光面爆破在双鹰顶隧道中的应用

光面爆破在双鹰顶隧道中的应用中铁十二局集团第三工程有限公司山西太原030024摘要：光面爆破的良好效果不仅提高了开挖质量,保证了防水板的挂设,而且提高了衬砌混凝土的质量,做到了不渗不漏,兑现了合同承诺,介绍在双鹰顶隧道人工开挖施工中对光面爆破技术方案进行优化，取得了良好的爆破效果。本文论述了光面爆破在隧道施工中的应用。关键字：隧道；钻爆设计；优化方案0引言光面爆破的作用原理：光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题,目前仍在探索之中,尽管在理论上还是不甚成熟,但在定性分析方面已有共识,即炸药起爆时,对岩体产生两种效应:一是药包爆破瞬时高温高气压形成的冲击效应;二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。光面爆破是周边眼同时起爆,各炮眼的冲击向四周做径向传播,相邻炮眼的冲击相遇,则产生应力波的叠加和切向拉力,拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点,当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时,岩体便被拉裂,在炮眼中心连线上形成裂缝,随后爆炸气体的膨胀使裂缝进一步扩展,形成平整的爆炸面。1工程概况厦（门）深（圳）铁路隧道ZQ3合同段的双鹰顶隧道是厦深铁路的重难点与控制工程。隧道全长9275m，该隧道围岩包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩。其岩石抗压强度高，Ⅱ、Ⅲ级围岩比重较大，围岩主要以粗粒石英砂岩为主。天然湿度下平均容重2800kg.m-3,极限压碎强度200～250MPa,坚固系数f=20～25。该隧道施工工期紧，掘进指标高；全断面开挖大，安全风险高，超欠挖控制、轮廓控制是难点，故对光面爆破技术要求很高。如何在施工中要加强控制爆破，减小对围岩的扰动，形成均匀应力环，确保安全施工、实现快速施工是难点。2开挖爆破总体设计方案总体设计方案：外圈采用光面爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术。以尽可能减小对围岩的扰动，形成良好的轮廓，维护围岩得稳定。于地质条件的差异，许多有关爆破的设计参数必须通过现场的施工逐步进行调整，特别是掏槽眼的形式、最小抵抗线、装药结构、装药量、雷管段位分布等。在无试验条件时，依照浅孔、密布、弱爆循环渐进的原则，结合实际爆破效果及时调整爆破参数，以取得最佳爆破效果为宜。2.1开挖方案的确定根据施工组织设计，本隧道大多为Ⅲ级，采用正台级法或全断面法开挖以加快施工进度，因此必须通过光面爆破技术来形成良好的拱形轮廓确保围岩受力均匀而自稳，达到安全的目的。结合现场场地以及机械配备情况，决定采用上下台阶的光面爆破法，这样不仅有利于控制爆破震速，也有利于施工进度。通过对地质条件，以及断面的大小、施工可行性的分析，现场爆破设计如下述。2.2周边眼的爆破周边眼的爆破时控制开挖轮廓成形的关键，也是隧道成本控制的关键，对于安全与进度也起着重要作用：（1）周边炮眼也称光面眼，其沿设计开挖轮廊线布置，应以3％～5％的斜率外插，并根据不同的炮眼深度，适当调整斜率，保证眼底不超出开挖断面轮廓线10cm。（2）当开挖面不整齐时，应按照实际情况调整炮眼深度及装药量，要力求所有炮眼眼底在同一垂直面上。（3）周边眼均应堵塞炮泥，堵塞长度一般不宜小于20cm。（4）周边眼以一次同时起爆为宜，起爆的孔数应根据地质条件确定。由于安-侨区间对震速控制要求非常严格，上台阶周边眼安排两种雷管段位，以减小震动。2.3掏槽形式的选定一般情况下掏槽爆破的地震动的强度都要大。因此，从减小掏槽爆破的地震动强度出发，本隧道采用多重楔形掏槽。隧道爆破施工成败在于掏槽形式，掏槽的成功与否直接影响开挖循环进尺和光面爆破效果，掏槽是否成功与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆顺序等有关。掏槽形式的选定一般由开挖断面的大小和宽度、地质条件、机具和器材条件、钻眼爆破技术水平、开挖技术要求、经济技术效果等几方面因素考虑决定。采用何种掏槽形式和光面爆破参数需要综合考虑，通过现场前期的施工，在充分考虑了安全、进度、质量、效益的要求，以及直眼掏槽、楔形掏槽的优缺点和作业队伍的钻爆技术水平的基础上，并考虑到掏槽效果对于光面爆破效果的影响，最后确定选择楔形掏槽技术。楔形掏槽适用于减震爆破，一般用3～4对单“V”型或双“V”型掏槽眼。掏槽眼比其它炮眼加深15～20cm，装药量增加15%～20%。由于安-侨区间硬岩段施工的特殊性，减震成为施工中的重中之重，在施工过程中对传统的楔形掏槽进行了改进，严格按照“浅孔、密布、弱爆”的原则进行布置。4.2.3最大段装药量以及雷管段位分布的设计由于震速取决于最大段装药量，而掏槽眼一般装药量又最大，所以如何安排掏槽眼的装药量，以及整个雷管段位的分布就极其重要。爆破本隧道之初，采用的是三对斜眼掏槽，装药量为每孔0.6kg，掏槽眼装药量为3.6kg；雷管使用的段位为1、3、5、7、9、11、13。现场测得的爆破震速最大的达到了7.0cm/s，而设计要求最大爆破震速为2.0cm/s，为了将震速降下来，进行了以下改进：掏槽眼由原来的三对掏槽眼改成五对，分成两级掏槽，也就复式楔形掏槽。炮孔布置如图1、图2所示。图1炮孔布置图2炮孔剖面3开挖爆破实例本段隧道Ⅲ级围岩占比例较大，下面主要阐述光爆在Ⅲ级围岩中的成功运用。3.1炮眼深度L由于钻眼机械最大钻进深度、钻眼的效率与之工人的劳动强度，炮眼底端大致为4+0.5m的平面，掏槽另加10~20%。现场扩掏槽采用6m钻杆，与隧道面成55-60度夹角。内掏槽5m钻杆与隧道成60-65度夹角。3.2钻眼直径的选择隧道断面大，一般在120-150m2只要掏槽设计合理即可爆破成功。因此采用较大钻眼直径，本隧道采用￠42钻眼直径。3.3炮眼布置炮眼数目，根据施工组织设计查取。先布置掏槽眼、周边眼，然后底板眼、辅助眼，辅助眼可比周边眼稀一些间距大致为周边眼间距的1.5倍，抵抗线为间距的0.7倍左右，最关键的就是周边眼，需满足以下条件进行布置：光面炮孔间距EE=(10~20)db破碎取小、完整取大。最小抵抗线W，周边孔到邻近辅助孔间的距离，W≥E。炮孔邻近系数mm=E/W过大→留岩埂、过小→凹坑m≥0.8~1.现场硬岩周边眼间距为50-70cm，最小抵抗线W为60-80cm，爆破后无“挂门帘”现象。内圈辅助眼间距为80-100cm,底板眼外插角5度，无留门槛现象，起到了翻渣，无堆高。3.4装药应严格控制装药量并要符合下列要求：（1）严禁使用不符合产品标准和质量要求的爆破材料。（2）采用低密度、低爆破、低猛度、高爆力的2号小药卷岩石硝铵炸药。（3）周边眼采用小药卷连续装药结构或间隔装药结构，并采用导爆索束装药结构。（4）严格控制单段最大装药量，根据每次爆破震速调整最大段装药量。（5）围岩较软时，除周边眼应严格控制用药量外，还应控制邻近周边眼的内圈炮眼的药量。（6）装药完毕，炮眼堵塞长度不宜小于200mm，采用预裂爆破时应从药包顶端起堵塞，不得只堵塞眼口。堵塞物为1∶3配比的粘土与砂子混合而成的炮泥。3.5起爆先掏槽后扩槽再辅助，周边眼，底板最后周边眼光面爆破。采用普通8号雷管作为起爆元件来激发导爆管，传递冲击波激发起爆元件（非电毫秒雷管）。网路连接是通过卡口塞将激发元件（雷管）、传爆元件（导爆管）和起爆元件连接起来，第一级起爆雷管采用8号普通火雷管作为激发元件，用导火线作传爆元件。用雷管起爆导爆管时，单发雷管起爆的导爆管数不宜超过20根，并且导爆管应均匀分布在雷管周围，要绑扎紧，而且雷管的聚能穴方向与导爆管传爆方向相反。3.6爆破施工注意事项爆破施工除应对地层、结构进行监控量测外，为严格控制爆破对围岩的破坏，以及对周围环境的影响，必须对围岩爆破时的扰动范围和地震动效应进行检测。在较弱围岩爆破开挖施工中，应与支护施工紧密配合，并应从围岩特性和环境影响的实际出发，考虑爆破进尺、钻爆参数、支护时间和支护型式等，一般采用减震爆破：①采用微台阶法开挖；②拱部采用光面爆破，掏槽采用楔形掏槽；③进尺控制在0.8～1.5m范围内；④为减小震动，最小段差应控制在100ms左右；⑤底板眼药量同其它掘进眼药量或酌减，亦可采用段差分段起爆底板眼。4开挖作业工序清底—钻孔台车就位—测量放样—风枪手打眼—装药—堵塞—联网—爆破—通风排险—盲炮处理—出渣。5结语各种光面爆破要根据各自特点进行，最好采用新奥法，并控制好爆破参数，注意炮眼内有水时，应使用抗水炸药并按有偶合装药确定装药量；在节理发育，夹有软弱夹层，裂隙方向不易控制的岩层，应减小炮孔间距和密集系数。