××隧道鉆孔爆破施工技術

1、PAGE PAGE 14隧道鉆孔爆破施工技術摘 要 本文就隧道堅硬圍巖實施光面爆破進行了一系列的實踐與探索，總結了斜眼掏槽技術、中深度進尺在雙跨大斷面中的應用，以供今后類似工程有一定的借鑒作用，值得推廣。關鍵詞 隧道 堅硬圍巖 光面爆破 施工技術前言 80年代開始，在總結經(jīng)驗的基礎上，我國隧道工程技術人員借鑒國外經(jīng)驗，在隧道施工方面采用新奧法，并進行了更深入的研究與探討，在開挖方面，實施了光面爆破。它是通過科學的布孔和裝藥量設計，對開挖坑道周邊部位實行準確鑿巖，而控制開挖輪廓的一種新型爆破技術。它最大限度地保持了圍巖的完整性，增強圍巖自身承載力；坑道成型規(guī)整，極大地控制超欠挖，節(jié)約成本；周邊圓

2、順，減少通風阻力，職工的勞動保護也得以提高。所以光面爆破在隧道施工中一直是一個常抓不懈，而又不易較好控制的重要課題。工程簡況 隧道位于陜西省藍田縣境內(nèi)，是西安南京鐵路全長在3000m以上的長大隧道之一。該隧全長3914m，雙線直線隧道，隧道穿越秦嶺山脈劉家山，進口里程DK79+622，出口里程DK83+536。進口段除洞口38m為類，其余2414m分屬、圍巖，極限強度0=1500kpa。巖層主要為太古界太華群片麻巖夾片巖，燕山期花崗巖，石質(zhì)堅硬，給鉆眼帶來了一定的困難。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體切割呈大塊狀，對周邊眼裂縫的貫穿形成有一定的影響。永久性襯砌除洞口38m為模筑襯砌外，其余均采用復合式襯砌

3、，襯砌厚度為3035cm，這樣對開挖的精度要求十分高，否則就會導致超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。超挖勢必增大回填混凝土成本，欠挖補炮，不僅可能導致超挖，而且對圍巖進行二次擾動，又不利于安全施工。對此，形成規(guī)整圓順的內(nèi)輪廓，保證良好的光面爆破效果十分重要，在本隧施工全過程中引起了高度重視。鉆爆設計掏槽形式方案比選2000年7月，隧道施工進入類堅硬圍巖地段，地質(zhì)條件相對較好，對此實行全斷面一次成型開挖，結合西康線等以往隧道施工經(jīng)驗，并參照相關資料，采取了常規(guī)五眼中空直眼掏槽技術。由于受鑿巖機限制，中間僅能設置50直徑空眼。掏槽形式及全斷面鉆爆設計如下圖(圖一)所示。圖一 全斷面鉆爆設計圖經(jīng)過兩個星期的施工，并

4、收集相關資料進行分析：全斷面鉆眼數(shù)量達175個，炸藥及雷管單耗過大，炮眼利用率為83%，進尺達不到設計值。收集的數(shù)據(jù)見(表一)所示。(表一) （五眼中空直眼掏槽）時間(2000年)圍巖類別每星期進尺（m）耗用炸藥(kg)耗用雷管(發(fā))炸藥單耗(kg/m3)雷管單耗(發(fā)/m3)每茬炮進尺（m）全斷面鉆眼數(shù)設計鉆眼深度掏槽區(qū)平均殘眼深7月1日7日24350422671.490.9642.401753m50cm7月8日14日 26386324211.520.9502.601753m35cm針對上表究其原因是由于掏槽區(qū)爆破不完全，也就是說爆破所需的臨空面不夠。掏槽區(qū)爆破不充分當時認為有兩個方面的原因：

5、其一、鉆孔作業(yè)不精確，有相互穿孔的現(xiàn)象；其二、鉆眼時設計的較大直徑空眼由于受鑿巖機性能影響施工較為困難，臨空面過小。針對原因我們制定了相應對策，對操作者進行爆破原理及鉆孔技術培訓，同時把五眼中空改為七眼中空掏槽，主要思路就是往筒形掏槽方向發(fā)展，布置圖如下圖（圖二）。經(jīng)過兩個星期的運用，在進尺上基本達到設計值，分析數(shù)據(jù)如（表二）所示。(表二) （七眼中空直眼掏槽）時間(2000年)圍巖類別每星期進尺（m）耗用炸藥(kg)耗用雷管(發(fā))炸藥單耗(kg/m3)雷管單耗(發(fā)/m3)每茬炮進尺（m）全斷面鉆眼數(shù)設計鉆眼深度掏槽區(qū)平均殘眼深7月15日21日27.5393525601.460.9502.85

6、1773m15cm7月22日28日 29403626431.420.9302.901773m10cm由于采取以上方式取得了初步成功，炮眼利用率得到了較大幅度的提高，對此，為提高進度，我們在循環(huán)進尺上改為每茬炮設計3.5m。從2000年8月1日7日，掏槽區(qū)出現(xiàn)殘眼4050cm，這時增加掏槽區(qū)炸藥量，裝藥集中度改為0.90kg/m，從8月7日15日，掏槽區(qū)出現(xiàn)殘眼2030cm。根據(jù)本月收集數(shù)據(jù)分析可知，爆破是否充分在某種程度上與炸藥量的多少不一定成正比關系，其主要原因是臨空面是否足夠。從9月1日9月30日，我們又改進了掏槽方式，設置為九眼中空直眼掏槽，掏槽思路仍為桶形掏槽，布置圖如（圖三）所示。通

7、過掏槽改進后爆破較為理想，鉆眼深度3.5m，殘眼基本控制在1015cm之間，月進尺一舉突破156m。具體數(shù)據(jù)如表（三）。(表三) （九眼中空直眼掏槽）時間(2000年)圍巖類別每2星期進尺（m）耗用炸藥(kg)耗用雷管(發(fā))炸藥單耗(kg/m3)雷管單耗(發(fā)/m3)每茬炮進尺（m）全斷面鉆眼數(shù)設計鉆眼深度掏槽區(qū)平均殘眼深9月1日15日74.51036767901.420.9303.241793.5m15cm9月16日30日81.51118172681.400.9103.261793.5m10cm從（表一）、（表二）、（表三）所收集數(shù)據(jù)進行成本分析，雖說在9月份找到了在進尺上較為理想的鉆爆方案，

8、但在火工品中的炸藥、雷管及鉆頭、鉆桿消耗上，遠遠大于定額標準，根本原因在于鉆孔數(shù)量的增加所致，班組在成本上難以接受，必然導致工費降低。對此，經(jīng)理部成立了以總工程師牽頭的堅硬圍巖快速中深度進尺的技術探討小組，采取了楔形斜眼掏槽技術，起初我們設計掘進深度按3.5m、4m考慮，掏槽鉆孔圖如（圖四）所示。經(jīng)過實踐，我們從進尺、鉆孔作業(yè)的方便程度及成本分析方面考慮，確定了第（2）種掏槽方式，把斜眼掏槽的角度最終定為3652，達到完全掏出掏槽部分巖石，創(chuàng)造大面積的臨空面。再者對周邊眼的間距、抵抗線、裝藥量等進行一定范圍的調(diào)整，鉆爆設計得到了極大的優(yōu)化，全段面鉆爆設計圖如（圖五）所示。經(jīng)過兩個月的實踐和探索

9、，狠抓過程控制，不斷優(yōu)化鉆爆設計，這樣不僅在進度上取得了較好的成績，還有力地控制了成本。具體數(shù)據(jù)分析見（表四）、（表五）所示。(表四) （楔形斜眼掏槽）時間圍巖類別月進尺（m）耗用炸藥(kg)耗用雷管(發(fā))炸藥單耗(kg/m3)雷管單耗(發(fā)/m3)每茬炮進尺（m）全斷面鉆眼數(shù)備注2000.1017015558116841.040.7813.23157鉆眼深3.5m2000.11 17418075137441.060.8063.31157鉆眼深3.5m(表五) 直眼、斜眼掏槽每一循環(huán)時間對比統(tǒng)計表 (分鐘)掏槽形式上一循環(huán)臺架就位測量放線鉆眼裝藥起爆通風灑水出主碴挖齊頭出次碴檢底下一循環(huán)合計直眼

10、20403305030240603020820斜眼20402405030240403020710表一、表二、表三、表四、表五都是從大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)所得，經(jīng)過比較分析：斜眼掏槽相對于直眼掏槽，鉆眼時間少，炸藥雷管單耗低，炮眼利用率高，每茬炮進尺多，循環(huán)作業(yè)時間短。主要是因為掏槽充分完全，為臨近炮孔的相繼爆破創(chuàng)造較大的臨空面。3.2 斜眼掏槽光面爆破參數(shù)的優(yōu)化選定3.2.1 光面爆破的原理分析3.2.1.1 周邊眼貫穿裂縫的形成取相鄰兩炮孔進行分析，如圖六所示。 巖石爆破瞬間，在爆炸波的反復作用下，炮孔周圍形成反復的壓縮(壓)與拉伸(拉)，從而在炮孔上產(chǎn)生許多細小裂縫，由于爆炸氣體產(chǎn)生的尖劈作用，導

11、致裂縫逐漸擴大。當兩個相鄰炮孔的孔距E足夠近時，其裂縫相互貫通，這樣周邊眼就形成一條貫穿裂縫，巖石爆破后在周邊眼炮孔中心的連線上形成一個比較平整光滑的面，獲得規(guī)整的坑道斷面。 3.2.1.2 當兩眼裝藥量一定時，如增大E值，會使兩眼上的拉應力(拉)小于巖石極限強度（0），即拉0，而造成切割面不平整。當E2W（W為最小抵抗線）時，即周邊眼密集系數(shù)m=E/W 2時，等于相鄰兩炮孔單獨起爆，形成各自的爆破漏斗，導致巖石面不平整。當E值過小，會造成兩眼間的巖石過分破碎，形成超挖。在一定的裝藥量條件下，E、W之間的比值變化，對爆破后巖面的平整度影響也很大。3.2.1.3 周邊眼各個炮孔必需同時起爆。實踐

12、表明，如果時差過大，超過100ms：其一，等于各個炮孔單獨作用，形成獨自的爆破漏斗；其二，后爆炮孔順著先爆炮孔形成的裂縫延伸并加強發(fā)展，將導致切割面不平整。3.2.2 光面爆破的參數(shù)選定光面爆破的質(zhì)量決定于周邊眼的爆破參數(shù)：炮眼間距E、最小抵抗線W、不偶合系數(shù)m、裝藥結構及堵塞長度等一系列因素，隧道參照隧道施工設計規(guī)范、工程類比法及現(xiàn)場實際經(jīng)驗逐步模索而來，具體如下。3.2.2.1 周邊眼間距EE值是指開挖外輪廓線兩孔之間的距離，它是直接控制開挖輪廓面的平整度和成型質(zhì)量的主要因素。 E按公式：E=54.2976kpd0 kp巖石抗破壞系數(shù) d0_藥卷直徑(cm) 隧道堅硬圍巖分布情況：片麻巖夾

13、片巖(0=1500kpa)，燕山期花崗巖(0=1500kpa)，巖石抗破壞系數(shù)片麻巖kp取0.52，花崗巖kp取0.55，藥卷直徑為=2.5cm，故E=54.2976（0.520.55）2.5 = 0.560.59(cm)?？紤]到隧道部分地段分布有基巖裂隙水，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育發(fā)育，并經(jīng)過反復實踐調(diào)整，周邊眼間距E值取為E=55cm。3.2.2.2 最小抵抗線WW與周邊炮孔E的比例關系，依巖性不同而變動。實踐證明，中等堅硬和比較堅硬的巖體，根據(jù)國內(nèi)外有關資料，以W/E=1.21.25為宜，即W=1.25E=69cm，經(jīng)現(xiàn)場多次試驗，取W =65cm作為抵抗線厚度，即光面層厚度。3.2.2.3

14、不偶合系數(shù)mm=d/d0(d為炮孔直徑，d0為藥卷直徑)，光面爆破隨m值的變化而有所不同。瑞典巖石光面爆破，藥卷直徑d0=1820mm。我國光面藥卷的生產(chǎn)量很少，為操作考慮，通常使用d0=25mm，采取藥卷間隔裝藥。通常m應為m=d/d0=1.52.5，若d為42mm時，藥卷直徑取d0=25mm，則m=1.68。3.2.2.4 炸藥種類及裝藥量光面爆破總的要求是控制周邊孔的爆破質(zhì)量，使之即能完成周邊內(nèi)巖石按要求爆掉，又能最大限度地減小擾動。所以對炸藥品種的要求是爆速低、猛度低、密度低、爆炸穩(wěn)定性高的低級或低中級炸藥。為此，隧道采用的是西安生產(chǎn)的EJ-102防水型乳膠炸藥，有=25mm、=32m

15、m兩種規(guī)格。周邊炮孔裝藥集中度為0.25kg/m,藥卷規(guī)格為25、長20cm/個、單重為0.00625kg/cm。其余裝藥量見(表六)。(表六) 單孔裝藥量一覽表（平均）眼名眼數(shù)眼深段位單 孔 裝 藥 量備注藥卷直徑裝藥集中度（Kg/m）裝藥量一級掏槽82.01321.0016.0二級掏槽123.73320.9040.0三級掏槽83.75320.9026.6擴槽眼123.57320.6527.3掘進眼53.58320.6511.4掘進眼143.59320.6531.9掘進眼63.510320.6513.7掘進眼33.511320.656.8內(nèi)圈眼123.512320.6527.3內(nèi)圈眼153.

16、513320.6534.1周邊眼433.514250.2537.6二臺眼63.59320.6513.7底板眼113.512320.9034.7底角眼23.515321.007.0合計157328.1炸藥單耗：328.1/(94*3.4)=1.03kg/m3 眼孔分布率：157/94=1.67個/m2裝藥結構周邊炮孔采用空氣間隔裝藥(如圖七)，用電工絕緣膠布把25藥卷和導爆索綁扎在竹片上，導爆索和竹片有一定的緊挨度，以保證充分傳爆。其余眼孔裝藥采用32藥卷連續(xù)裝藥。 3.2.2.6 堵塞長度 堵塞充分后不容易出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，也可相對地減少炸藥量。足夠的堵塞長度使爆破氣體在受阻的情況下繼續(xù)加強裂縫的

17、形成，避免出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，有效地提高光面爆破效果，本隧道的堵塞長度選擇2030cm。鉆爆施工4.1 操作平臺隧道由于圍巖地質(zhì)條件好，故采用全段面一次成型開挖，為加快循環(huán)時間,自制了與之配套的簡易多功能開挖臺架(如圖八)。該簡易多功能臺架由兩個相對獨立的臺架并排組成一個，其目的就是減少單個臺架的總重量（800KG/個），方便裝載機對臺架的移動。該臺架共分四層，每層高度均控制在2.3m左右，二、三平臺臺架的兩側可根據(jù)周邊情況自由伸縮，四平臺再在兩臺架中間安設一小臺架，便于光面爆破鉆眼裝藥。4.2 鑿巖機具鑿巖機具選用YT-28，手持風鉆鉆眼，使用“一”字型鉆頭，22鉆桿。整個作業(yè)面配備鑿巖機26臺（

18、另考慮510臺以圖八 多功能開挖臺架作備用），四層平臺同時進行鉆眼裝藥作業(yè)。各平臺機具及人員配置見(表七)。 (表七) 各作業(yè)平臺機具及人員配置表序號平臺號鉆眼個數(shù)鉆機數(shù)量人員配置備注1一平臺57914掏槽眼加深20cm2二平臺38610掏槽眼加深20cm3三平臺2957提前鉆完，領取火工品4四平臺3368合 計1572639各平臺同時進行鉆眼裝藥作業(yè)5 光面爆破的具體實施5.1 測量布孔 開挖臺架就位后，測量人員在掌子面準確地定出中線和水平，再由五寸臺用紅油漆畫出開挖外輪廓線，繼而定出周邊炮孔等的具體分布位置。另外，在拱頂中線上距離掌子面23m定出鉆孔方向控制線，為鉆孔導向，以供司鉆人員作參

19、照。另外，還在一、二平臺距隧道中線2.5m的兩側，各畫一油漆線定出掏槽區(qū)域，以確定逐級掏槽的具體位置，方便鉆眼時掛眼，作好整體控制。5. 2 鉆孔作業(yè)鉆孔是爆破作業(yè)的重要步驟，光爆掘進的速度、質(zhì)量取決于鉆孔的精度。臺架就位、測量布孔，并作再次找頂后，班長統(tǒng)一指揮，實行平臺組長負責制，認真實行定人、定位、定機、定質(zhì)、定量的“五定”崗位責任制，分區(qū)按順序鉆孔，避免相互干擾、碰撞、擁擠和窩工現(xiàn)象。周邊眼不隨時亂換人，以便熟練技術，提高鉆孔的速度和準確性。周邊炮孔掛眼時，采用內(nèi)移5cm開口鉆眼，外插角控制在2度以內(nèi)。掏槽孔比其余孔加深0.2m，當掏槽區(qū)域有嚴重的凹凸時，掏槽孔掛眼應在紅油漆線兩側作適當

20、的內(nèi)外移動，以確保掏槽孔孔底所到達的正確位置，避免穿孔和相互交錯現(xiàn)象，保證掏槽充分成功，為相鄰炮孔的爆破創(chuàng)造更大的臨空面。 5. 3 裝藥及裝藥結構裝藥前，應用高壓風將眼內(nèi)泥、水吹干凈，以保證裝藥的順利和炸藥的傳爆。檢查光爆孔的孔距、孔深、孔角，按要求驗收，不符合標準的重新鉆孔。周邊眼采用空氣間隔裝藥，其余眼采用連續(xù)柱狀裝藥，均采用反向起爆法，非電毫秒雷管置于孔底第一節(jié)藥卷。周邊眼裝藥時，將加工好的竹片藥串插入孔時，竹片緊挨炮孔外緣部分，以起到保護周邊圍巖作用。其余眼孔按鉆爆設計的裝藥量進行仔細裝填，裝藥結束后，應用炮泥堵塞，提高光爆效果。周邊眼堵塞長度選為20cm。堵塞物由于黃泥缺乏，在本隧

21、道中采用炸藥外包裝紙箱經(jīng)充分濕潤后揉成條狀，進行堵塞。 起爆網(wǎng)絡的聯(lián)接在施工前期，隧道采用MS1MS15段非電毫秒雷管及半秒39段進行聯(lián)接。各層平臺段別相差較大，當在巖石節(jié)理及裂隙發(fā)育時，時差間隔影響較大，帶炮現(xiàn)象尤為突出。特別是周邊眼，由于各層平臺各不一樣，四平臺半秒9段，三平臺半秒8段，二平臺毫秒13段，一平臺毫秒12段，時差太大，第一，爆破后形成各自的爆破漏斗，眼孔之間容易出現(xiàn)局部欠挖，第二，先爆后的形成裂縫，后爆的再順著裂縫薄弱點加強裂縫的形成，致使外輪廓極不圓順，經(jīng)常出現(xiàn)周邊掉包、穿孔欠挖部分。施工后期，經(jīng)過不斷優(yōu)化，全段面采用MS1MS15段非電毫秒雷管進行聯(lián)接，周邊炮孔統(tǒng)一采用1

22、4段，底角眼15段，上述現(xiàn)象最大限度地克服，很少出現(xiàn)周邊補炮現(xiàn)象。各層平臺分別匯總后，最后采用雙發(fā)雷管引爆的復式網(wǎng)絡進行聯(lián)接，再將各個平臺的四支毫秒管匯總后與兩發(fā)火雷管仔細聯(lián)接，最后起爆。詳見圖九。施工組織及管理措施培訓上崗工程開工前，由工程科對開挖工進行上班前的培訓。對鉆爆設計，鉆眼技術要求，以及裝藥等進行仔細的講授，再舉行統(tǒng)一考試，確認合格者才能上崗。6.2 管理細化各層平臺定員、定人、定眼、定位，班組長進行現(xiàn)場管理，班員聽從班組長的調(diào)遣和安排，班長對班員進行上班工日統(tǒng)計和參與當月工資收入的分配。這樣，管理更為細化，職工的生產(chǎn)勞動積極性得以提高，也利于前勤管理的直接性和有效性。實行炸藥、雷

23、管火工產(chǎn)品的專人配備，由三人組成炸藥庫值班小組，對每茬炮爆破所需的火工產(chǎn)品提前配好，各層平臺的毫秒管段位、個數(shù)單獨捆系，便于裝藥過程容易區(qū)分，避免混淆，提高裝藥速度。6.3 深入前勤技術人員、現(xiàn)場領工員深入到班組前勤，到前勤去管理，隨時提供技術及各種服務，對斜眼掏槽的角度用自制的簡易三角板進行比照鉆眼，確保掏槽的準確性。實行跟班作業(yè)負責制，及時準確地了解掌子面的情況，得到實施光面爆破的第一手資料。對光爆參數(shù)、工序間距、循環(huán)時間不斷優(yōu)化調(diào)整，實施快速優(yōu)質(zhì)掘進。 獎罰分明6.4.1 經(jīng)理部專門成立光面爆破評定小組，由部安質(zhì)科牽頭主辦，每月26日對上月的光面爆破效果進行檢查評定，具體項目有：超欠挖控

24、制(由臺車混凝土實作斷面計算確定)，輪廓圓順度，炮眼痕跡率等。最后進行總體評定，優(yōu)獎劣罰。6.4.2 技術人員每茬炮跟班對上一茬炮掌子面出現(xiàn)超出允須值的超欠挖，底板及掏槽各部分的情況進行收集，針對實際進行現(xiàn)場獎罰，以引起開挖工的重視，避免鉆眼過程的隨意性。6.4.3 開挖作業(yè)隊對從事周邊眼、掏槽眼、底板眼鉆眼的職工，相對提高其工資和獎金系數(shù)，因為它是直接決定光爆效果質(zhì)量好壞的重要因素。6.5 隧道一開工，我部就成立了隧道堅硬圍巖光面爆破QC小組，通過活動的開展，逐步解決施工中的問題。效果檢查隧道自開工以來，由于采取了嚴密的組織及管理措施，使光面爆破效果穩(wěn)步上升。周邊弧度圓順，超欠挖控制在允許范

25、圍之內(nèi)，炮眼茬茬相連，半孔率程度高，拱部炮眼痕跡率達90%以上，邊墻達80%以上，受到了上級及兄弟單位的多方好評，為劉家山模式注入了入了新的內(nèi)容。 光爆效果見下圖十：8 結束語8.1 雙線大斷面隧道，在堅硬圍巖的鉆爆設計中，確定掏槽形式尤為重要。經(jīng)過比較分析并在實踐中積累總結，證明中深度進尺楔形斜眼掏槽是切實可行的，它易于控制鉆眼精度。不僅加快了循環(huán)時間，還可節(jié)約成本，取得良好的經(jīng)濟效益。直接經(jīng)濟效益具體見以圖十 光爆效果圖下分析數(shù)據(jù)： (1)火工用品直眼掏槽：炸藥、雷管單耗：從（表一）、 （表二）、（表三）收集數(shù)據(jù)可得：炸藥單耗=（1.49*24+1.52*26+1.46*27.5+1.42*29+1.42*74.5+1.4*81.5）*98/（24+26+27.5+29+74.5+81.5）*98=（376.5*98）kg /（262.5*98）m3=1.43 kg/m3。雷管單耗=（0.964*24+0.95*26+0.95*27.5+0.93*29+0.93*74.5+0.91*81.5）*98/（24+26+27.5+29+74.5+81.5）*98=（244.381*98）發(fā)/（262.5*98）m3=0.931發(fā)/m3 。斜眼掏槽：炸藥、雷管單耗：從（表四）收集數(shù)據(jù)可得：炸藥單耗=（1.04*170*88+1.06*174*98