鐵路隧道空孔直線掏槽爆破方案優化研究及應用*

宋森森,霍潤科

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院,西安 710055;2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室,西安 710055)

由于鉆爆法具有高效、經濟、適用性強的優點,是當前國內外隧道開挖的主要施工方法[1]。然而在施工過程中往往受到施工條件限制、工程地質影響以及多采用常規爆破方法等原因,造成爆后超欠挖現象較為嚴重[2-4],作業環境差等問題,既不利于施工安全和圍巖穩定,又在一定程度上影響工程進度。因此,為進一步提高爆破效果、降低施工成本以及改善作業環境,爆破方案的實時優化對鐵路隧道鉆爆法施工具有重要的現實意義。

對于爆破參數的調整與優化,眾多學者通過多種方法開展了大量的應用及技術探索。張萬志等依托寨山隧道全斷面開挖[5],從擴展掏槽腔體積與炸藥單耗、爆破破巖負擔體積不同的角度對掏槽參數進行優化設計,結果表明爆后掌子面光滑平整。于飛飛等與徐幫樹等以蟠龍山隧道為工程背景[6,7],針對鉆爆掘進開挖超挖嚴重的問題,結合現場爆破試驗和機理分析優化了爆破參數與炮孔布置,發現采用爆破優化參數的洞室開挖成型效果更好。張繼春等在分析原常規爆破方案存在問題的基礎上[8],對其爆破參數進行優化,提出了適用于隧道圍巖的光面爆破方案。劉國強等采用有限元軟件模擬了抵抗線大小、周邊孔間距及線裝藥密度等爆破參數對爆破效果的影響[9],通過分析不同爆破參數下的圍巖損傷厚度與等效應力,提出一種爆破優化方案并應用于工程,以提高爆后的成型質量。

由于空孔直線掏槽具有炮孔布設少、能充分利用自由面以提高爆破效果的特點,但其爆破效果受到眾多參數的影響,且目前針對鐵路隧道爆破參數的選取及優化研究相對較少。在原有爆破方案的基礎上,合理選取爆破參數并進行優化以達到較好的爆破效果,是當前工程施工中亟待解決的問題,因此有必要開展爆破方案的優化研究。論文依托某在建隧道工程,根據其圍巖特性,通過分析計算對原方案的炮孔爆破參數、掏槽孔布置形式以及裝藥結構進行調整與優化,總結得出適用于本工程的爆破優化方案。經現場應用試驗,優化方案表現出較好的技術與經濟效果,研究成果對今后鐵路隧道爆破設計及優化具有指導作用。

1 工程概況

某鐵路隧道進口平行導坑PDK773+255～320段,設計圍巖等級為Ⅳ級,整體較完整,取樣測試巖石抗壓強度為97～142 MPa。支護類型為噴錨襯砌,開挖斷面尺寸為6.5 m(寬)×6.5 m(高),斷面面積44.5 m2,如圖1所示。區域地質報告及現場調查顯示該工程基巖地層主要為石灰巖、白云巖、砂巖、礫巖夾泥巖、白云巖夾泥巖、砂巖夾礫巖。同時在區域構造的影響下,測區分支構造極其發育。地下水較發育,并且補徑排條件受地下含水系統物質結構、地形地貌及自然氣候條件影響,控制隧址區各含水巖組內地下水形成、富集及循環特征。

圖1 隧道斷面示意圖(單位:cm)Fig. 1 Tunnel section diagram(unit:cm)

2 原爆破方案及其效果分析

2.1 原爆破方案設計

原方案在PDK773+255～284試驗段按照全斷面法爆破開挖,采用中空孔直眼掏槽方式,設計循環進尺3 m,每循環炮孔158個,其中直徑80 mm的空孔8個,其余炮孔共計150個,直徑均為42 mm。合計裝藥量216 kg,炸藥單耗1.6 kg/m3。各炮孔均采用連續裝藥形式,尾部采用錨固劑堵塞。所用炸藥為2#巖石乳化炸藥,藥卷規格均為φ32 mm×300 mm×0.3 kg,使用孔內非電毫秒雷管延期起爆網路,起爆順序從斷面中心向外逐段起爆,原方案炮孔布置如圖2所示。

圖2 原方案炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 2 Blasthole layout of the original scheme(unit:cm)

2.2 設計存在的問題

(1)現場爆破效果表明雖能達到預計進尺,但是爆后掌子面表面凹凸不平,超欠挖現象較為嚴重。經分析單循環爆破的超挖均值為0.2～0.4 m,最大達0.5 m以上,同時也存在局部欠挖現象,最大欠挖在0.3 m左右。爆后在開挖輪廓面上周邊孔痕跡保存率不足80%,爆后整體效果如圖3所示。

圖3 原方案爆后效果圖Fig. 3 Post-blast effect of original scheme

(2)原破方案沿用傳統式保守設計,炸藥用量大,單耗量較高。將斷面中心部位設置8個大直徑中空孔配合裝藥炮孔作為主掏槽區,不僅增加了工作量,而且對圍巖的損傷較大。同時導致掌子面中間部位爆后巖石拋擲距離較大,且塊度不均勻,爆堆較為分散,不利于清渣運輸。

(3)由于炮孔采用傳統的裝藥結構,孔口部位用炮泥堵塞,使得爆破過程中產生大量的粉塵和有害氣體,從而導致每循環的通風時間增加,不僅增加了施工費用,還會對施工進度產生影響。

3 爆破方案優化

基于上述問題,為實現安全高效施工,亟需對原方案進行優化。下文將主要從參數設計、掏槽孔布置形式、裝藥結構三方面進行優化分析研究,確定出符合現場實際的爆破設計方案。

3.1 爆破參數設計

3.1.1 炸藥單耗

依據Pokrovsky提出的經驗公式計算炸藥單耗q[10]

q=qakfe

(1)

式中:qa為未修正炸藥單耗,kg/m3,取0.1倍的巖石堅固性系數;k為自由面系數;f為巖石結構系數;e為炸藥的換算系數。計算得到q=1.2 kg/m3。

3.1.2 炮孔數量

工作面上的炮孔數量N1用式(2)進行估算[11]

(2)

式中:S為隧道斷面面積,m2;α為裝藥系數;γ為每米藥卷的炸藥質量,kg/m。計算得到N1=118.4個,取N1=119個。

3.1.3 崩落孔參數

崩落孔位于掏槽孔外圍,周圍巖體破壞是爆炸應力波和爆生氣體共同作用的結果,其孔距Lbk及排距Lbp可取裂隙區半徑。裂隙區半徑R用經驗公式計算[12]

(3)

式中:d為炮孔直徑,m;ρ0為炸藥密度,kg/m3;D為炸藥爆速,m/s;σc、τc分別為巖石的極限抗壓強度和抗剪強度,Pa。計算得到R=71.7 cm,為方便施工,取R=70 cm。因此,崩落孔孔距及排距為70 cm。

3.1.4 周邊孔與底板孔參數

周邊孔的線裝藥密度一般較低,布置在開挖邊界上,其孔距Lzk可按式(4)確定

Lzk=(8～18)d

(4)

經計算,Lzk=50.4 cm,取Lzk=50 cm。同時周邊孔還應按照3.3%的外插角向外進行設置,以期達到較好的超欠挖控制效果[13]。

底板孔位于開挖斷面的底部,在爆破時有大量巖石覆蓋,所受到的移動阻力較大,因此應較周邊孔適當加大其裝藥量[14]。結合巖石爆破過程中形成的裂隙區半徑R,將底板孔孔距取70 cm。

3.2 掏槽孔參數與布置

原方案采用中空孔直眼掏槽技術,充分利用大直徑中空孔的空孔效應[15],但在實際應用中的爆破效果較差,現對掏槽孔的布置進行調整。根據CYT15-3型鑿巖機和鉆頭直徑情況,空孔直徑仍選用80 mm,按式(5)計算中空孔的數量N2[16]

(5)

式中:L為循環進尺,m;dk為空孔直徑,mm。

經計算,1.3個空孔方能滿足3 m循環進尺的需求。結合原方案的施工經驗,在掌子面中部仍設兩組掏槽孔,每組設一個中空孔。當隧道斷面寬度較小時,裝藥最優抵抗線b可按經驗公式(6)確定[17]

(6)

式中:dz為裝藥直徑,cm;B為自由面寬度,cm;ρs為巖石容重,g/cm3;e為炸藥爆力校正系數。

根據式(6)計算內圈掏槽孔與大直徑中空孔間的距離b1,爆后為外圈掏槽孔爆破提供更好的自由面。本方案仍采用2#巖石乳化炸藥,經計算,b1=20.1 cm,取b1=20 cm。在內圈掏槽孔爆后形成的槽腔寬度b′=2×20+4.2=44.2 cm,將其作為外圈掏槽孔的自由面,同理代入式(6)計算,b2=36.2 cm,取b2=36 cm。綜合上述計算,經調整后掏槽孔布置與施工現場作業如4圖所示。

圖4 掏槽孔布置與現場作業圖(單位:mm)Fig. 4 Cutting hole layout and field operation drawing(unit:mm)

3.3 裝藥結構

采用水封光面爆破技術,將原方案裝藥結構孔口部位的炮泥堵塞改為水袋堵塞。在防止能量損失的同時,利用水的不可壓縮性,水袋中的水在巖石中產生“水楔”效應,可進一步破碎巖石,提高炸藥能量的利用率。同時在爆破過程中所產生的水霧起到很好的降塵作用,改善施工環境,減少通風時間[18]。另外,為避免周邊孔裝藥集中于孔底,采用藥卷與水袋間隔填裝的結構形式,在一定程度上減弱孔底的爆破作用,達到控制超欠挖、減弱圍巖破裂與損傷的目的。除周邊孔之外的其他裝藥炮孔均采用連續裝藥形式,所有炮孔采用導爆管傳爆,起爆雷管裝在炸藥底部反向起爆,裝藥結構如圖5所示。

圖5 裝藥結構示意圖(單位:cm)Fig. 5 Chart of charge structure(unit:cm)

基于上述初步設計計算,將計算得到的參數結合實際情況與施工經驗對其進行微調后,進行具體的細化工作,形成爆破參數表與炮孔布置圖,如表1和圖6、圖7所示。

圖6 優化方案炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 6 Optimization scheme blasthole layout(unit:cm)

圖7 A-A剖面炮孔布置圖(單位:cm)Fig. 7 A-A section borehole layout diagram(unit:cm)

4 應用效果分析

4.1 技術效果分析

采用上述方案在PDK773+285～315段連續進行10個循環爆破試驗,爆后效果如圖8所示。根據統計數據,每循環進尺達2.8～2.9 m,開挖輪廓面上周邊孔痕跡保存率達85%以上。周邊孔孔底大多位于開挖邊界外0.1～0.25 m,平均線性超挖均值由原來的0.2～0.4 m降低到0.15 m以內,基本沒有出現欠挖部位,圍巖超欠挖的現象得到了有效控制。爆后掌子面平整光滑,未出現“鼓肚”現象,且爆破循環之間未出現明顯“錯臺”現象,減少了清理掌子面的時間,也為下一循環的爆破工作創造了較好的條件。同時爆出來的巖塊較為均勻,有利于裝碴運輸,較原方案表現出了良好的技術效果。

圖8 爆破效果圖Fig. 8 Post-blast effect diagram

4.2 經濟效果分析

根據現場統計數據,兩方案每循環的技術參數、工序時間及費用對比表,如表2、表3與表4所示。

表2 技術參數對比表Table 2 Technical parameter comparison table

表3 工序時間對比表Table 3 Process time comparison table

表4 費用對比表Table 4 Cost comparison table

根據以上數據可得出,在設計循環進尺相同的情況下,優化方案較原方案炮孔數量減少37個,炸藥消耗量減少約23%,從而使得每循環的施工作業用時與費用均有不同程度地降低。原方案每循環作業完成合計時長為8.5 h,優化方案合計時長為7.4 h,其中測量放樣、排險及裝藥爆破的工序時間基本一致,炮孔鑿鉆與出碴的工序時間均有降低。另外,由于裝藥結構采用水袋堵塞,水袋中的水能很好地吸收爆轟產物中的有害氣體和粉塵,從而保證施工作業人員的身體健康,對于小斷面隧道施工尤為重要,同時也可減少通風時間0.3 h。在費用方面,原方案每循環作業合計成本約0.495萬元,優化方案合計成本約0.415萬元,較原方案每循環可減少費用約0.08萬元?？梢?優化方案在提升工效、節約成本方面較原方案有著明顯的優勢。

5 結論

結合某鐵路隧道平行導坑工程,對原方案進行優化分析,經現場應用表明采用優化后的爆破施工方案后,取得了較好的爆破效果。具體結論如下:

(1)運用經驗公式對爆破參數與掏槽孔的布置進行優化調整,使其更能合理利用自由面,提高炸藥能量的利用率。爆后掌子面平整光滑,未出現“鼓肚”現象,且爆破循環間未出現明顯“錯臺”現象,平均線性超挖均值由原來的0.2～0.4 m降低到0.15 m以內,基本沒有出現欠挖部位,有效控制了圍巖超欠挖的現象。

(2)結合水封光面爆破技術,裝藥炮孔孔口部位用水袋堵塞,周邊孔采用藥卷與水袋間隔填裝的結構形式,施工工藝較為簡單。在保證圍巖穩定的同時,使得隧道內的施工環境得到大大改善,從而保證了施工作業人員的身體健康,也可減少通風時間0.3 h。

(3)對比原爆破方案,優化后的方案炮孔數量、炸藥用量以及炸藥單耗均有所減少。統計數據表明,每循環可減少施工用時1.1 h,節約成本約0.08萬元,有著明顯的技術效果與經濟優勢。

(4)基于現有的優化方案,可根據現場機械設備及工程地質情況對空孔進行靈活調整,通過空孔的數量、直徑與循環進尺的匹配,建立動態的爆破參數,從而達到進一步提升工效,節約成本的目的。