護(hù)壁管光爆技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用

張振華

（東南沿海鐵路福建有限公司，福建 福州 350013）

0 引言

鉆爆法施工具有地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，是當(dāng)前隧道開挖的主要方法，鉆爆法中的光面爆破技術(shù)對(duì)隧道超欠挖起到?jīng)Q定性作用。對(duì)破碎圍巖地段，光面爆破效果是否理想取決于周邊孔間距、密集系數(shù)等參數(shù)，而且還受限于導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路的可靠性，例如出現(xiàn)盲炮、啞炮等。另外，傳統(tǒng)的光面爆破在破碎圍巖地段對(duì)圍巖存在比較嚴(yán)重的破壞，難以滿足爆破安全性的高要求。為此，眾多學(xué)者對(duì)護(hù)壁爆破技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。其中，張志呈等[1]認(rèn)為采用護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)比偏心不耦合、中心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)保留巖體爆破損傷較小。劉佳等[2]認(rèn)為巖體中沖擊波的衰減程度隨聚氨酯泡沫材料厚度增加而增加。

為了減少對(duì)隧道圍巖過度損傷破壞，提升光面爆破效果，該文首先對(duì)光面爆破中周邊孔出現(xiàn)盲炮的原因進(jìn)行了研究分析，提出周邊孔延期時(shí)間上限以及光爆層厚度下限，并以此對(duì)起爆網(wǎng)路進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)為減少對(duì)保留巖體側(cè)圍巖的破壞，采用護(hù)壁管光爆技術(shù)，選用PVC管作為護(hù)壁材料，應(yīng)用效果顯著。該施工技術(shù)的研究和應(yīng)用，可為光面爆破技術(shù)在類似鐵路隧道工程的應(yīng)用提供一定參考價(jià)值。

1 傳統(tǒng)光爆技術(shù)的優(yōu)化和應(yīng)用

1.1 傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)存在的問題

目前隧道鉆爆法開挖均采用光面爆破技術(shù)，但針對(duì)較破碎圍巖，存在一定的局限性。以新建福廈鐵路太城隧道為例，該隧道洞身基巖為晶屑凝灰?guī)r，局部較破碎，前期太城隧道采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)施工，直接采用雷管引爆炸藥，對(duì)圍巖損傷較大，超挖現(xiàn)象較嚴(yán)重。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查、比對(duì)、分析，導(dǎo)致光面爆破效果差的主要原因有以下2個(gè)方面。

1.1.1 爆破參數(shù)不匹配

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，周邊孔間距過大，周邊孔與輔助孔之間的爆破層間距（即抵抗線）過大，且孔內(nèi)采用集中裝藥等情況，導(dǎo)致爆破后在眼底存在集中爆破現(xiàn)象，超挖較大，周邊孔中部或孔口存在不均勻欠挖現(xiàn)象，爆破效果較差。傳統(tǒng)光面爆破的炮孔布置圖，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)下的炮孔布置圖（單位：m）

1.1.2 存在盲炮現(xiàn)象

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，基本每循環(huán)爆破存在盲炮或啞炮現(xiàn)象，導(dǎo)致該處開挖面欠挖，須進(jìn)行二次爆破，在二次爆破時(shí)又出現(xiàn)爆破超挖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響光面爆破效果。

1.2 傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)優(yōu)化

根據(jù)問題導(dǎo)向，通過查找原因，研究分析，從以下2個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)爆破工藝。

1.2.1 優(yōu)化周邊孔間距、爆破層間距

為改善爆破之后的超欠挖現(xiàn)象，根據(jù)圍巖的特點(diǎn)合理選擇周邊眼間距及裝藥量，根據(jù)不同的圍巖類別，巖層的實(shí)際走向，不同的地質(zhì)條件選擇合理的爆破方法，并針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔布置進(jìn)行改進(jìn)，采用間隔裝藥，控制周邊眼間距等措施，如圖2所示。

圖2 周邊孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 優(yōu)化起爆網(wǎng)路

為了達(dá)到同時(shí)起爆周邊孔的目的，將炮孔中的導(dǎo)爆索T型搭接到主導(dǎo)爆索上，如圖3所示，并用2發(fā)最高段別雷管起爆，炮孔內(nèi)的支導(dǎo)爆索應(yīng)伸出孔口30cm～40cm，以便于搭接主導(dǎo)爆索。另外，為了減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響，將主導(dǎo)爆索分為兩段。為了粗略估算所需主導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度，將導(dǎo)爆索從拱頂往地面下放，待導(dǎo)爆索下端接觸到地面時(shí)，然后再丈量20cm～40cm后即可裁剪。施工時(shí)，首先裝填拱頂3個(gè)炮孔（拱頂中心處炮孔、拱頂與邊墻交叉處炮孔以及兩者之間的炮孔），然后將炮孔中的導(dǎo)爆索搭接到主導(dǎo)爆索，使導(dǎo)爆索固定并懸掛在隧道邊墻旁，其便于工人同時(shí)搭接邊墻周邊炮孔中的導(dǎo)爆索，也可避免主導(dǎo)爆索與輔助孔中的導(dǎo)爆管纏繞在一起。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)、總結(jié)、改進(jìn)后，太城隧道的爆破情況有了很大的提升，炮眼保留率達(dá)到了80%以上。

圖3 T型搭接法

1.3 光面爆破技術(shù)優(yōu)化后應(yīng)用效果

按照以上措施進(jìn)行優(yōu)化后，光面爆破效果得到了較大提升。太城隧道基巖為晶屑凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，除局部較破碎外，圍巖總體完整，通過優(yōu)化上述2個(gè)方面的爆破工藝后，傳統(tǒng)光面爆破炮眼保留率可以保證在90%以上，效果良好。

2 護(hù)壁管光面爆破技術(shù)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

將優(yōu)化后的傳統(tǒng)的光面爆破技術(shù)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)針對(duì)軟巖、破碎地段隧道，光面爆破效果仍存在較大問題。以新建福廈鐵路楊梅山隧道為例，將優(yōu)化后的爆破工藝在楊梅山隧道進(jìn)行了應(yīng)用，情況如下。

楊梅山隧道基巖為晶屑凝灰?guī)r、節(jié)理發(fā)育、強(qiáng)風(fēng)化地段圍巖破碎，將優(yōu)化后的傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)應(yīng)用到此隧道后，由于爆破振動(dòng)的原因，在圍巖較破碎部位依然會(huì)出現(xiàn)超挖、掉塊等現(xiàn)象。如圖4所示。

圖4 楊梅山隧道爆破后效果

為此，對(duì)楊梅山隧道實(shí)際爆破情況進(jìn)行了過程跟蹤、分析和總結(jié)，采用優(yōu)化后爆破工藝仍然存在較大超挖、掉塊等現(xiàn)象的原因，主要原因如下：1）楊梅山隧道圍巖較破碎，在太城隧道優(yōu)化后的爆破工藝不適用或不滿足楊梅山隧道的需要。2）爆破振動(dòng)或沖擊較大，對(duì)巖體較破碎地段擾動(dòng)較大，造成較大超挖和掉塊。

由此可見，在楊梅山隧道圍巖較破碎地段，在采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的爆破工藝仍然無(wú)法滿足施工要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)過分析原因，擬采用一種較先進(jìn)的護(hù)壁管光爆施工技術(shù)，提升光面爆破效果，確保楊梅山隧道爆破質(zhì)量。

2.2 護(hù)壁管光面爆破技術(shù)應(yīng)用

護(hù)壁管光面爆破技術(shù)是指在巖體裝藥時(shí)，在炮眼須保護(hù)圍巖側(cè)安裝一層或多層護(hù)壁套管，利用套管控制爆炸應(yīng)力場(chǎng)，抵抗和削弱對(duì)需保護(hù)側(cè)圍巖的爆破力，達(dá)到爆破按預(yù)定方向形成光滑開裂面，保護(hù)層巖面免受損傷的一種爆破新技術(shù)，主要操作方法如下。

2.2.1 選取爆破參數(shù)

楊梅山隧道圍巖較破碎，爆破采用周邊孔護(hù)壁光面爆破技術(shù)，經(jīng)過分析，初步采用爆破參數(shù)如下：炮孔深度為2.5m，裝藥線密度為0.18kg/m，藥卷直徑為32mm，沿炮孔軸線方向的4個(gè)位置放置炸藥，孔底裝藥150g，離孔口50cm位置裝藥100g，剩余2個(gè)位置裝藥100g。

2.2.2 護(hù)壁管技術(shù)應(yīng)用

考慮施工便捷及施工成本，護(hù)壁管采用PVC半圓管。在每循環(huán)爆破過程中，針對(duì)周邊孔從隧道中線位置分為左右2個(gè)部分，在右側(cè)周邊炮孔內(nèi)的保留巖體側(cè)增加一層PVC護(hù)壁管，減少爆破對(duì)保留巖體的損傷，左側(cè)未加PVC護(hù)壁管，便于后續(xù)進(jìn)行效果對(duì)比。

經(jīng)過一段時(shí)間的研究和整理，分析出最適合楊梅山隧道的炮孔布置參數(shù)，見表1。

表1 楊梅山隧道光面爆破主要參數(shù)總結(jié)

通過對(duì)爆破后的孔痕進(jìn)行對(duì)比分析，周邊孔采用護(hù)壁管光面爆破時(shí)，其裝藥位置的裂紋數(shù)量明顯降低，說明采用護(hù)壁爆破有利于減少對(duì)保留巖體的損傷。

除了注意上述起爆雷管段別以及起爆端設(shè)置，還要確保光爆層厚度不小于0.5m，才能確保消除內(nèi)圈炮孔對(duì)周邊炮孔起爆網(wǎng)路的影響。如果個(gè)別內(nèi)圈炮孔離周邊孔太近，務(wù)必將該內(nèi)圈炮孔與周邊孔同時(shí)起爆。

2.3 護(hù)壁管光面爆破應(yīng)用效果

經(jīng)過應(yīng)用和比對(duì)，護(hù)壁管光面爆破取得了較好的效果。楊梅山隧道采用護(hù)壁管光面爆破后，巖面未出現(xiàn)掉塊、較大超挖現(xiàn)象，周邊炮孔未出現(xiàn)盲炮，爆破后炮眼保留率達(dá)到90%以上，如圖5所示。爆破孔內(nèi)帶有護(hù)壁管一側(cè)的巖體主裂紋長(zhǎng)度和數(shù)量明顯少于無(wú)護(hù)壁管一側(cè)的巖體，光面爆破效果提升顯著。

圖5 護(hù)壁管光面爆破后效果

2.4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

通過對(duì)楊梅山隧道采用護(hù)壁管光面爆破前后一星期內(nèi)超挖情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而評(píng)價(jià)光面爆破后經(jīng)濟(jì)效益，如圖6所示。

由圖6可知，傳統(tǒng)光面爆破前最大超挖區(qū)間為31cm～36cm，采用護(hù)壁管光面爆破后最大超挖區(qū)間為17cm～26cm，因此，光面爆破后的最大超挖有了較大改善，平均超挖降低了36.86%，進(jìn)而說明實(shí)施護(hù)壁管光面爆破是控制隧道超欠挖的一項(xiàng)有效技術(shù)和重要舉措。另外對(duì)楊梅山隧道光面爆破前后一星期內(nèi)初支混凝土消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2、表3。

圖6 護(hù)壁管光面爆破前后超挖情況對(duì)比

由表2、表3可知，采用護(hù)壁管光面爆破技術(shù)后，混凝土消耗量平均每循環(huán)減少5.54m3，即護(hù)壁管光面爆破技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效控制隧道超挖，進(jìn)而降低噴射混凝土的超耗量，同時(shí)有效節(jié)省了噴射混凝土?xí)r間，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表2 光面爆破前后初支混凝土消耗量對(duì)比

表3 光面爆破前后初支混凝土消耗量對(duì)比

3 結(jié)論

在對(duì)傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用護(hù)壁管光面爆破技術(shù)，能夠從技術(shù)層面解決軟弱破碎地段隧道圍巖爆破后存在較大超挖和掉塊的問題。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）帶有護(hù)壁管一側(cè)的巖體主裂紋長(zhǎng)度和數(shù)量明顯少于無(wú)護(hù)壁管一側(cè)的巖體，說明護(hù)壁管能明顯減少保留巖體的損傷。2）光爆層的厚度一般不小于0.5m，其除了影響光面爆破的效果，也存在破壞周邊炮孔起爆網(wǎng)路的風(fēng)險(xiǎn)。另外，起爆網(wǎng)路需要盡量貼在周邊炮孔上，并將過長(zhǎng)的支導(dǎo)爆索插入炮孔中，盡可能降低起爆網(wǎng)路被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。3）光面爆破效果也受到現(xiàn)場(chǎng)鉆眼準(zhǔn)確性影響，因此需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)鉆眼工作管理。