環向切縫聚能管在隧道掘進中的試驗研究

周 凱，趙新琛，崔步云，蔣志明，彭 松，張慶彬

(1.中鐵十八局集團有限公司,天津 300222；2.長沙理工大學土木工程學院,長沙 410114)

目前地下工程開挖主要以鉆爆法為主，掏槽爆破極大影響著掘進效率。為提高地下工程的掘進效率，不少學者對不同掏槽方式的掘進效果和工程適用性開展了研究工作，包括復式桶式掏槽[1]，雙楔形、單螺旋和九孔掏槽，二級、加輔助掏槽孔、加裝藥中心孔復楔形掏槽[2]，混合掏槽[3]，復式楔形掏槽[4]，內、外楔形結合的雙楔形掏槽[5]等。還有學者通過優化爆破參數以增加掘進進尺[6-10]，以上研究主要通過采用不同掏槽方式和優化掏槽爆破參數來增加掘進進尺。另外，為達到特定的工程目的和提高炸藥能量利用率，有學者研究了聚能爆破與常規爆破在裂紋擴展和爆破漏斗方面的差異[11-12]；還有學者通過設計聚能裝置以實現炸藥能量的合理分布[13-16]，并將其成功用于隧道超欠挖控制[17]。

通過上述研究成果可以看出，關于掏槽孔掘進效果的研究主要基于常用掏槽形式的爆破參數的優化，且關于聚能爆破的研究也主要集中于其機理和能量分布的研究，實際應用中也主要用于隧道周邊孔爆破以控制超欠挖，而將聚能爆破和掏槽爆破結合起來進行研究的成果較少。為此，筆者基于爆破聚能理論設計出一種新型的環向切縫管，并將其應用于隧道掏槽孔爆破中，研究其實際應用效果。

1 工程概況

桑植隧道位于黔(江)張(家界)常(德)高鐵，隧道起訖里程為DK147+276.75～DK152+335，全長5 058.25 m，為設計時速200 km/h的Ⅰ級雙線隧道，隧道斷面設計如圖1所示。

圖1 桑植隧道橫斷面設計Fig.1 Cross-section design of Sangzhi tunnel

為研究環向切縫聚能管在隧道中的實際應用效果，結合隧道現場施工進度，選取DK150+501～DK150+449.1區段為試驗段，該區段圍巖屬于III級圍巖，巖體為三疊系下統大冶群薄層灰巖，埋深大，巖體節理裂隙較發育且富水，層間結合力較弱，隧道開挖拱頂可能發生塌方及掉塊，且可能遇到高壓溶腔水及突水、涌水現象。

試驗段采用全斷面施工、三臂鑿巖臺車鉆鑿炮孔，掏槽選用二級掏槽，炸藥為2號巖石乳化炸藥，采用毫秒延期導爆管雷管并跳段使用。爆破設計參數如表1所示，斷面設計如圖2所示。

表1 爆破設計參數

注：數字1、3、5、7、9、11、13、15為雷管段別。圖2 全斷面爆破設計Fig.2 Blasting design of the full section

2 試驗設計

2.1 環向切縫聚能管設計

環向切縫聚能管選用壁厚2 mm、內徑36 mm、外徑40 mm的PVC管。兼顧經濟性和現場的易操作性，聚能管的長度確定為85 cm(包含2節藥卷長度和一定預留長度)。切縫沿PVC管環向切割成3等份，各等份間保留約1 cm的管材使PVC管不致斷裂[18]。試驗過程中考慮切縫縱向間隔分別為2、3、4、6 cm。

2.2 環向切縫聚能管藥包掏槽爆破試驗

在不改變原有掏槽區爆破參數的前提下，將環向切縫聚能管內裝入炸藥，然后將裝填好炸藥的聚能管送入掏槽孔底部，然后再進行正常裝藥，聚能裝藥結構如圖3所示，炮孔布置和爆破參數分別如圖4和表2所示。

圖3 環向切縫聚能管結構Fig.3 Structure of the circular slit shaped tube

注：數字1、3、5為雷管段別。圖4 環向切縫聚能管藥包爆破試驗炮孔布置Fig.4 Layout of the blastholes with circular slit shaped tube

表2 環向切縫管參數

2.3 掌子面中部增設超深孔的聚能管爆破試驗

在環向切縫管裝入掏槽孔的基礎上，在隧道掏槽區域的中心位置從上至下增設4個超深直孔，孔深4.8 m，超深0.5 m，并在超深孔底部放入裝好炸藥的環向切縫管，采用反向起爆方式起爆，裝藥結構如圖5所示，炮孔布置及爆破參數如圖6和表3所示。

圖5 環向切縫聚能管超深孔裝藥結構Fig.5 Structure of the circular slit shaped tube in the ultra-deep hole

注：數字1、3、5為雷管段別。圖6 超深孔炮孔布置Fig.6 Layout of ultra-deep holes

表3 超深孔爆破參數

3 試驗結果

3.1 環向切縫管爆破試驗

1)掘進效率。為分析爆破效果，收集了采用環向切縫管爆破的隧道進尺和炮孔利用率數據，并將其與未采用環向切縫管的爆破數據進行對比分析(見圖7)。

圖7 進尺對比Fig.7 Comparison of the footage

可以看出，采用環向切縫管的聚能爆破比未采用該切縫管的普通爆破在爆破進尺和炮孔利用率方面均存在一定幅度的提高，采用環向切縫管進行爆破時，平均進尺由3.79 m增加到4.05 m，增加了0.26 m；平均炮孔利用率提高了7%且全部達到95%以上。

由試驗掏槽平均進尺與環向切縫間距關系(見圖8)可知，隨著環向切縫管切縫的縱向間距的增加，掏槽進尺與炮孔利用率也隨之增加，當切縫的縱向間距在3～4 cm時爆破效果最優，掘進進尺和炮孔利用率平均為4.18 m和99%。當切縫間距為6 cm時，掏槽掘進進尺和炮孔利用率不升反降，說明環向切縫聚能管在實際應用中被環向切縫的縱向間距影響。

圖8 試驗掏槽平均進尺與環向切縫間距的關系Fig.8 Relationship between the average footage and the longitudinal spacing of the circumferential slits

2)掏槽爆破振動效應。為對比掏槽孔采用環向切縫聚能管爆破引起的振動情況，利用薩道夫斯基公式對振動數據進行了擬合(見圖9)，得到采用環向切縫聚能管的掏槽爆破所引起的振動比未采用環向切縫管的一般爆破引起的振動衰減慢。

圖9 掏槽區1段雷管起爆爆破振速對比Fig.9 Comparative of the blasting vibration velocity caused by the first segment of detonator

3.2 加設超深孔爆破試驗

1)掘進效率分析。掏槽孔采用環向切縫管爆破時，平均進尺和炮孔利用率分別為4.05 m和97%(見圖7)，在此基礎上增加超深孔且采用環向切縫管爆破時，得到平均進尺和炮孔利用率分別為4.18 m和98%(表4)，進尺進一步提高了0.13 m，炮孔利用率提高了1%。

表4 加設超深孔的爆破試驗進尺及炮孔利用率

另外，增設超深孔爆破試驗時，增設的超深孔采用了MS1段雷管和MS3段雷管兩種段別的雷管進行了起爆，對比二者之間的進尺和炮孔利用率，發現采用與掏槽孔同段雷管起爆超深孔時的爆破進尺和炮孔利用率均高于采用MS3段雷管起爆增設的超深孔(見圖10)，這主要因為采用同段雷管起爆超深孔時增加了掏槽爆破的能量，而采用MS3段雷管引爆超深孔時，因為其比MS1段雷管滯后爆破，中間掏槽區域的巖石已經開始向掌子面臨空區域發生了一定的位移，所以其能量更多的作用于掏槽區被拋擲區域的巖體，從而降低了爆破進尺和炮孔利用率。

2)掏槽爆破振動效應。通過對比只安裝環向切縫管與增加超深中間孔的爆破振速(見圖10)得知，采用環向切縫管并增設超深孔時，會大大增加掏槽爆破的振動。如爆心距25 m時，僅采用環向切縫管聚能爆破引起的振動速度值為5.52 cm/s，而采用環向切縫管、增設超深孔時且采用MS1段雷管起爆時，引起的最大振動速度為28.11 cm/s，后者是前者的5倍左右。這主要是因為增設超深孔的同時也增加了掏槽區域的一次齊爆藥量，進而增加了爆破振動速度。

圖10 爆破振速對比Fig.10 Comparison of blasting vibration velocity

4 結論

1)環向切縫管以及在此基礎上增設的超深孔均可有效地提高掘進效率，不會給施工增加較高的成本和額外地工作量，操作簡單易行，具有良好的推廣應用前景。

2)環向切縫管用于掏槽爆破可平均提高掏槽進尺0.26 m，提高炮孔利用率7%，且環向切縫的縱向間距為3～4 cm時效果最佳，且引起的振動衰減較慢。

3)環向切縫管和超深孔一起采用時，將進一步提高掏槽爆破進尺0.13 m，提高炮孔利用率1%，且中間超深孔采用MS1段雷管引爆的應用效果要優于采用MS3段雷管引爆，但MS1段雷管較MS3段雷管提高了振動速度，所以能否在實際工程中應用要根據實際情況進行確定。