小相嶺隧道中對(duì)單位耗藥量、周邊眼間距和最小抵抗線進(jìn)行優(yōu)化，平均線性超欠挖降低了57.69%；王飛等[6]分析得出：水平巖層隧道的超挖與爆破作業(yè)擾動(dòng)、開挖應(yīng)力釋放、地下水影響均有關(guān)系；王安[7]通過在楔形孔中間布置中孔，減少了掏槽深度與藥量，減少了拱頂圍巖拉伸破壞；袁樹成[8]在甘河隧道水平巖層段通過合理設(shè)置隆芯1號(hào)電子雷管，隧道拱部平均線性超挖控制在10 cm左右，炮眼痕跡保存率大于90%；孫臣生[9]在五指山隧道中將周邊眼間距從70 cm調(diào)整為40 cm，減小軟弱圍巖循環(huán)進(jìn)出，隧道平均超挖量控制在10 cm以內(nèi)，炮眼痕跡率大于84%；申洪雨[10]通過精細(xì)計(jì)算光爆層厚度、周邊眼密集系數(shù)、裝藥量，提高了光面爆破效果，超挖量減少了15%。

筆者針對(duì)段家坪水平砂泥巖隧道，設(shè)計(jì)了一種PVC管聚能結(jié)構(gòu)，提出了一種PVC管聚能爆破方法，從而提高水平巖層隧道光面爆破效果，減少隧道爆破開挖超欠挖量，加快施工進(jìn)度，降低成本。

1 工程概況

段家坪隧道全長為10 722.98 m，為單洞雙線隧道，最大埋深為450 m，兩處淺埋處最小覆土分別為3.5、14 m。段家坪隧道隧址通過地層含有三疊系砂泥巖，該巖層為水平巖層，發(fā)育2～3組節(jié)理。

段家坪隧道在前期鉆爆開挖過程中，盡管采用了周邊眼光面爆破技術(shù)，但爆破后隧道拱部出現(xiàn)某一層理面整體剝落，出現(xiàn)了隧道拱部平拱現(xiàn)象。此時(shí)隧道拱頂以板或梁的形式承受著上部巖體重力，這種力學(xué)結(jié)構(gòu)屬于梁或板式平衡結(jié)構(gòu)[11]。在隧道拱頂部位，最大超挖量達(dá)到了108.4 cm，拱部超挖量基本在50 cm以上，這給后續(xù)工序造成了極大影響，同時(shí)為了處理大范圍的超挖，會(huì)增加工程造價(jià)。

2 PVC管聚能爆破方法

2.1 PVC管聚能結(jié)構(gòu)

采用的PVC管聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1[12]。將Φ32藥卷沿著藥卷縱向剖分成兩半，將其中一半塞入帶有聚能結(jié)構(gòu)PVG管中，然后采用膠帶對(duì)帶有聚能結(jié)構(gòu)PVG管進(jìn)行加固，然后放入周邊眼中。

圖1 PVC管加工成型效果

圖2為現(xiàn)場加工聚能結(jié)構(gòu)及裝藥過程。在裝藥過程中，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)位置，保證裝藥結(jié)構(gòu)中凹槽中心的連線平行于隧道斷面設(shè)計(jì)輪廓線。

圖2 聚能結(jié)構(gòu)加工及裝藥過程示意

2.2 試驗(yàn)要求

1)PVC管要求：現(xiàn)場炮孔直徑為42 mm，按照周邊眼不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，PVC管直徑為32 mm。

2)炸藥要求：必須采用乳化炸藥，炸藥卷直徑為32 mm。

3)測量放線：加密斷面測點(diǎn)標(biāo)注，點(diǎn)間距約為60 cm，以便于工人控制周邊眼間距。斷面完成后，檢查前一循環(huán)超欠挖，在欠挖部位用紅油漆標(biāo)注。

4)炸藥間隔要求：使用細(xì)木棍往PVC管聚能結(jié)構(gòu)內(nèi)塞入炸藥，嚴(yán)格按照間隔裝藥要求，控制炸藥卷之間距離在10～16 mm范圍內(nèi)。

5)鉆孔要求：周邊眼眼距控制在60～70 cm，二圈眼眼距控制在80 cm，周邊眼與二圈眼眼距控制在60～80 cm，鉆孔過程中每層臺(tái)架之間安裝導(dǎo)向鉗，便于兩邊能夠?qū)ΨQ鉆孔。

6)填塞要求：現(xiàn)場采用塑料袋和軟紙殼進(jìn)行填塞，填塞斷面形狀與PVC管聚能結(jié)構(gòu)斷面相同，填塞長度不少于20 cm。圖3為周邊眼間隔裝藥結(jié)構(gòu)示意。

圖3 周邊眼裝藥示意

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場爆破參數(shù)

在理論上PVC管聚能結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)聚能結(jié)構(gòu)方向上的裂紋發(fā)展，周邊眼采用PVC管聚能結(jié)構(gòu)后，設(shè)置周邊眼間距分別為60、 70 cm，線裝藥密度分別為0.2、0.25 kg/m，隧道爆破輪廓外觀效果統(tǒng)計(jì)如表1。

由表1可知：在周邊眼間距增大情況下，發(fā)現(xiàn)隧道拱腰部分爆破效果變差，其原因是在隧道拱腰位置，PVC管聚能結(jié)構(gòu)方向與水平巖層層理結(jié)構(gòu)基本垂直，爆破效果相對(duì)減弱，因此可在隧道拱腰位置上，周邊眼間距控制為60 cm，其余位置上周邊眼間距控制為70 cm。

全斷面開挖爆破參數(shù)如表2。炮眼布置如圖4。

表1 周邊眼參數(shù)及爆破效果

表2 全斷面開挖爆破參數(shù)

圖4 全斷面開挖炮眼布置(單位:cm)

3.2 輔助爆破措施

1)在拱頂位置，將周邊眼位置向設(shè)計(jì)輪廓線適當(dāng)內(nèi)移，少裝藥。在水平層狀圍巖中，隧道爆破后，拱部振動(dòng)以豎向振速為主，由于巖層較薄，當(dāng)藥量較大，且?guī)r石保護(hù)層不夠時(shí)，拱部巖層很容易受較大的豎向振速影響，導(dǎo)致巖體拉斷破壞產(chǎn)生超挖。

2)在拱腰位置，減小周邊眼間距，確保裂隙向著利于輪廓成型方向發(fā)展，同時(shí)減小裝藥量，因?yàn)檫^大的爆破沖擊作用可能順夾層深入圍巖深處，造成層間松動(dòng)，產(chǎn)生掉塊，并利用空孔導(dǎo)向來控制水平層理對(duì)斷面形成的影響。

3)在邊墻位置，因單個(gè)炮眼在豎直方向的作用范圍有限，應(yīng)保證周邊眼間距小于層間厚度，要求周邊眼間距適當(dāng)減小，同時(shí)在每個(gè)周邊眼之間增加淺眼，其鉆孔深度約為周邊眼深度的一半左右。

4)起爆總體順序是由內(nèi)向外逐層起爆，先掏槽，而后輔助眼、周邊眼光面爆破，最后底板眼。或是先掏槽，而后輔助眼、底板眼，最后周邊眼光面爆破。其中掏槽眼起爆為隧道中線左右側(cè)呈“Z”字螺旋形交替起爆。

5)為降低爆炸沖擊擾動(dòng)水平巖層層間結(jié)構(gòu)，對(duì)周邊眼每個(gè)炮眼裝填一發(fā)電子毫秒電雷管，將周邊眼設(shè)置為2～3孔齊響，自隧道拱頂向下成組左右交替起爆。隧道電子毫秒電雷管總延期設(shè)置在700 ms以內(nèi)，掏槽微差爆破時(shí)間3～5 ms，每批次炮排內(nèi)炮眼間延期間隔為2～3 ms，每批次炮排間延期間隔在60 ms以內(nèi)。

3.3 聚能爆破效果

圖5為試驗(yàn)段隧道開挖斷面輪廓。從圖5可看出：采用PVC管聚能裝藥結(jié)構(gòu)后，隧爆破開挖超欠挖值控制在較為合理范圍，試驗(yàn)段DK452+088.7斷面和DK452+109.1斷面的超欠挖值基本上控制在15 m以內(nèi)，除個(gè)別部位的超挖值超過20 cm，且相對(duì)初始爆破方案下的最大超挖量減少了78.8%。段家坪隧道爆破超欠挖情況得到了改善。

圖5 試驗(yàn)段隧道開挖斷面輪廓(單位：cm)

4 現(xiàn)場存在問題及改進(jìn)措施

4.1 現(xiàn)場存在問題

PVC管聚能爆破法在水平砂泥巖隧道施工過程中達(dá)到了光面爆破隧道成型控制效果，但仍然存在如下問題：

1)PVC管聚能結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)場通過切割機(jī)切割而成的PVC管，然后用膠帶按照設(shè)計(jì)的聚能結(jié)構(gòu)進(jìn)行綁扎。由于PVC管直徑過小，現(xiàn)場切割、綁扎較困難，PVC管消耗較多，同時(shí)工效也較低；

2)炮孔深度為4～5 m，當(dāng)炮孔深度較大時(shí)，由于對(duì)PVC管進(jìn)行切割綁扎，使得PVC管聚能結(jié)構(gòu)整體柔性過大。在相鄰兩個(gè)周邊眼中聚能結(jié)構(gòu)凹槽進(jìn)行互相對(duì)中時(shí)，旋轉(zhuǎn)柔性太大的PVC管聚能結(jié)構(gòu)比較困難，容易發(fā)生整體扭曲，不僅會(huì)影響工作效率，同時(shí)還會(huì)因聚能結(jié)構(gòu)凹槽偏移影響光面爆破效果；

3)現(xiàn)場裝填PVC管聚能結(jié)構(gòu)時(shí)，PVC管接觸炮眼壁，不能達(dá)到周邊眼不耦合裝藥效果。

4.2 改進(jìn)措施

1)擬通過在工廠對(duì)PVC管進(jìn)行加工成如圖6中的斷面形狀PVC管聚能結(jié)構(gòu)。工廠加工可成規(guī)模化，方便省時(shí)，耗材低。同時(shí)該結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，不存在切割斷面，整體穩(wěn)定性得以提高，可更好保證聚能結(jié)構(gòu)凹槽的對(duì)中效果。

圖6 PVC管聚能結(jié)構(gòu)示意

2)擬通過在PVC管壁外側(cè)，從PVC管底部開始每隔50 cm設(shè)置一個(gè)定位圓環(huán)，外徑與炮眼直徑相同，內(nèi)徑與PVC管外徑相同，以達(dá)到PVC管聚能結(jié)構(gòu)在炮眼內(nèi)臨空效果。

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場PVC管聚能爆破試驗(yàn)，可知PVC管聚能爆破方法能保證在水平砂泥巖隧道爆破掘進(jìn)過程中隧道斷面成型的控制效果，結(jié)論如下：

1)PVC管聚能裝藥結(jié)構(gòu)，能很好控制隧道爆破開挖成型效果，隧道爆破超挖值基本控制在15 cm以內(nèi)，相對(duì)原始爆破方案下的最大超挖值減少了78.8%；

2)在隧道拱腰設(shè)置中，因水平砂泥巖層理結(jié)構(gòu)和PVC管聚能結(jié)構(gòu)方向基本垂直，爆破效果相對(duì)減弱，拱腰位置上周邊眼間距應(yīng)適當(dāng)小于其他位置處周邊眼間距；

3)PVC管聚能爆破方法可顯著提高水平砂泥巖隧道光面爆破效果，可節(jié)省因超欠挖而增加二次處理工程量，可縮短工期；

4)PVC管來源廣泛，同時(shí)工程規(guī)模化加工成型較為成熟，省時(shí)省材，相比現(xiàn)場加工，顯著提高工作效率。