隧道爆破工程施工方案

1工程概况1.1工程地理位置及概况隧道地处低中山区，进口位于王家庄村西南方向的山坡上，坡度较缓，隧道出口位于小峡水库东南方G109旁一陡壁上。冲沟发育，洞身地形呈波状起伏，进口地表自然坡度30°～40°，出口为一近于垂直的陡壁。分布有众多“V”型侵蚀谷，且延伸变化较快，沟内基本无水，多覆盖着黄土。洞身最大埋深154m,洞身穿越的各沟埋深最浅约23.9米。隧道起点DK177+604,终点DK179+968，全长2364米。全隧道除进口端376.16m位于直线上以外，其余均位于R-7000m的曲线上。纵坡为4.5‰端的单面上坡。1.2工程地质概况隧道工程区主要为闪长岩、砂岩、泥岩，山坡坡面及冲沟内分布有第四系上更新统风积砂质黄土，冲积卵石土等。1.3地面建筑及管线状况隧道进出口附近均无建构筑物及管线，施工场地开阔，施工条件较好。2总体方案设计2.1爆破特点及要求（1）属于山岭隧道，爆破条件较好。（2）隧道地质除洞口段外岩石坚硬，完整，整体性好。（3）隧道断面大，要求对爆破方法选择合理，便于实施。炮眼利用率在90%以上；光面爆破炮眼残痕率在85%以上；平均线性超挖不大于7cm，最大不超过10cm，相邻两循环炮眼台阶不大于10cm，局部欠挖小于0.1m2；最大欠挖小于5cm。2.2钻爆设计原则根据工程实际、设计程要求、地质地形条件，确定设计原则为：（1）确保现场施工人员的安全。要严格按照《爆破安全规程》GB6722-2003进行设计和施工，要有具体的安全施工措施。（2）严格控制掏槽爆破、光面爆破、预裂爆破的单段起爆药量，尽可能多的创造爆破临空面，尽可能减小爆破振动对围岩的扰动深度。（3）根据隧道洞口段所处围岩比较破碎、整体性及自稳性差的特点，采用三台阶临时仰拱法，对软弱岩层采用缩短台阶距离，及时支护等手段，保证顶板安全。（4）对设计确定的钻爆参数进行现场爆破试验，以取得合理的爆破参数。爆破参数应根据地质地形条件及相应的爆破效果，适时调整、动态管理。考虑以上设计原则，该工程应按总体施工组织分期实施。不同阶段对应不同的工作内容和施工方法。本设计主要针对适合采用钻爆法施工的主洞Ⅱ～Ⅳ级围岩地段进行爆破设计。2.3爆破施工方案比较与选择隧道施工方法应根据施工条件、围岩类别、埋置深度、断面大小以及环境条件等，并考虑安全、经济、工期等要求选择。选择施工方法时，应以安全为前提，综合考虑上述条件。当隧道施工对周围环境产生不利影响时，应把环境条件作为选择施工方法的重要因素。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加不必要的投资。隧道施工方法有很多，但依据设计要求本隧道采用的方法有全断面法、台阶法、短台阶预留核心法、三台阶临时仰拱法和CRD法。2.3.1全断面法全断面法用在Ⅱ级硬岩中，利于组织大型机械化作业，提高施工速度。该法可采用深孔爆破。该法控制重点是：常规布孔，孔内按常规布设微差毫秒雷管，孔外采用毫秒导爆管雷管串联技术，此法可以大大减小爆破振动。2.3.2台阶法台阶法分2步开挖，Ⅲ级围岩上台阶高度约7m，下台阶高度约3.4m，台阶长度30～50m；下台阶施工可分左右幅开挖，交替进行，以保证上台阶施工车辆通行。2.3.3短台阶预留核心土法。隧道进洞采用上下台阶法，上台阶预留核心土施工，开挖后及时进行初期支护封闭岩面。开挖支护过程中重点进行隧道的周边位移、拱顶下沉等量侧项目的工作，根据量测数据，及时调整施工方案，必要时上半断面设临时仰拱。上半断面开挖约15~20m后，开挖下部。2.3.4三台阶临时仰拱法三台阶临时仰拱法分3步开挖，第一步挖上台阶，上台阶分左右开挖，安设Ⅰ18钢架横撑；第二步挖中台阶，安设Ⅰ18钢架横撑；第三步滞后一段距离开挖下台阶。2.3.5爆破施工方案选择将几种常用施工方法列于表2-1中。根据本工程的特点，具体的施工方案按围岩级别及相应的施工工法分别进行设计，共分4个方案，Ⅴ级围岩三台阶临时仰拱法、Ⅳ级围岩短台阶预留核心土法、Ⅲ级围岩台阶法、Ⅱ级围岩全断面法。表2-1施工方法基本条件比较条件全断面台阶法单侧壁法双侧壁法隧道断面单、双、多线单、双、多线双、多线双、多线围岩条件Ⅰ～ⅢⅣ，Ⅴ土质、松软地层土质、松软地层安全性一般一般较安全最安全施工机械大型大型或中型中型或小型小型施工工序及工期工序简单、工期快工序简单、工期较快工序较多、工期较慢工序复杂、工期慢造价低低较高高围岩变化时施工方法的适应性围岩向低类变化较难适应，向高类适应围岩向低类及高类变化均能适应各种适应性不强围岩向低类变化适应地应力场中主应力方向由竖直向水平转移时双、多线洞室稳定性增加，单线洞室稳定性降低洞室稳定性增加最明显洞室稳定性降低洞室稳定性降低施工管线布置很方便方便较方便不方便配合辅助支护措施不容易很容易一般一般对关键部位支护的时效性一般好较好较好3钻爆设计采用理论计算、工程类比与现场试爆相结合的方法确定爆破参数。计算依据如下：①炸药与岩石的匹配炸药与岩石的匹配实际是根据波阻抗理论而来，当炸药的波阻抗VrPr与岩石的波阻抗VePe相等时，爆炸波能量完全传入岩体内，从而达到最大限度的破碎岩石。Ⅳ、Ⅴ级围岩需爆破段一般岩石抗压强度在Rc＜20MPa，岩石坚固性系数f＜Rc/10=3。岩石纵波速度Ve＜2000m/s，岩石密度Pe≈2000kg/m3,岩石波阻抗VePe≈4*106kg/m2.s，2#岩石硝铵炸药爆速Vr≈3600m/s，炸药密度Pr≈1000kg/m3,VrPr≈(3.6~4)*106kg/m2.s，岩石与炸药匹配系数Ker=VePe/VrPr≈1，根据f及K值判定Ⅴ级围岩岩石可爆性好，岩石能够得到充分破碎。Ⅱ、Ⅲ级围岩Ker=VePe/VrPr≈2，岩石可爆性差，应当用高密度、高爆速炸药，同时加大装药密度，加强堵塞质量。②标准抛掷爆破单位耗药量K（kg/m3）根据岩石容重γ用经验公式K=1.3+0.7（γ/1000-2）2计算,Ⅴ级围岩岩石γ≈2000kg/m3，计算得K≈1.3kg/m3。Ⅳ级围岩岩石γ≈2300kg/m3，计算得K≈1.36kg/m3。Ⅲ级围岩岩石γ≈2600kg/m3，计算得K≈1.55kg/m3。Ⅱ级围岩岩石γ＞2700kg/m3，计算得K＞1.64kg/m3。③爆破作用指数我国普遍采用鲍列斯科夫公式，f(n)=0.4+0.6n3当n=1时为标准抛掷爆破当n＞1为加强抛掷爆破0.75＜n＞1为加强松动爆破n＜0.75为松动爆破根据各部位炮眼所承担的任务不同，爆破作用指数也不相同。具体为：掏槽眼采用加强抛掷爆破，崩落眼采用松动爆破，内圈眼采用弱松动爆破，底板眼采用加强松动爆破。3.1Ⅴ级围岩开挖3.1.1炮眼深度与循环进尺炮眼深度是指炮眼眼底至开挖面的垂直距离。炮眼深度一般根据围岩的稳定性、凿岩机的钻凿能力和掘进循环安排。根据现场考察和以往工程经验，取循环进尺为1m，炮眼深度1.2m。3.1.2炮眼直径本设计选用手持式风动凿岩机，常规土岩爆破钻头直径为38~42mm，为减小钻孔数量，提高掘进速度，炮眼直径取d=42mm。3.1.3炮眼布置（1）掏槽眼掏槽眼爆破时在围岩中形成空腔，为后续炮孔爆破创造良好的临空面，一般为强抛掷爆破，本工程一律采用复式楔形掏槽，优点是钻眼工作量小，容易形成较好的临空面，Ⅴ级围岩段掏槽眼开口宽度为3m，排距0.6m。（2）周边眼周边眼沿隧道开挖轮廓线布置。具体的炮孔间距根据经验公式和工程类比确定。根据经验，炮眼间距E与炮眼直径d之间的关系为E=(10~18)d。取d=42mm，则E=420~756mm。考虑到洞口段岩石相对比较软，对于光面爆破取E=50cm周边眼的炮眼密集系数m与最小抵抗线W之间的关系为m=E/W。一般E＜W，结合洞口段爆破一般不易形成大块的特点，m取较小值，m=0.625，则对于光面爆破取W=80cm。周边眼采用导爆索将药卷串联间隔装药结构，使炮孔内炸药爆炸围岩受力均匀，可以减小对围岩的扰动深度。周边眼同段起爆规模不易过大，如周边眼数量大，易采用孔内或孔外微差爆破技术将齐爆孔数控制在8~10个左右。（3）内圈眼内圈眼的间距a、排距b应大于或等于周边眼的最小抵抗线W，而且a、b的取值与炮眼的单孔装药量有关。本设计取a=100cm、b=80cm。（4）崩落眼崩落眼间距a=120cm、排距b=100cm。炮眼布置及装药量见附表1。3.1.4单孔装药量（1）掏槽眼掏槽眼在满足填塞长度要求的前提下，尽量多装药，以保证良好的掏槽效果。据此确定Ⅰ、Ⅱ级掏槽眼的单孔装药量分别为1.2kg，0.82kg。折算单耗为1.95kg/m3。（2）周边眼周边眼的装药量主要根据炮眼间距、最小抵抗线和装药集中度确定。本设计取光面爆破装药集中度为0.1kg/m。对于2m长的光面爆破炮孔，单孔装药量为0.2kg。（3）内圈眼内圈眼以弱松动爆破控制，内圈眼的装药量与围岩的坚硬程度、炸药单耗、炮眼长度及内圈眼的炮眼数量及间排距等参数有关。内圈眼的单孔装药量按下式计算：Lq（3-1）式中q——内圈眼的单孔装药量，kg；——装药系数。根据炮孔间排距及围岩性质，取τ=0.4；γ——每米药卷的炸药质量，kg/m.。对于直径为32mm的乳化炸药，γ=0.8kg/m。L——炮眼长度，m。对于炮眼长度为2m的内圈眼，计算得q=0.4×0.8×2=0.64kg（3）崩落眼崩落眼以松动爆破控制，装药单耗适当加大，有助于减小爆破块体。q=2×1.2×1×0.55=1.32kg。（4）炮眼填塞炮眼填塞的目的是保证炸药充分反应，使之产生最大热量，防止炸药不完全爆轰；防止高温高压的爆轰气体过早地从炮眼或导洞中逸出，使爆炸产生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功，提高炸药能量的有效利用率。填塞材料采用炮泥，炮泥由砂子和黏土混合配置而成，其重量比为3：1，再加上20%的水。填塞应采用分层捣实法进行，不得有空隙或间断。各炮眼应填塞足够长度的炮泥，除周边眼根据光面爆破，其他各炮眼填塞炮泥的长度不得小于40cm。（5）爆破器材的选择炸药：采用2号岩石乳化炸药，规格为Φ32mm×200mm，每卷200g。雷管：雷管选用第一系列毫秒导爆管雷管。起爆选用普通瞬发电雷管或导爆管激发针起爆。（6）装药结构掏槽眼采用正向起爆。光面爆破炮眼采用空气间隔不偶合装药结构（图3-1）。为保证炮孔内各间隔药卷同时起爆，所有空气间隔装药均使用导爆索连接各药卷。（7）网路联结见Ⅴ级围岩炮孔布置及网路联结图。3.2Ⅳ级围岩开挖3.2.1炮眼深度与循环进尺循环进尺为2m，炮眼深度2.5m。3.2.2炮眼直径炮眼直径d=42mm。3.2.3炮眼布置（1）掏槽眼采用复式楔形掏槽。掏槽眼开口宽度为4m，排距0.6m。（2）周边眼周边眼沿隧道开挖轮廓线布置。炮孔间距E=500mmm=E/W，m=0.625，则对于光面爆破取W=80cm。周边眼采用导爆索将药卷串联间隔装药结构。周边眼同段起爆规模不易过大，如周边眼数量大，易采用孔内或孔外位差爆破技术将奇爆孔数控制在8~10个左右。（3）内圈眼内圈眼的间距a、排距b应大于或等于周边眼的最小抵抗线W，而且a、b的取值与炮眼的单孔装药量有关。本设计取a=100cm、b=80cm。（3）崩落眼崩落眼的布置方式与内圈眼的布置方式相同，环向间距120cm，排距100cm。其余炮眼布置及装药量见附表2。3.2.4单孔装药量（1）掏槽眼Ⅰ、Ⅱ级掏槽眼的单孔装药量分别为1.53kg，1.26kg。折算单耗为2.04kg/m3。（2）周边眼光面爆破装药集中度为0.15kg/m。对于2.5m长的光面爆破炮孔，单孔装药量为0.375kg。（3）内圈眼内圈眼的装药量计算得q=2.5×1×0.8×0.5=1.0kg（3）崩落眼崩落眼的装药量。q=2.5×1.2×1×0.6=1.8kg。（4）炮眼填塞填塞应采用分层捣实法进行，不得有空隙或间断。各炮眼应填塞足够长度的炮泥，除周边眼根据光面爆破，其他各炮眼填塞炮泥的长度不得小于40cm。（5）装药结构与Ⅴ级围岩装药结构相同。（7）网路联结见Ⅳ级围岩炮孔布置及网路联结图。3.