隧道光面爆破施工工艺浅析.docx
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隧道光面爆破施工工艺浅析
隧道光面爆破施工工艺浅析
摘要:
本文介绍张家湾隧道爆破施工技术,制定了爆破循环作业的时间,对于不同的围岩类别,确定了相应的光面爆破方案及支护方案。
为同类隧道的爆破施工提供了指导作用。
关键词:
隧道围岩光面爆破支护
广铁集团十大高风险隧道之一的娄邵铁路张家湾隧道位于湖南省娄底市境内,全长3064m。
起讫桩号DK16+525~DK19+589。
隧道DK17+093.04至出口段位于平面曲线上,左线曲线半径R=5000m,右线曲线半径为R=5004.5m,隧道其余地段均位于直线上。
隧道内纵坡为“人”字坡,变坡点里程DK16+600,从隧道进口至出口坡度依次为3.0‰上坡,-5.8‰下坡,坡长依次为75m、2989m。
在变坡点里程DK16+600处设置圆曲线型竖曲线,竖曲线半径R=15000m,设置范围对应里程为DK16+534~+666。
本隧道开挖断面围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V级4种形式,开挖采用钻爆法开挖、光面爆破技术。
初期支护采用锚杆、钢筋网、喷混凝土、型钢拱架进行支护,特殊地段采用超前小导管、超前大管棚配合支护。
一、隧道正洞施工方法
正洞开挖采用分部开挖、光面爆破施工技术。
根据隧道围岩情况的不同:
对较好的围岩如Ⅲ级围岩出碴后按设计要求对围岩拱部施作中空注浆锚杆和钢筋网,喷12cm厚混凝土后方可进行下一循环开挖作业;对围岩情况较差的如Ⅳ级围岩,施作中空注浆锚杆后,挂钢筋网,网格间距为20cm×20cm,采用I18工字钢进行支护,间距为1.0m,并喷23cm厚的混凝土;V类围岩施打中空注浆锚杆后,挂钢筋网,网格间距为20cm×20cm,采用I20b工字钢进行支护,间距为0.6m,并喷25cm的混凝土进行强支护。
根据爆破方案确定隧道施工工艺。
二、隧道开挖光面爆破设计
(一)爆破参数
爆破参数的选择:
①孔深:
掏槽眼及底板眼L=3.2m,周边眼及掘进眼L=3.2m;
②孔径:
d=40mm
③周边眼间距:
E=55cm
④光爆孔抵抗线:
W=80cm,E/W=0.7
⑤周边眼线装药密度:
q=320g/m
⑥装药结构:
周边眼采用间隔不偶合装药,并采用φ20小药卷
⑦堵塞:
采用黄泥堵塞,堵塞长度不少于20cm
⑧起爆方法:
非电毫秒微差起爆。
采用安全性能较好(杂散电流无影响)的塑料导管非电毫秒雷管起爆炸药。
掘进眼选用乳化炸药,周边眼选用小直径(φ20mm)低爆速光爆炸药。
II级围岩爆破参数见表一,炮眼参数及布置见表二、图一。
表一Ⅱ级围岩光面爆破主要参数表
围岩级别
爆破
断面
爆破
方法
周边眼间距E(cm)
周边眼抵抗线W(cm)
相对距离E/W
装药集中q(kg/m)
炮眼直径(mm)
Ⅱ
全断面
光面爆破
55
80
0.7
0.32
38
表二II级围岩光面爆破炮眼参数表
炮眼种类
个数
孔深
毫秒雷管段位
装药集中度(kg/m)
装药量(kg)
临空眼
4
3.2
掏槽眼
4
3.2
1
0.8
10.24
扩槽眼
36
3.0
3、5
0.8
86.4
掘进眼
44
3.2
7、9、11
0.6
84.48
底板眼
24
3.2
13
0.7
53.76
内圈眼
30
2.8
11
0.6
50.4
周边眼
56
3.2
13
0.32
57.344
合计
198
342.624
图一Ⅱ级围岩全断面开挖炮眼布置图
Ⅲ、Ⅳ级围岩台阶法开挖钻爆设计:
1)爆破方案:
隧道循环平均进尺为2.0~2.5m,在软弱围岩中通过浅眼爆破,可控制一次爆破的总用药量,也就控制了单段炸药用量及雷管数量,达到控制爆破对围岩扰动的效果。
严格采用软岩隧道减轻地震动控制爆破技术半断面微台阶爆破开挖法。
上、下台阶采用光面爆破,上下台阶分两次分别起爆。
优先选用低爆速炸药,尽量降低震动。
应用非电毫秒微差雷管、导爆管起爆,并使最大段装药量尽量减少。
2)爆破参数选择:
①孔深:
掏槽眼及底板眼L=2.8m,周边眼及辅助眼L=2.5m;
②孔径:
d=42mm;
③掏槽方式:
一般情况下,掏槽爆破的地震动强度比其它部位炮眼爆破时的地震动强度都要大。
从控制围岩震动的角度出发,首先要控制好掏槽爆破的地震动强度,为此要选择好较好的掏槽方式,优先选用六斜眼楔形掏槽,以尽量减少掏槽的单段药量,保证减震效果。
④周边眼间距:
E=45cm;
⑤光爆孔抵抗线:
W=60cm,E/W=0.75;
⑥周边眼线装药密度:
q=250g/m;
⑦装药结构:
周边眼采用间隔不偶合装药,φ20mm小药卷,周边不偶合系数D=42/20=2符合规范要求;
⑧堵塞:
采用黄泥堵塞,堵塞长度不少于20cm,周边眼堵眼口,其余眼堵塞应紧靠药包;
⑨起爆方法:
非电毫秒微差起爆;
III、IV级围岩光面爆破参数见表三,炮眼参数及炮眼布置见表四、图二及图三。
表三Ⅲ、Ⅳ级围岩光面爆破主要参数表
围岩级别
爆破
断面
爆破
方法
周边眼间距E(cm)
周边眼抵抗线W(cm)
相对距离E/W
装药集中q(kg/m)
炮眼直径(mm)
Ⅲ、Ⅳ
上下台阶
光面爆破
45
60
0.75
0.12
40
表四III、IV级围岩光面爆破炮眼参数表
上台阶爆破参数表
炮眼种类
个数
孔深(m)
装药量(kg/孔)
毫秒雷管段位
装药集中度(kg/m)
装药量(kg)
掏槽眼
3
2.8
2.24
1
0.8
6.76
掏槽眼
3
2.8
2.24
1
0.8
6.76
辅助眼
12
2.5
1.76
3
0.8
21.12
掘进眼
61
2.2
1.65
5、7、9
0.75
100.65
内圈眼
30
2.2
1.43
11
0.65
42.9
周边眼
39
2.5
0.625
13
0.25
24.38
底板眼
12
2.8
1.0
13
0.4
12
合计
160
214.57
下台阶爆破参数表
第一排
8
2.8
1.4
3
0.5
11.2
第二排
8
2.8
1.4
5
0.5
11.2
第三排
8
2.8
1.4
7
0.5
11.2
第四排
7
2.8
1.4
9
0.5
11.2
内圈眼
10
2.8
1.68
11
0.6
16.8
周边眼
10
2.8
0.84
13
0.3
8.4
合计
51
70
图二Ⅲ、Ⅳ级围岩上台阶爆破设计图
图三Ⅲ、Ⅳ级围岩下台阶爆破设计图
光面爆破参数见下表五:
表五光面爆破参数表
参数
岩石种类
饱和单轴抗压极限强度(Mpa)
装药不耦合系数
周边眼间距cm
周边眼最小抵抗线cm
相对距离
周边眼装药集中度kg/m
硬岩
>60
1.25-1.50
55-70
70-85
0.8-1.0
0.30-0.35
中硬岩
30~60
1.50-2.00
45-60
60-75
0.8-1.0
0.20-0.30
软岩
≤30
2.00-2.50
30-50
40-60
0.5-0.8
0.07-0.15
注:
软岩隧道光面爆破的相对距宜取小值。
装药集中度按2号岩石硝胺炸药考虑,采用其他炸药时,要进行换算。
换算系数=(2号岩石炸药猛度/换算炸药猛度+2号岩石炸药爆力/换算炸药爆力)/2。
(二)掏槽形式
采用平行空心孔掏槽方式,掏槽炮眼布置几种方式见图四。
图四平行空心孔掏槽方式图
(三)起爆方式
非电毫秒微差雷管传暴线连接起爆,周边眼采用导爆索起爆,采取不偶合装药法爆破。
(四)爆破器材
国产Ⅱ系列非电毫秒微差雷管,2#岩石硝铵炸药,药卷分Φ32、Φ38两种。
(五)爆破减少围岩变形控制措施
严格按钻爆设计布置炮孔位置,掏槽眼角度控制在10°~15°左右,眼底落在同一垂直面内,周边眼外插角控制在3°以内。
光面爆破周边眼采用间隔装药,采用小药卷,将药卷用胶布绑在竹片上送入孔内,药卷间以导爆索连接,辅助眼、掏槽眼采用连续装药结构。
炮眼用炮泥堵塞,长度不小于20cm,装药前用高压风将炮眼内石粉、杂物吹干净。
爆破工程师跟班作业,针对掌子面围岩变化情况及时修正爆破参数。
三、具体的施工工艺及方法
根据隧道围岩情况进行钻爆设计,并选取与隧道石质情况相似的围岩进行爆破试验,同时进行机械设备和机具的维修、保养和准备火工品等材料。
根据隧道围岩情况不同选择不同的爆破方式。
(一)施工前准备
1.了解上个循环爆破效果,是否有瞎炮或残药及其数量、超欠挖情况和需要进行二次破碎的数量情况等,结合本循环实际情况调整本循环施工参数。
2.查看掌子面围岩、渗水等情况,如有异常应及时处理。
3.检查供风、供水、供电和排水系统,连接风水管和机械用电线路,固定照明线路和灯具,挖好排水沟,使整个作业场地处于较好的工作状态。
4.检查机械的完好状态,检查机身、螺栓、卡套、弹簧和支架是否正常完好,加注润滑油,检查钻杆数量和长度能否满足施工要求,钻杆有无平直带伤等。
钻头的数量和种类,常用的工具、备件是否带齐。
5.清理掌子面上的浮石和破碎层以便开孔和钻孔,将顶部和周边的凸凹撬下来以保证周边孔的爆破质量,将底部留下的石渣清理干净,以便底板孔的施工。
(二)测量放样
在每开挖循环前由专业测量工程师放线,Ⅱa级围岩按《娄邵隧参05-05-1》放线,Ⅲa级围岩按《娄邵隧参05-06-1》放线,Ⅲb围岩按《娄邵隧参05-07-1》放线,Ⅳa围岩按《娄邵隧参05-09-1》放线,Ⅳb围岩按《娄邵隧参05-11-1》放线。
放线内容有布设隧道中心、拱脚及周边轮廓。
根据放线点准确的勾画出整个隧道的轮廓,再准确布置各个爆孔的位置。
(三)炮孔布置
炮孔布置顺序是先掏槽眼、再周边眼、最后辅助眼,掏槽眼布置图如图五所示。
1.掏槽眼的形式采用平行空心孔掏槽方式,施工中根据围岩级别以及爆破振动选定。
2.周边眼沿隧道开挖轮廓线布置。
3.辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间。
4.周边炮眼与辅助炮眼的眼底布置在同一垂直面上,掏槽眼加深10~20cm。
图五掏槽布置图(单位:
cm)
(四)钻孔
1.炮孔位置要尽量避免布置在围岩松动、节理裂隙发育或岩性变化大的地方。
2.炮孔深度根据围岩实际情况调整。
3.周边眼的开孔位置距离设计轮廓线的距离不能太远,炮眼外插角不能过大。
周边眼开眼位置视围岩软硬稍作调整:
硬岩可在轮廓线上,软岩可向内移5~10cm。
尽量减小周边眼外插角的角度,孔深小于3m时外插角的允许斜率宜为孔深的±5%;孔深大于3m时外插角的允许斜率宜为孔深的±3%,外插角的方向应与该点轮廓线的法线方向相一致,并根据不同的炮眼深度适当调整斜率。
严禁图方便而随意钻孔周边眼,导致爆破后的超欠挖过大,并在两循环结合部位留下台阶尺寸不得大于15cm,以免影响掘进质量。
4.开孔时如遇到特殊地质情况(如岩石破碎、残孔),可适当进行调整炮孔位置,但调整范围不得超过5倍的炮孔直径,周边眼只能在隧道开挖轮廓线上选择孔位。
5.底板孔下部炮孔在钻完后立即用木棍、纸团或编织物将其填塞,避免上部落石进入孔内。
6.钻孔严禁采用干钻,必须采用湿钻。
严禁钻眼和装药进行平行作业。
7.对于孔口岩石破碎不稳固段,应在钻孔过程中采用泥浆进行护壁,在孔口堆放一定量的含水黏土,用钻杆上下移动,将黏土带入孔内并侵入破碎岩缝内。
一是避免孔口形成喇叭状影响钻屑冲出;二是避免在钻孔、装药过程中孔口破碎岩石掉落孔内,造成堵孔。
8.炮眼的深度、角度、间距按要求确定,并符合下列精度要求:
(1)掏槽眼眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm。
(2)辅助眼眼口排距、行距误差均不得大于5cm。
(3)周边眼沿隧道设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm,周边眼外插角斜率不得大于5cm/m,眼底不超出开挖断面轮廓线10cm,最大不得超过15cm。
(4)内圈炮眼至周边眼的排距误差不得大于5cm,炮眼深度超过2.5m时,内圈炮眼与周边眼宜采用相同的斜率。
(5)当开挖面凸凹较大时,按实际情况调整炮眼深度,并相应调整装药量,力求除掏槽眼外的所有炮眼眼底在同一垂直面上。
(五)清孔装药
装药前用高压风将孔内的石碴和水清理干净。
底眼用木塞堵塞,防止淤孔;药串和起爆药卷按设计事先加工好,盘好脚线,分段、分号装在箱内备用,确保装药作业有序进行,装药作业按钻爆设计药量分片、分组进行,实行定人、定位、定量,并按规定捣实、堵塞炮眼。
装药过程中不能损坏导爆管,防止造成瞎炮。
导爆管网路连接
导爆管起爆网路的基本连接形式,族联并联、并串联、分段并串联。
根据实际情况选择网路连接形式。
(1)导爆管族联并联起爆网路是将各药包的导爆管汇集在一起,分成若干束,每束导爆管均匀的绑捆在1发(或1发以上)导爆管上,将传爆的导爆管雷管再集中绑捆在上一级传爆管上,直至1处击发可使整个网路起爆。
这种网路用于爆孔比较集中的地点,如定点爆破。
(2)并串联导爆管起爆网路是将所有药包组合起爆雷管的导爆管分别汇集成几组,各组用1个组合传爆装置连接,然后用1根主导爆管依次将各组串联起来。
(3)分段并串联起爆网路是将各支并串联网路依次并接于1根主导爆管上。
(4)导爆网路敷设应注意一下几点问题:
1)在连接时应防止导爆管破损、拉细、拉断、打折、打结等现象。
2)导爆管族联时,起爆雷管(传爆雷管)应与主传爆雷管方向反向连接。
3)起爆雷管应在管束的中央位置,距离端头不小于15cm,并用电工胶条捆扎3层以上。
4)一发“8#”雷管最多可带爆20根导爆管。
5)网路连接时应从最远的作业面开始,逐渐向起爆点靠近,做到一致性连接。
6)传爆雷管聚能穴不能朝向下一支路。
7)导爆管网路接入传爆雷管前,应将连接部分用干布擦拭干净,防止影响传爆,造成拒爆。
(六)起爆
(1)爆破前,班组长必须清点人数,所有洞内人员一律撤出洞外,确认无误后,方准下达起爆命令。
放炮员接到起爆命令后,必须先发出爆破警号(预警信号、起爆信号、解除信号),至少等5s,方可起爆。
(2)每次爆破前,爆破员必须仔细检查起爆网络。
在同一开挖断面上,起爆顺序应由内向外逐层起爆。
延发时间一般采用孔内控制。
(3)放炮员必须最后离开爆破地点,并必须在有掩护的安全地点进行起爆。
起爆人员避爆是个突出的问题,不仅要防石,更重要是防止爆破冲击波、洞顶石块掉落和炮烟中毒。
避炮是不能在无永久支护的地方避炮;不能在无新鲜风流的地方避炮;不能在无强力防护设施的地方避炮。
(4)在洞内建立能够防飞石、防爆破冲击波、防炮烟并具有适当支护的避炮洞。
(5)可敷设专用起爆电缆,在洞外起爆。
(6)起爆前将洞内施工设施运放在安全距离之外,尽可能运出洞外。
无法运出的设备、设施要用防爆设施覆盖。
(七)通风排烟
隧道爆破中一个重要的安全问题是防止炮烟中毒。
(1)爆破作业必须严格执行通风管理制度,定期对通风设施进行检查,严格遵守排烟时间规定,等洞内炮烟排净后方可进洞作业,绝不允许任何人员冒着炮烟进洞。
(2)一般防尘口罩只能防尘、不能挡烟。
如工作需要,作业人员必须佩戴防毒面具方可进入炮烟中进行作业。
(3)如果条件允许,可以用洒水的方法消除炮烟。
(4)做好炮烟检测工作,有条件的应该安装炮烟报警设备。
(5)当发现炮烟从爆堆或岩缝中逸出时尽快用湿布捂住口鼻,并通知洞内所有人员全部撤离。
(八)找顶、排险
1.爆后检查
炮烟排除后,爆破班长或安全员应首先到爆破作业面检查爆破结果并处理各种情况,检查有无盲炮(拒爆、半爆、残药),岩土爆破岩石堆积情况是否稳定、是否存在不安全隐患,边坡(或围岩)危石情况,洞内设施有无损坏,现场是否有残存的爆破器材等。
如有上述情况应及时处理,未经检查处理的掌子面其他人员不得进入。
2.找顶
在每次爆破后都要进行找顶,其任务是将爆破后的新暴露的顶部和边帮岩面上存在的危石处理掉,避免在施工中掉下砸伤作业人员。
常用的方法是人站在爆堆上,用钢钎将已经裂开的石块撬下,并用钎头敲打顶部和边帮问顶,检查是否有外部不明显、在围岩内部已经分离的石块。
找顶时应注意:
(1)作业前准备好照明灯具,要求亮度足够大、能覆盖较大的面积,使作业人员能够看清每块岩块,一是工作方便安全;二是找顶彻底,不留隐患。
(2)在进入找顶区域前先在外部通看全部,检查重点部位是否有冒顶危险,确认没有危险时方可进入作业。
(3)由两人同时完成找顶工作,一人撬危石,另一人注意操作者的头顶是否有不安全的危石存在。
(4)找顶时看清脚下,站在稳定的石块上,头顶无危石的地方,避免随着危石的下落砸伤、晃倒作业人员。
(5)敲帮问顶要全面、仔细、认真,先将重点危石撬完后,再按顺序一片一片敲打岩面,不得遗漏。
(九)爆破效果的检查
爆破后,掌子面要加强通风,对爆破效果进行检查,及时调整爆破参数。
光爆质量要求见表六。
表六光爆质量参数表
顺序
项目
硬岩
中硬岩
软岩
1
平均线性超挖量(cm)
10
15
15
2
最大线性超挖量(cm)
20
25
25
3
两炮衔接台阶最大尺寸(cm)
15
15
15
4
残眼率(%)
≥80
≥70
≥50
5
局部欠挖量(cm)
5
5
5
光面爆破成果综述
(1)爆破后,炮眼痕迹率达到70%以上,两炮衔接台阶最大尺寸小于15cm,超欠挖控制在规范许可范围之内,围岩稳定。
(2)围岩壁圆顺,稳定平整,无大的剥落和坍塌。
(3)碴块大小适中,最大抛距25米,碴堆集中,适宜装载机装碴运输。
四、爆破效果及结论
经过在实际爆破施工中不断总结和调整,光爆效果明显,周边眼间距、角度控制到位,起爆后周边眼孔壁顺直,爆孔残留率达到了85%以上,周边眼的孔口剩余约为1/2。
整体轮廓清晰,无明显超挖、欠挖处,断面控制良好,有效控制了喷射混凝土的浪费,实际爆破效果见图六。
图六爆破效果图
在实际工程中,隧道在开挖及支护过程中反映非常复杂,受诸多因素制约,场地条件、地质情况、工程辅助措施、总体工程筹划、施工管理等均会对结构施工产生影响。
近年来,隧道工程的数量和技术都有长足的发展,其中,不少隧道施工时都需要采用钻爆技术,钻爆法开挖有效地避免了在长距离硬岩地层中掘进的施工风险,极大地方便了隧道建设规划,并能保证工程和周围环境的安全。
对于钻爆法来说,炮眼的位置确定、装药量的控制和爆破参数的选择都会直接影响爆破的质量。
参考文献
1齐景岳.隧道控制爆破技术.铁道标准设计,2006;(11):
72—80
2卓国平.聋潭隧道的光面爆破.铁道工程学报,2003;
(1):
96—99
3《娄底至邵阳铁路扩能改造工程LSZQZH-I标张家湾隧道施工图》
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