隧道掘進下臺階垂直鉆孔爆破技術應用

劉媛媛,湯志健,劉清源

(1.中國爆破器材行業協會,北京 100089;2.北京中科力爆炸技術工程有限公司,北京 101318)

0 引言

目前,國內隧道爆破掘進主要采用氣腿式鑿巖機,利用臺車作為鉆孔平臺,由人工進行水平炮孔鉆孔及裝藥作業,在水平炮孔裝藥過程中經常出現卡孔、堵孔、炸藥無法裝入的情況[1-3],同時由于炮孔數量多、水平炮孔填塞難度大,很多地區存在不填塞或僅用炸藥紙箱進行填塞的違規操作,爆破效果差,影響隧道的施工安全和施工效率[4-6]。

根據隧道爆破分部開挖的特點,提出在隧道分部開挖過程中,下臺階爆破采用由小型履帶鑿巖臺車進行垂直鉆孔、實施較大規模的多排孔臺階爆破。 根據現場情況及開挖深度進行爆破方案設計和起爆網路設計,通過爆破振動監測分析和評估爆破有害效應可能造成的危害,為隧道采用垂直鉆孔爆破的推廣應用提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

依托于北京國道109 新線高速公路黃臺隧道工程,該隧道全長4 014 m,標準斷面開挖高度9.18～11.67 m,開挖寬度16.54～17.06 m,隧道斷面為127～164 m3,隧道Ⅲ級圍巖占比41.6%、Ⅳ級圍巖占比37%、Ⅴ級圍巖占比21.4%,其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用兩臺階分部開挖法進行爆破掘進,下臺階分左右側交替掘進向前推進。

1.2 工程難點

項目自2020 年開工以來,受疫情、冬奧會、其他活動停工以及爆破作業時間(6:00 至20:00)限制等因素影響,項目按常規作業無法按預期工期目標完工。 隧道斷面上臺階每天完成一個爆破作業循環,下臺階一側完成一個爆破作業循環,下道掘進速度延后,為保證上下臺階步距符合相關安全要求,掘進一段時間后須停止上臺階掘進作業,僅進行下臺階爆破掘進,直至步距符合安全要求后再進行上臺階斷面掘進,停止上臺階爆破影響隧道貫通工期要求。 為保證隧道如期貫通,在施工過程中,項目以上臺階掘進爆破貫通為目標,下臺階爆破為輔。 為保證上下臺階步距符合相關要求,同時減少人員投入,提高機械化作業效率,下臺階采用垂直鉆孔爆破。 本次試驗段起始里程為AK24+360,均為Ⅲ、Ⅳ級圍巖,上臺階高度7.8 m,下臺階高度3.5 m,在施工過程中采用數碼電子雷管延期起爆技術,對爆破振動、初襯破壞情況、爆破效果以及施工效率與常規水平孔爆破對比。

2 試驗方案及參數

根據地勘報告,里程AK24+320—AK24+567段隧道為Ⅲ、Ⅳ級圍巖,左右線圍巖狀況及巖性基本一致。 選取隧道左線大里程方向AK24+360 位置處,開始實施下臺階垂直孔首次爆破試驗,利用全站儀對下臺階開挖深度進行測量,以此確定鉆孔深度及孔網參數。 采用小型挖掘機改造的履帶式潛孔鉆機配合人工清孔進行鉆孔作業。

以隧道下臺階一次爆破進尺10 m 為例,下臺階左右兩側采用交替掘進、邊墻處預留1.5 m 不進行鉆孔裝藥,以保證上臺階用于支護的鋼拱架支腿具備足夠的支撐能力,在后續爆破清渣完成后,根據底拱一次支護長度,對支護區域內邊墻采用水平孔鉆孔爆破,隨掘隨支,保證斷面圍巖及支護的穩定。

2.1 下臺階爆破設計孔網參數

采用2#巖石乳化炸藥,炸藥直徑為32 mm,單卷炸藥長度為30 cm、質量為300 g;炮孔直徑為42 mm、鉆孔角度90 °,鉆孔深度為3.4～3.7 m、炮孔間距為1.2 m、排距為1 m、填塞長度為1.2 m,炮孔剖面布置如圖1 所示。 采用數碼電子雷管進行延期起爆,減弱爆破振動[7-9],單孔藥量為2.1 kg,最大單響藥量為10.5 kg,總藥量為105 kg;采用逐排起爆,孔間延期為0 ms,排間延期時間為70 ms。

圖1 下臺階炮孔布置正視示意圖

2.2 預留邊墻爆破設計孔網參數

邊墻二次爆破共布置4 個炮孔,炮孔外傾孔底落在隧道斷面開挖輪廓線外10 cm 處,開挖炮孔直徑為42 mm、鉆孔深度為4.4 m、上下排炮孔間距為0.8 m,上部炮孔采用水平鉆孔,底部炮孔向下傾斜,孔口落在底板輪廓線上,孔底超出底板輪廓線,填塞長度為0.6 m。 采用分段間隔裝藥結構,底部加強裝藥,裝藥系數為0.45,導爆索起爆網路一次起爆,最大單響藥量為8.1 kg。

在距爆破點前方30 m 邊墻處安設1 個爆破振動測點,采集邊墻在實施爆破作業過程中接收到的振動數據。 炮孔及測點布置如圖2 所示。

圖2 炮孔及測點布置俯視示意圖

采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破測振儀進行振動監測。 在安設測點前,將安設區域進行清理至基巖面,用水泥將安設位置基巖坑洼處抹平。 待水泥凝固后,將測振傳感器用快干粉固定在水泥面上。 同時,在傳感器四周巖體上鉆孔,用膨脹螺絲和固定卡扣將傳感器再次進行固定,保證測振傳感器布置在巖體上防止脫落。

將測點兩側初襯支護作為觀測點,爆破前對初襯支護進行錄像并留存影像資料,便于爆后進行比對爆破對初襯的破壞情況[10]。

3 試驗結果分析

3.1 爆破振動比較分析

爆破振動數值除受最大起爆藥量、炮孔延期時間、自由面數量影響外,還受到爆源與測點之間的巖石介質影響。 為盡量減小巖石介質變化對爆破振動數值的影響,根據業主單位提供的詳細地勘報告,選取隧道左右線圍巖情況相同的同一位置進行爆破振動數值監測對比。

取隧道左線AK24+360—AK24+390 區域作為垂直孔爆破試驗段,下臺階左右兩側各爆破3 次;隧道右線AK24+360—AK24+390 采用常規水平孔爆破掘進,在左線對應的測點位置布置測點,對爆破振動進行監測并進行記錄,兩種爆破方式的振動數據見表1,振動波形如圖3 所示。

圖3 爆破振動波形圖

垂直孔爆破垂直方向振動最大值為0.61 cm/s、最小值為0.31 cm/s;水平孔爆破垂直方向振動最大值為0.90 cm/s、最小值為0.50 cm/s,兩者比較,相對于水平孔爆破,垂直孔爆破產生的爆破振動相對較小,爆破振動有害效應對圍巖的擾動更小。

水平孔爆破分3 排由上向下分段延期進行爆破,延期時間間隔為90 ms,圖3(b)垂直方向的爆破振動峰值出現在0.29 s 處,即底部一排炮孔起爆后達到振動峰值。 主要原因是由于底部一排炮孔受巖石重力作用,受到較大的夾制作用,爆炸能力作用于巖體上,產生較大的振動。

根據《爆破安全規程》[11]中交通隧道結構10～15 cm/s 的安全允許值,上述數據處于安全值范圍內。

3.2 初襯破壞情況

爆破振動對初襯支護破壞主要分為兩個方面:爆破振動導致噴射混凝土表面開裂、脫落以及爆破振動導致上部封閉圍巖失穩造成拱架下沉變形[12]。 通過對錄像留存的影像資料與爆破后現場初襯情況進行對比及觀察,噴射混凝土表面完好,未發生噴漿脫落及大量裂縫的出現;根據甲方跟進的測量隊伍提供的數據,拱架未發生下沉變形的情況。 同時,隧道邊墻懸掛的各類管線及風筒均未受到爆破飛石損毀破壞。

3.3 隧道掘進情況

垂直孔一次爆破規模較大,一次爆破進尺約10 m,隧道掘進效率高,相對于水平孔爆破,受巖體自重的夾制作用較小,巷道底部沒有底坎,巖石塊度較均勻,爆破效果優于水平孔爆破。 同時,采用分段延期起爆技術,控制單段起爆最大藥量,將爆破振動控制在合理范圍內。 由于預留邊墻一側部分巖體,隨支隨掘,相比于水平孔爆破,不存在欠挖補炮的情況。

4 試驗結論

1)隧道下臺階采用垂直孔裝藥爆破,有利于機械化作業,減少人員投入,加快施工進度,炮孔受巖體自重的夾制作用小,爆破效果好。

2)邊墻預留部分巖體進行二次爆破,有利于保證上部拱架的支撐能力,保障隧道支護的可靠性。

3)垂直孔爆破相對于水平孔爆破更容易對爆破飛石進行控制,防止飛石對隧道內施工管線的破壞。

5 結語

1)考慮到隧道圍巖穩定性和開挖方式,本次試驗僅在Ⅲ、Ⅳ級圍巖中進行,后續計劃在Ⅴ級圍巖以及高度大于4 m 的下臺階爆破開挖中進行試驗,優化試驗方案。

2)由于爆破振動數值滿足爆破安全規程中的安全允許值,考慮到爆破效果,試驗采用逐排延期起爆技術,后續試驗過程中計劃根據巖性,調整爆破延期方案,采取逐孔起爆技術,進一步降低爆破振動數值。