聚能水压爆破技术在水平岩层隧道施工中的应用

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　　【摘  要】水平岩层的超欠挖控制一直是隧道爆破施工的难题。为解决凤凰隧道开挖过程中的超欠挖问题，分析了水平岩层变形破环的原因和聚能水压光面爆破的原理，进行了聚能水压光面爆破试验。现场爆破试验表明，在水平岩层中采用聚能水压光面爆破技术，施工进度快，爆破质量好，生产成本降低显著，经济效益和社会效益均有了明显提高。
　　【Abstract】The control of over and under excavation of horizontal strata is always a difficult problem in tunnel blasting construction. In order to solve the problem of over and under excavation in Fenghuang tunnel， this paper analyzes the causes of horizontal strata deformation and breakage and the principle of concentrated energy hydraulic smooth blasting， and carries out the concentrated energy hydraulic smooth blasting test. The field blasting test shows that the application of the concentrated energy hydraulic smooth blasting technology in the horizontal strata has the advantages of fast construction progress， good blasting quality， significant reduction in production cost， and significant improvement in economic and social benefits.
　　【关键词】聚能爆破;水平岩层;超欠挖
　　【Keywords】concentrated energy blasting; horizontal strata; over and under excavation
　　【中图分类号】U455.7                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）02-0182-03
　　1 引言
　　超欠挖控制一直是影响隧道施工成本、工期的关键环节。水平岩层是隧道工程施工经常遇到的一种地质构造，水平岩层的超欠挖控制相较于其他岩层更为复杂和困难，如果处理不好，隧道拱顶会出现大面积平顶、落石、冒顶等现象，造成大量超挖增加回填混凝土用量，还会影响围岩的稳定性，从而影响施工作业人员和机械安全，所以水平岩层的光面爆破超欠挖控制对于隧道施工意义重大。通过研究新奥法施工的基本原理以及水平岩层对爆破的影响特点，在张吉怀铁路凤凰隧道使用了聚能水压爆破技术，取得了较好效果。本文对此技术在水层岩层的光面爆破施工技术作一介绍。
　　2 工程概况
　　凤凰隧道位于湖南省湘西州凤凰县沱江镇关岩层村境内，全长4375m，为时速350km单洞双线隧道，最大埋深约220m。隧道分进口、横洞和出口3个工区平行组织施工。隧道围岩为K1泥质粉砂岩，局部夹泥粉质砂岩，含砾砂岩，石英砂岩，红色，综红色，强风化～弱风化。洞身弱风化层，粉砂岩，泥质胶结，中厚层状构，节理较发育，岩体较破碎，层厚1～3m。岩层产状：100°～140°∠8°～25°。岩层取样，实测饱和单轴抗压强度28MPa，属软软岩。全隧地下水不發育，主要为基层裂隙水。隧道最大开挖宽度14.7m，隧底至拱顶开挖高度12.38m，爆破开挖断面148.91m2。其中进口工区采用全电脑三臂凿岩台车全断面法开挖施工，横同工区采用传人工钻眼爆破台阶法施工。
　　3 水平岩层变形破坏机理
　　在薄水平岩层地段，爆破时岩体也极易沿着拱部某一层理面整体脱落，形成平如桌面的平顶现象。此时隧道顶板呈悬露状态，顶板以梁（或板）的形式支撑着上覆岩体的重力作用，保持着应力场的平衡，此时覆岩的力学结构属于典型的梁（或板）式平街结构。当此跨度达到岩梁的极限长度时，顶板在上部荷载的作用下，造成断裂、垮落破坏，顶板岩层在第一次断裂后，应力转移到两侧，使得上面的岩层又成为梁（或板）式平衡结构，其两侧分别位于隧道两侧悬臂岩层的上方。当作用力足够大时，隧道两侧岩层悬臂梁不断发生破断，其上方的岩梁超过极限跨距后再次造成断裂和垮落。此时上覆岩层的重量将沿主应力线方向向隧道两侧传递，主应力线方向为一拱形，即形成应力平衡拱[1]。
　　爆破后应力波如果遇到节理、夹层等结构面，将发生复杂的透射、反射现象，使应力波能量在结构面中消耗衰减。由于结构面对应力波传播的阻隔作用，对于隧道光面爆破而言，周边眼边连心线上的应力波叠加受到影响。在拱顶、周边眼之间的裂缝往往沿着结构面形成，因此，容易形成平板状轮廓。在边墙部位，周边眼连心线垂直于夹层面，边心线上很难形成应力叠加，相当于单个炮眼独自作用。层状节理对爆破的影响可归纳为应力集中作用、应力波的反射增强作用、能量吸收作用、泄能作用、楔入作用和改变破裂线等作用，软弱夹层使爆破后应力波传播以及衰减规律发生变化，同时也影响了爆生气体对岩石破碎作用。因此，爆破产生的能量得不到预期的组织与分配而在炮眼周围以及夹层中大盘消耗，造成爆破后难以形成设计要求的拱形轮廓，大块率高，超欠挖现象严重[2]。 　　4 聚能水压爆破技术基本原理
　　已有研究表明[3]，聚能爆破的炸药爆炸产生的爆轰波通过聚能管的聚能槽，将炸药的动能和势能转换成高压、高速、高能的射流，切割岩石成缝，形成1～2cm深缝。射流在孔壁产生射流压力达7000MPa，岩石动载抗压强度为200MPa，抗拉强度与抗压强度之比为1/8～1/10，相邻两炮孔间互为临空面，叠加后的压缩波变为稀疏波，在两炮孔连线上使岩石分子结构断裂，形成裂纹。准静态气体膨胀，静态压力在两孔最短边线两侧产生拉应力，使岩石裂缝进一步扩展。根据爆破应力集中“气刃”作用原则，爆破气体沿裂缝并进一步扩大贯通，抛落岩石。
　　通过上述爆破理论总结发现，为提高水平软弱岩层的爆破效果，从爆破理论方面，我们可以从以下两个方面来努力：一是，减少爆生气体的“气楔效应”对洞身径向方向影响，减少对基层的破坏程度，从而降低爆破后自然掉块，特别是拱部平板掉块超挖;二是，在不增加炸药单耗的前提下，尽可能让应力波和爆生气体能量沿轮廓线有效传播，降低结构面对能量的衰减作用。综合考虑聚能水压爆破理论上能够起到上述作用。故在凤凰隧道DK180+960～995段进行试验对比研究，DK180+860～960段采用传统光面爆破技术，两段均为IV级围岩，岩性一致。
　　5 爆破试验方案
　　影响光面爆破效果的因素有很多，主要有钻眼精度、装药结构及装药量、隧道断面大小、地质条件、测量放线精度、施工管理等方面，该试验为排除其他因素的影响，选取凤凰隧道进口作试验点，其优势主要有以下几方面：一是，全电脑三臂台车可以实现自动定位寻眼钻眼，可以排除人为因素干扰;二是，同一工点同一工法可以排除管理和工法差异上的干扰。
　　5.1 爆破设计
　　聚能水压爆破与传统光面爆破技术最大的区别是周边眼间距和周边眼装药量，具体如表1和图1所示。
　　从上述对比来看，聚能水压爆破虽然增加了单孔装药量，但总体装药量小于传统光面爆破技术装药量。
　　5.2 聚能管装置的组装方法
　　聚能管装置中的传爆线和起爆雷管为施工通用的起爆器材，起爆雷管段别与常规光面爆破相同。往半壁管注药需要注药枪和空压机设备，注药枪长45cm，重0.8kg。小型空压机功率800W，重23kg。往半壁管注药步骤：第一步，把药卷一端和沿药卷纵向把包装皮切开，然后将药卷沿纵向切开面合并并装入注药枪筒中，最后拧紧旋转盖;第二步，给注药枪加压，其压力为0～2个大气压;第三步，手握注药枪沿半壁管从头注入，炸药就从枪口不断流入半壁管中。注好炸药的2个半壁管相扣之前在其中1片半壁管中放置1根传爆线，然后合并装在一起，装上起爆雷管。为保障聚能管装置中的聚能槽对准隧道轮廓面以防止转动，聚能管装置的两端套上塑料套圏，这样聚能管才完全组装好。要特别指出的是，为了安全，在聚能管装置组装房内最好不要安装起爆雷管，待运到掌子面时再安装，整个装藥过程2个工人作业时长约1h。注意聚能管的长度可以根据进尺定制。
　　5.3 装药结构
　　装药之前，把加工好的聚能管运至施工掌子面，并准备绝缘胶带、孔内定位棉、夹条等辅助材料。装填的步骤：第一步，往炮孔最底部填装1个水袋，水袋必须装到炮孔底部，不能留有空隙;第二步，装聚能管装置，聚能管长约2.2m，约为炮孔深度的70%，聚能管要紧挨着炮孔最底部水袋，聚能槽方向对准相邻炮孔中心，不可弄错;第三步，装填2袋水袋;第四步，用专业设备加的炮泥回填到炮孔口，用木质炮棍捣固坚实，起到填塞的作用。所有炮孔填过后，像常规光面爆破起爆。
　　6 爆破效果统计与分析
　　统计13个试验循环的爆破效果数据，拱部平均线性超挖值为15.9cm，边墙为12.8cm，拱部炮眼痕迹率为52.9%，边墙为69.8%，后期爆破参数稳定后，拱部平均线性超挖值为14.7cm，边墙为12.1cm，拱部炮眼痕迹率为57.2%，边墙为71%。与DK180+860～960对照段爆破效果对比发现，聚能水压爆破技术拱部线性超挖值降低3.2cm，边墙降低3.4cm，炮眼痕迹率增加20%以上，具体情况如表2所示。
　　7 爆破技术经济比较
　　采用聚能水压爆破增加了聚能管费用，但减少了钻孔数量、炸材用量和混凝土用量，综合分析每循环节约直接成本517元，平均每米172元，具体计算如表3所示。同时每循环节约循环时间约1h，每施工1km隧道可节约工期14天左右。
　　8 结论
　　①聚能水压光面爆破技术集聚能爆破、水压爆破、光面爆破三者的优点于一身，充分利用了炸药聚能爆破产生集中爆破能的原理，较好地控制聚能射流面与光爆面吻合，因此，显著増大了周边眼孔距，即减少钻孔工作量。聚能爆破还减少了围岩扰动，有利于保持基岩的稳定性，保持开挖轮廓圆顺、整齐，残孔保留率高，超挖减少，提高了施工安全保障。②施工进度快，且施工质量明显提高，降低生产成本显著，有效提高了经济效益和社会效益。操作时要严格按照爆破设计钻眼装药，特别是聚能槽的方向，不得弄错。③在试验过程中发现，爆破后效果较好，随着时间的推移，新鲜岩层接触空气不断风化，光爆破效果无法维护到初期支护完成前，从而造成二次超挖，在后续施工中，坚持爆破后立即进行初喷封闭岩面起到了较好效果。④试验过程中我们也发现，在一定时间段之内爆破效果是趋于稳定的，在围岩未发生变化前，可适当缩小炮眼开孔轮廓，缩小值为平均超挖值的1/3左右。
　　【参考文献】
　　【1】孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社，1988.
　　【2】黄金旺.近水平红砂岩隧道钻爆法施工超欠挖控制技术研究[D].长沙：中南大学，2010.
　　【3】何广沂.聚能爆破的研究与实践[A].第七届工程爆破学术会议论文集[C].2001.
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