大直徑空孔雙螺旋掏槽在大斷面隧道開挖中的應用*

降世良,劉三軍,王瑋

(連云港明達工程爆破有限公司,江蘇 連云港市 222021)

1 工程概況

沙特NEOM 隧道項目全線共有6條支洞,暗洞全長共8415.27 m,其中4#、5#、6#支洞位于東部山區,圍巖由沉積巖、安山巖、花崗巖、砂巖等一種或多種混合組成,巖石單軸抗壓強度為20～150 MPa。因隧道為向下開挖,所以地質條件復雜、圍巖等級變化速率較快。

隧道圍巖支護等級為AD-5E～AD-1級。其中AD-4及以上圍巖采用全斷面爆破開挖法,AD-4設計循環進尺為1.5 m,AD-3設計循環進尺為3.0 m,AD-3A 及以上設計循環進尺為5.0 m,支洞典型斷面為11.52 m(寬)×8.85 m(高),斷面面積為90.47 m2,設計坡比為10.3%。

2 爆破方案的選擇與分析

2.1 施工背景

隧道支洞采用挪威法開挖,掌子面開挖前由施工單位、咨詢及設計單位的地質工程師對掌子面圍巖進行地質素描,根據素描結果計算巖質評定系數,然后確定支護類型與下一循環開挖長度。爆破開挖完成后需要立即掃描開挖斷面超欠挖情況,然后及時進行噴射混凝土支護,待噴射混凝土強度達到1 MPa后(約1.0 h),方可進入掌子面進行下一道工序的施作,圍巖等級低于AD-2 時,要連續完成初噴、錨桿施作和復噴,工序間環環相扣,嚴禁在未完成上道工序前進行下道工序的施作。項目制定的目標循環時長為17.5～18.5 h,而每月實際有效工作天數為28 d,因此,只有保證工序間無縫對接才能保證每循環時長控制在目標時長以內,以此完成制定的工期目標。

2.2 掏槽方案選擇

隧道開挖掘進時,良好的爆破效果能大大減少超欠挖,節省掌子面修整時間,并減少一定的噴射混凝支護,所以爆破效果對循環時長有重大影響。在隧道爆破中掏槽方式的選擇十分重要,直接決定了隧道開挖掘進效率,設計合理的掏槽結構能大大增加掏槽長度,更好地為后方待爆巖體提供自由面,有效提高炮孔的利用率。項目初始采用四空孔直線掏槽爆破方法,設計循環進尺為5.0 m,經過現場測試統計,發現該方案平均開挖進尺為4.55 m,炮孔利用率為91.0%。調查發現,在爆破鉆孔時,掏槽部位的鉆孔精度較差,經常出現穿孔現象。在出渣結束后觀察掌子面掏槽情況時,發現掏槽部位的巖體并未完全拋擲,掏槽孔底部石渣經過擠壓后形成了再生巖,使得后方巖體自由面不足,導致掏槽效果不佳。另因支洞為向下開挖,圍巖等級和巖石質量指標差異性大,所以掏槽孔參數需要根據巖體變化及時調整,無形中增加了部分工作量,且無法保證爆破效果。

螺旋掏槽[1-3]具有成腔效果好,掏槽面積大等優點,而雙螺旋掏槽[4]結構可以看作兩個獨立的掏槽系統,可以在單螺旋基礎上更好地提高掏槽成功率,增加掏槽爆破的穩定性。根據前期的觀察和統計結果,再結合隧道圍巖情況及炸藥種類等因素,設計出了一種大直徑空孔[5]雙螺旋掏槽結構,與傳統的楔形掏槽和直眼空孔掏槽相比,爆破效果穩定,有利于縮短隧道開挖循環時長和節約施工材料。

3 爆破參數的確定

隧道爆破參數的選取取決于隧道地質條件、斷面大小、循環進尺、鑿巖條件等因素,掏槽爆破參數的選取是爆破成功的關鍵[6-8]。大直徑空孔雙螺旋掏槽結構是利用空孔為附近的掏槽孔提供自由面和補償空間[9-10],待巖體爆破破碎后,在爆破應力和高壓氣體的相互作用下,將破碎的巖石拋擲出槽腔外,為后續待爆巖體提供更多的自由面,而其他炮孔參數則可以根據炮孔作用、部位、裝藥結構等因素選取。

3.1 炮孔數量計算

工作面上的炮孔數量可用式(1)計算[11]。

式中,N為炮孔數量;q為炸藥單耗;S為開挖斷面面積;a為炮孔裝填系數;d為藥卷直徑。

3.2 炸藥單耗計算

炸藥單耗的主要影響因素有斷面大小、掏槽方式、炸藥品種、裝藥方式及巖體結構、裂隙和層理的影響系數等,炸藥單耗可用式(2)估算[12]。

式中,f為巖石堅固性系數,取10;C為藥卷直徑影響系數,取0.95;b為炮孔深度影響系數,取1.1;e為炸藥能量系數,取1.25;ζ為裝藥密度影響系數,取1.05;ω為巖體結構、裂隙和層理影響系數,取0.8。

3.3 周邊孔參數計算

隧道輪廓采用光面爆破,裝藥結構為不耦合間隔裝藥,根據爆破施工經驗,炮孔間距取炮孔直徑的8～18倍,光爆層厚度Wz參照式(3)計算[12-13]。

式中,Ez為炮孔間距;Wz為光爆層厚度;一般Kz值取0.7～1.0,實際施工時按照巖石種類進行選取。

在爆破施工中預先按照一定的炮眼間距進行試驗,并根據光面爆破效果進行逐步調整,經驗值參數見表1。

表1 光面爆破參數值

3.4 崩落孔及底板參數計算

崩落孔的主要作用是爆落掌子面的大部分巖體,應均勻地分布在掏槽孔四周,掏槽孔爆破后為崩落孔爆破提供了充足的自由面,巖體夾制作用大大減小。崩落孔的最小抵抗線及孔間距可參照式(4)和式(5)計算[12]。

式中,Wb為崩落孔的最小抵抗線,mm;D為炮孔直徑,mm;Eb為崩落孔孔間距,mm;mb為炮孔密集系數系數,取0.8～1.2,掏槽部位兩側取小值,拱頂部位取大值。

輔助掏槽孔和崩落孔爆破后,部分巖體堆積在底板上,增加了底板孔的爆破荷載和移動阻力,為保證底板爆破效果,便于出渣和修整,底板孔布置可參照崩落孔參數并適當加密。

3.5 雙螺旋掏槽孔參數計算

在隧道掏槽爆破中,大直徑空孔為首響爆破孔提供自由面,設計和施工時根據現場鑿巖機具條件選取空孔直徑,在不具備條件時,可采用多個小直徑空孔代替,空孔直徑與空孔數量可按式(6)和式(7)計算[14]。

式中,de為空孔直徑,mm;L為理論循環進尺,m;N1為空孔數量;De為與多個空孔起到相同作用的單個空孔等效直徑,mm。

首響爆破孔與空孔之間的距離可根據破碎巖石膨脹系數確定,首響裝藥孔中心與空孔中心的間距a可由式(8)計算[15-16]。

式中,r為首響孔半徑,m;R為中空孔半徑,m;h為裝藥系數,即裝藥長度與炮眼長度之比;K為巖石膨脹系數,可參照表2選取。

表2 巖石膨脹系數K 的取值

掏槽部位裝藥孔的間距可根據巖石可爆性、巖層裂隙及層理[17]情況進行設計,間距可參照式(9)和式(10)計算。在微差爆破作業中還應考慮乳化炸藥受到先響炮孔產生的沖擊波或應力波作用,發生爆轟性能下降,出現殘藥或拒爆的因素[18]。

式中,a為首響炮孔與空孔的距離,mm;b為首響炮孔與同一螺旋方向第二個爆破孔間的距離,mm;c為同一螺旋方向第二個爆破孔與第三個爆破孔間的距離,mm。

4 實例分析

沙特NEOM 隧道4#支洞采用全斷面爆破開挖法,鉆孔采用全電腦三臂鑿巖臺車,典型的爆破開挖圍巖等級為AD-3A,爆破設計采用3×Ф127 mm 空孔雙螺旋掏槽爆破方案,炮孔直徑為45 mm,設計進尺5.0 m,炸藥采用沙特化工(SC)生產的Kemulex乳化炸藥,藥卷規格為40 mm×550 mm(500 g)和32 mm×550 mm(500 g),導爆索規格為40 g/m,炸藥密度為1.05 g/cm3,爆速為5500 cm/s,孔內雷管采用高精度導爆管雷管。

4.1 爆破參數計算

4.1.1 炮孔數量

按照式(1)計算得出炮孔數量N=152個,設計時可參照計算結果作適當調整。

4.1.2 爆破炸藥單耗

按照式(2)計算得出爆破炸藥單耗q=1.32 kg/m3。

4.1.3 掏槽孔參數

4#支洞的巖體主要為安山巖,節理裂隙比較發育,裂隙中常伴有泥質填充物,巖石質量指標為55%～85%,按照式(6)和式(7)計算得出的結果,可采用1個直徑為256 mm 的空孔作為首爆孔的自由面和補償空間,但現場最大尺寸鉆頭直徑為127 mm,故設計采用3個直徑為127 mm 的空孔,測試表明,可滿足5.0 m 進尺的爆破需求。

按照式(8)計算,炮孔直徑r為45 mm,巖石膨脹系數K取1.66,得出首響炮孔與空孔的距離a=0.26 m,取a=0.25 m。

按照式(9)和式(10)計算,并考慮裂隙較為豐富巖層可能發生乳化藥卷受壓鈍化或壓力減敏效應的因素,通過多次爆破測試,取b=2a=0.50 m,c=1.3b=0.65 m,雙螺旋掏槽孔布置參數如圖1所示。

圖1 雙螺旋掏槽孔布置(單位:m)

擴槽孔須均勻布置在掏槽孔與崩落孔之間,相鄰裝藥孔之間要保持適當間距,防止先響炮孔產生的高壓氣體對后響炮孔內的藥卷造成擠壓、鈍化或失效。

4.1.4 崩落孔和底板孔參數

按照式(4)和式(5)計算得出崩落孔最小抵抗線為Wb=1.03 m,取炮孔密集系數mb=0.8～1.0,計算后取斷面中下部崩落孔孔間距為0.95 m,拱部崩落孔孔間距為1.2 m;二圈眼孔距為1.0 m;底板孔參照崩落孔進行了適當加密,排距和孔距分別為0.9 m、0.8 m,二臺孔排距與孔距分別為0.85 m、1.1 m。

4.1.5 周邊孔參數

周邊孔設計外插角為2.3°,根據現場圍巖條件,并結合施工經驗取周邊孔孔距Ez為0.6 m,炮孔密集系數Kz取0.8,按照式(3)計算得出光爆層厚度Wz=0.75 m,考慮到周邊孔及內圈孔外插角度,實際孔口光爆層厚度取0.65 m。

4.2 炮孔布置及相關參數

施工中多次調整爆破參數[19-20],最終爆破炮孔布置如圖2所示;總鉆孔延米為771.8 m,裝藥量為597.88 kg,炸藥單耗為1.32 kg/m3,炮孔及裝藥參數見表3。

圖2 全斷面炮孔布置(單位:m)

4.3 不同類型炮孔裝藥結構

掏槽孔采用直徑40 mm 的藥卷連續不耦合裝藥,為降低爆破炸藥單耗,崩落孔及底板孔采用直徑為40 mm、32 mm 的藥卷混合裝藥,線裝藥密度為0.97 kg/m,周邊孔采用直徑32 mm 的藥卷+40 g/m 的導爆索,線裝藥密度為0.20 kg/m。為減少拱腳段的爆破超挖,兩側拱腳采用直徑為32 mm 的藥卷+40 g/m 的導爆索不耦合間隔裝藥,線裝藥密度為0.40 kg/m,裝藥結構如圖3所示。

圖3 不同類型的炮孔裝藥結構

5 爆破效果對比

在大斷面隧道爆破施工中,楔形掏槽受限于鑿巖設備的有效鉆孔長度,最大設計循環進尺為4.5 m,而且實際炮孔利用率大多數在90%～95%之間,實際爆破單耗大于設計單耗;項目前期采用的4空孔直眼掏槽結構,掏槽效率偏低,掏槽成功率不穩定,爆破進尺不理想。采用新設計方案后,爆堆集中,塊度均勻,單循環最大進尺為5.0 m,最短循環時長為16.5 h,單月最大掘進進尺161.8 m,經過85個循環施工和統計,共掘進413.1 m,平均進尺4.86 m,光面爆破效果良好,殘眼率達88%～93%,輪廓超欠挖控制在合理范圍內,符合設計要求。比較前期采用的4空孔直眼掏槽平均進尺提高了0.31 m,大大縮短了鑿巖時間,進一步提升了爆破掘進效率。

6 結論

(1) 大直徑空孔雙螺旋掏槽結構可以看作兩個相對獨立的掏槽體系,比傳統的楔形掏槽和4空孔直眼掏槽掏槽成功率高、更穩定,且爆破成腔效果好、掏槽面積更大。

(2) 根據炮孔不同部位、作用及裝藥結構設計合理的爆破參數,既可以減少爆破器材的消耗和改善爆破效果,也可增加爆破進尺,提高掘進效率,還可以節約循環作業時間和施工成本。

(3) 大直徑空孔雙螺旋掏槽方法的適用性強。實踐表明,此方法適用于各種類型的巖體爆破,巖石質量等級變化時只需調整鉆孔深度和裝藥長度。由此可建立動態爆破設計方案,以滿足施工需求。