光面爆破技术在浅埋大断面隧道掘进中的研究与应用

阮　楠,栾龙发,张智宇,李祥龙,邓诗泉

(昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明　650093)



光面爆破技术在浅埋大断面隧道掘进中的研究与应用

阮楠,栾龙发,张智宇,李祥龙,邓诗泉

(昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明650093)

摘要昆沪高速黄连山隧道为浅埋、超大断面的高铁双线隧道,地质围岩条件复杂,整体稳定性较差,工程质量要求高。从爆破效果与施工安全角度出发,采用理论分析、现场试验的方法对黄连山隧道的光面爆破进行了系统研究,得出了一套较好的爆破方案,特别对周边孔的爆破参数作出了详细地分析与优化,最终使得炮孔利用率为95%左右,平均超挖量控制在6~10 cm,半孔率为75%左右,隧道的开挖质量全部达到了铁路隧道的质量和安全要求。研究结果对类似环境条件下的浅埋大断面隧道掘进具有一定的借鉴意义。

关键词光面爆破;大断面;周边孔;浅埋

1工程概况

黄连山隧道是沪昆高铁在昆明附近的一座隧道,设计时速250 km/h,设计为双线隧道,入口位于DK1169+680处,出口位于DK1170+525处,全长840 m。隧道位于昆明市呈贡新区,距离昆明主城区25 km处,隧道的断面形状为马蹄形,设计开挖净高是11.5 m,跨度为14.4 m。根据《黄连山隧道地质勘测报告》,结合物探检测等检测与实验,得到隧道内岩层有570 m,主要为硅质砂岩和粉砂岩,属于Ⅲ级次坚石,见表1。

2爆破方案与爆破参数设计

光面爆破是沿着要求开挖限界面钻一排齐整的孔眼,在孔内进行弱性装药,在主要开挖工程完成或爆破孔起爆以后,再起爆炮孔,爆落最后一层岩石,形成光滑的开挖界限面的一种控制爆破技术[1]。黄连山隧道最大埋深33.8 m,平均埋深14.4 m,掘进开挖的断面高度为11.5 m,最大埋深与掘进断面高度的比值α为3.0,又因黄连山隧道掘进面积约为125 m2,故根据隧道埋深的划分方案与国际隧道协会(ITA)对隧道断面的划分标准[2],当α<5时隧道属于浅埋隧道,掘进断面积>100 m2为超大断面,故黄连山隧道属于超大断面浅埋隧道。

表1　黄连山隧道围岩

2.1爆破方案

黄连山隧道断面为超大断面,开挖量大,如果采用全断面开挖的方法,每一次起爆药量过大,爆破震动等一系列爆破损害效应不满足安全需求,加之工程现场没有大型凿岩设备,故综合研究决定该隧道选用单台阶光面爆破施工法进行开挖掘进[3],上断面净高7.3 m,下断面净高4.2 m,如图1所示。

图1　黄连山隧道台阶划分情况Fig.1　Bench demarcation condition of tunnelof Huanglianshan Mountain

2.2光面爆破参数

在充分了解黄连山隧道的地质情况与施工条件的基础上,结合光面爆破现有理论知识,对隧道进行了光面爆破参数设计[4].隧道周边眼选用药径32 mm、每卷质量150 g的岩石膨化硝胺炸药,在掏槽孔和其他辅助孔选用药径35 mm、每卷质量200 g的岩石高威力乳化炸药。

雷管段数选用毫秒系列导爆管雷管和瞬发电雷管,导爆索选用棉质导爆索和塑料导爆索。采用YT-29气腿式风动凿岩机进行钻孔,有直径为38 mm的一字型钎头和直径为50 mm的十字型钎头两种。爆破参数设计如下:

(1)炮孔深度L的确定:取L=2.0 m;

(2)周边孔间距:用较为经典和使用量比较多的断裂力学的经验公式进行周边孔间距的计算[5],即

(1)

表2　周边孔密集系数的选择范围

(6)光面层厚度:运用欧豪公式结算光面层的厚度为[7]

(2)

(7)掏槽:掏槽形式是影响爆破效率和爆破质量的重要因素之一,每一次循环炮孔利用率很大程度上决定了掏槽的质量。掏槽孔参数如表3所列。

表3　掏槽孔参数

(8)炮孔装药结构:间隔不耦合装药结构是在径向炸药和炮孔壁之间存在一定厚度的空气层,在轴向炸药之间不连续,各卷炸药之间存在间隔[8]。本次黄连山隧道光面爆破现场试验的周边孔选用间隔不耦合装药结构,如图2所示。装药方式为正向装药,周边孔填塞长度为0.4 m。

图2　周边孔不耦合装药结构 Fig.2　Uncoupled explosive loading of peripheral hole

2.3起爆时间间隔和起爆顺序

(1)周边孔起爆时间黄连山隧道开挖断面大,周边孔的数量多,装药量达到了21.6 kg。为了降低单段起爆药量,周边孔选用12段和13段毫秒雷管起爆,如图3所示。

(2)周边孔和崩落孔起爆时间间隔周边孔和崩落孔(最外层辅助孔)的起爆时间间隔选择合适,可以提高光面爆破效果。由于崩落孔的装药量为28 kg,爆破振动大,因此崩落孔选用10段和11段毫秒雷管起爆,理论上与周边孔起爆时间间隔达到170 ms和190 ms,如图3所示。

(3)起爆顺序本次现场试验上半断面采用一次分段延期起爆法,采用簇联起爆网路,用瞬发电雷管引爆导爆管雷管,导爆管雷管引爆各炮孔的炸药,起爆顺序为掏槽孔—辅助孔—周边孔,如图3所示。

图3　光面爆破现场试验施工图Fig.3　Construction diagram for field testof smooth blasting

周边孔参数如表4所列,辅助孔参数如表5所列,上断面爆破参数如表6所列。

根据光面爆破原理和相关经验公式设计周边孔参数,为了增强爆破效果,周边孔采用间隔不耦合装药和反向装药,用砂子和粉质粘土制作而成的炮泥填塞0.4 m,选用12段和13段毫秒雷管起爆,与相邻崩落孔起爆时间间隔达到170 ms和190 ms。

3成洞质量和爆破效果

在工程应用的过程中,隧道开挖面没有出现掉块、脱帮以及冒顶等现象[3]。大部分隧道不需要进行超前支护就可以进行施工,开挖成型后及时进行初次支护,隧道的开挖质量全部达到了铁路隧道的质量要求,爆破效果如图4所示,爆破效果统计见表7。

表4　周边孔参数参考值

表5　辅助孔参数

表6　上断面爆破参数

图4　工程应用爆破效果Fig.4　Pictorial drawing in blasting of engineering application

序号炮孔深度/m炮孔利用率/%循环进尺/m半孔率/%超挖量/cm1294.51.9076.37.22295.51.9173.48.03296.51.9378.36.44292.01.8476.47.55293.51.8775.76.96295.01.9072.86.27294.41.8876.57.88292.51.8577.48.49292.11.8475.26.210291.51.8378.67.311295.01.9072.56.812292.51.8574.57.113295.51.9172.86.7

续表7

序号炮孔深度/m炮孔利用率/%循环进尺/m半孔率/%超挖量/cm14294.51.8975.47.615295.51.9172.67.116292.01.8473.86.417293.51.8775.77.318295.61.9175.47.519292.01.8474.38.320293.01.8676.47.3平均294.51.8975.27.2

爆破效果总结:截至2014年6月22日工作结束,根据数据统计显示,上断面一共掘进了37.52 m,炮孔率为95%左右,隧道轮廓面的成型质量很高,平均超挖量控制在6~10 cm,最大超挖量基本控制在15 cm以内,没有出现欠挖的现象,隧道壁面残留了大量的半孔,半孔率为75%左右。

参考文献:

[1]姜彦忠.爆破技术基础[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2]陈豪雄.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,1995.

[3]朱彦鹏,宋晓蕊,李忠.大断面公路隧道扁平率及围岩状况受力分析[J].甘肃科学学报,2014,26(3):129-133.

[4]汪旭光.爆破设计与施工[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[5]田建胜,刘刚,周同岭.光面爆破合理周边眼间距的理论计算[J].建井技术,1997,18(S1):74-76.

[6]庙延刚,栾龙发.爆破工程与安全技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[7]祝树枝,吴森康,杨昌森.近代爆破理论与实践[M].武汉:中国地质大学出版社,1993.

[8]凌伟明,杨永琦.爆生气体在光面爆破中的作用[J].煤炭学报,1990,15(1):73-82.

Study and Application of Smooth Blasting Technology in Piercing Shallow Tunnel with Large Cross Section

Ruan Nan,Luan Longfa,Zhang Zhiyu,Li Xianglong,Deng Shiquan

(SchoolofLandandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

AbstractThe tunnel of Huanglianshan mountain of Shanghai-Kunming high-speed railway involves the shallow double-track tunnel of high-speed railway with oversized cross section,with complicated surrounding rock in geologic conditions,poor integral stability and high requirement to engineering quality. One set of better blasting scheme was acquired through systematic study of the smooth blasting of the tunnel of Huanglianshan Mountain by using the method of theoretical analysis and field test from the aspects of blasting effect and construction safety;especially,the hole utilization ratio was about 95%,the average volume of overbreak was controlled within 6~10cm,the semi hole ratio was controlled at about 75%,and the excavation quality of the tunnel achieved the quality and safety requirements of the railway tunnel completely after detailed analysis and optimization of the blasting parameters for the peripheral hole. Moreover,the research result has certain significance of reference for piercing shallow tunnel with large cross section under the similar environmental condition.

Key wordsSmooth blasting;Large cross section;Peripheral hole;Shallow

中图分类号:U455.6

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0144-05

作者简介:阮楠(1989-)，男，云南大理人，硕士研究生，研究方向为工程爆破.E-mail:394346262@qq.com.

收稿日期:2015-01-26;修回日期:2015-03-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.031.

引用格式:Ruan Nan,Luan Longfa,Zhang Zhiyu,etal.Study and Application of Smooth Blasting Technology in Piercing Shallow Tunnel with Large Cross Section[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):144-148.[阮楠,栾龙发,张智宇,等.光面爆破技术在浅埋大断面隧道掘进中的研究与应用[J].甘肃科学学报,2016,28(1):144-148.]