第2章岩体隧道钻爆法施工技术(矿山法、新奥法)

第2章岩石隧道钻爆法施工技术岩石是由单体矿物或碎屑在一定的地质作用下，按一定的规律组合成具有某种联结作用的集合体，是岩体的组成部分。岩石按成因可分为沉积岩、变质岩和岩浆岩。预备知识：在工程地质中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点，使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性。一、隧道施工方法分类方式：传统矿山法矿山法（钻爆法）山岭隧道新奥法掘进法明挖法盖挖法隧道施工方法浅埋及软土隧道浅埋暗挖法盾构法沉管法水底隧道盾构法第一节概述二、岩体隧道施工方法（一）矿山法它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式衬砌作为永久性支护的施工方法。矿山法施工的“十二字原则”（1）少扰动；（2）早支撑；（3）慎撤换；（4）快衬砌。预备知识：岩体应力圈•岩爆，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。一般情况下发生在围岩级别为I类围岩中。岩爆-产生的条件•1．近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；•2．围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小;•3．埋深较大(一般埋藏深度多大于200m)且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；•4．地下水较少，岩体干燥;•5．开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。岩爆-特点•1．岩石砂岩为主，岩石坚硬干燥，在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。•2．岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1～3倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远。•3．岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可达数吨重。小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的鱼鳞片状脱落，脱落面多与岩壁平行。•4．岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆。•5．由于爆破振动影响，造成开挖洞段应力重新分布，造成碛头较大面积岩爆、爆落出的小块鱼鳞片状碎屑甚至堵塞整个巷道。矿山法施工顺序:（1）先墙后拱法：又称为顺作法，它通常是在隧道开挖成形后，再由下至上施作模筑混凝土衬砌。（2）先拱后墙法：又称为逆作法，它是先将隧道上部开挖成形并施作拱部衬砌后，在拱圈的掩护下,再开挖下部并施作边墙衬砌。（二）新奥法新奥法以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，以维护和利用围岩自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形与松驰，使围岩成为支护体系的一部分，形成了锚杆、喷射混凝土和隧道围岩组成的三位一体的承载结构，共同支承岩体压力。锚杆•锚杆，英文“Bolt”；“bolting（准确称谓）”；“anchor（早期称谓）”是当代煤矿当中巷道支护的最基本的组成部分，他将巷道的围岩加固在一起，使围岩自身支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行主体加固。新奥法施工程序流程:新奥法施工采取的基本原则:（1）少扰动；（2）早喷锚；（3）勤量测；（4）紧封闭。新奥法施工特点:（1）开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大断面开挖，以减少对围岩的扰动；（2）隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；（3）根据围岩的特征，采用不同的支护类型和参数，适时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松驰；（4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定；（5）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度；（6）尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；（7）通过施工中对围岩和支护结构的动态观察、量测，合理安排施工程序，进行隧道工程的信息化的设计、施工与管理。三、隧道开挖施工方法（一）隧道开挖方式隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一，因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工区长度、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析，采用适当的开挖方式和方法。按开挖隧道的横断面分部情形可分为：(1)全断面开挖法；(2)台阶开挖法；(3)分部开挖法；(4)若干变化开挖方案。（1）全断面开挖法全断面开挖法就是将全部设计断面一次开挖成型，再修筑衬砌的施工方法。全断面一次开挖法主要工序:使用移动式钻孔台车，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车退至安全地点，再起爆，使得断面一次爆破成型，出渣后钻孔台车再推进至开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时进行先墙后拱衬砌。全断面开挖法适用条件：（1）一般适用于Ⅰ～Ⅳ级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到施作初期支护时间段内，保持其自身稳定的条件。（2）有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。（3）隧道长度或施工区段长度不宜太短，一般不应小于1km，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。（4）可采用深孔爆破，深度可取3m～3.5m。全断面开挖法优点：（1）开挖一次成形，对围岩振动少，有利于围岩稳定；（2）施工工序少，相互干扰小，便于施工组织与施工管理；（3）开挖断面大，钻爆施工效率较高，可以采用深孔爆破的方法，掘进速度快；劳动生产率高，施工速度快，质量好；（4）作业空间大，有条件充分使用大型施工机械设备，改善劳动条件，减轻工人劳动强度。（2）台阶开挖法将设计断面分上半部断面和下半部断面两次开挖成型；或采用上弧形导坑超前开挖和中核开挖及下部开挖（即台阶分部开挖法）。台阶开挖法特点：（1）有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部断面作业就较为安全；（2）具有较大的工作空间和较快的施工速度，但上下部作业有相互干扰影响；（3）台阶开挖法宜采用轻型凿岩机钻孔，而不宜采用大型凿岩台车设备；（4）台阶开挖增加了对围岩的扰动次数，下部作业对上部稳定性会产生不良的影响。台阶开挖法类型：1、长台阶法；2、短台阶法；3、微台阶法。提问：台阶长短如何确定？（3）分部开挖法它是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某一部分超前开挖，故称为导坑超前开挖法。1－上导坑开挖；2－上半部其他部位开挖；3－拱部锚喷支护；4－拱部衬砌；5－下半部中部开挖；6－边墙开挖；7－边墙锚喷支护及衬砌分部开挖法优缺点：（1）分部开挖减小了每个坑道的跨度，有利于增强坑道围岩的相对稳定性，易于进行局部支护。因此，它主要适用于软弱破碎围岩或设计断面较大的隧道施工。（2）采用导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，便于及时处理或变更施工手段等。（3）其缺点是分部开挖法作业面较多，各工序相互干扰较大，增大施工组织和管理难度。分部钻爆掘进，增加了对围岩的扰动次数，不利于围岩的稳定。若采用的导坑断面过小，则会使施工速度减慢面影响总工期等。常用的分部开挖方法：1、环形开挖留核心土法；2、上下导坑超前开挖法；3、单侧壁导坑法；4、双侧壁导坑法；5、中洞法；6、中隔壁法（CD）；7、交叉中隔壁法（CRD）。第二节爆破开挖法爆破开挖是近年来广泛使用的经济、快速开挖方法，随着爆破技术的不断发展，采用爆破开挖隧道技术经验的不断积累，目前人们已可以成功的采用爆破方法，进行各种断面形状隧道的开挖并可使开挖效果达到预定的程度。爆破附加知识：•地基加固•核武器当量•广岛原子弹爆破作用指数•爆破作用指数（英译：indexofblastingaction），它是爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值，以n表示，可以用下式表示：•n=r/w•自由面——被爆破的岩石与空气接触的面叫做自由面，又叫临空面。自由面在工程爆破中起着非常重要的作用，有了自由面，爆破后的岩石才能向这个面破坏和移动。在工程爆破中为了控制爆破作用人们常常在爆破附近人为地创造自由面。在长期爆破实践中人们总结下一条简单的经验，即自由面多，爆破效果好。•最小抵抗线W——自药包中心到自由面的最短距离，即表示爆破时岩石阻力最小的方向。因此，最小抵抗线是爆破作用和岩石移动的主导方向。•爆破漏斗半径r——即爆破漏斗的底圆半径•爆破作用半径R——也叫作破裂半径，即自药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。•爆破漏斗深度D——自爆破漏斗尖顶至自由面的最短距离。•爆破漏斗的可见深度h——自爆破漏斗中岩堆表面最低洼点到自由面最短距离。一、岩石的爆破性分级级别爆破指数N爆破难易程度代表性岩石ⅤⅠ1＜29极易爆千枚岩、破碎板岩、泥质板岩、破碎白云岩Ⅰ229.001～38ⅣⅡ138.001～46易爆角砾岩、绿泥岩、米黄色白云岩Ⅱ246.001～53ⅢⅢ153.001～60中等石英岩、煌斑岩、大理岩、灰白色白云岩Ⅲ260.001～68ⅡⅣ168.001～74难爆磁铁石英岩、角闪斜长片麻岩Ⅳ274.001～81ⅠⅤ181.001～86极难爆矽卡岩、花岗岩、浅色砂岩Ⅴ2＞86围岩分级标准爆破开挖主要作业过程钻眼—装炸药—填封—起爆—通风（通风的目的在于冷却爆破后的岩体，进行湿度与温度交换）—清除遗留炸药和药包（清除遗留炸药，避免未起爆的炸药后续起爆而引起的安全事故）—外运爆破下来的石碴。二、炮眼的布置方式三种炮眼的布置方式斜眼掏槽布置方式（a）锥形（b）、（c）楔形（d）爬形直眼掏槽形式辅助眼和周边眼的布置辅助眼的布置主要是指炮眼间距E值和最小抵抗线V值的确定。主要根据岩石软硬和用药量多少，由工地试验确定。辅助眼应由内向外，逐层布置，逐层起爆，逐步接近开挖断面轮廓形状。当周边眼的底端位于岩质较松软或较破碎状时，炮眼口应放在设计轮廓线以内，眼底则应根据岩石抗爆破性来确定其位置，应将炮眼方向以3％～5％的斜率外插，这是为了控制超欠挖和便于下一循环钻眼时便于落钻开眼。提问：起爆顺序？三、炮眼的大小及数量炮眼的直径则主要取决于炸药卷的直径，通常用于隧道开挖的炸药卷的直径在20～50mm之间，这主要取决于设计开挖面积的大小，两者之间的关系可用下图所示的经验曲线表示，即炸药卷直径随着开挖面积的增大而增大。爆破参数与炸药卷直径的关系：爆破参数炸药卷直径25mm40mm炮眼数m9848.5钻眼总长m343143.6炮眼长度m3.53.14爆破进尺m3.413.11爆破有效率%97.599炮眼比量个/m23.771.87每炮眼长度m/m33.771.78炸药用量kg126.7138.1炸药比例kg/m31.391.71四、光面爆破和预裂爆破法（一）光面爆破法光面爆破是通过调整周边眼的各爆破参数，使爆炸先沿各孔的中心连线形成贯通的破裂缝，然后使得内围岩体裂解，并向临空面方向抛掷。光面爆破的技术要求：（1）根据围岩特点合理选择周边眼间距和周边眼的最小抵抗线。（2）严格控制周边眼的装药量，应使药量沿炮眼全长合理分布，并合理选择炸药品种和装药结构。（3）采用周边眼同时起爆。（4）严格掌握钻眼作业，使三种炮眼的位置及方向难确无误，否则光面爆破的效果会明显降低，达不到光面爆破的目的。（5）各光面爆破参数如周边眼间距E、最小抵抗线V、相对距E/V和装药集中度g等，应采用工程类比法或根据爆破漏斗及成缝试验确定。光面爆破参数参照表岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb（MPa）装药不偶合系数D周边眼间距E（cm）周边眼最小抵抗线V（cm）相对距E/V周边眼装药集中度g（kg/m）硬岩＞601.25～1.5055～7070～850.8～1.00.30～0.35中硬岩30～601.50～2.0045～6