长大隧道机械化施工的光面爆破应用与研究

夏 林

(中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150000)

1 爆破方式简介

1.1 工程概况

蔡营隧道位于南安市南部石井镇,进口位于蔡营采石场石材堆积区,出口位于采石场中部地区,起点里程DK201+450,终点里程DK204+700,全长达3250 m。隧址区属剥蚀低山区,山坡与山间谷地的相对高差最大约228 m,线路通过区域最大海拔为280 m,山体自然坡度约30°～50°,地势起伏显著,山体表面植被旺盛。隧址区主要地表裸露燕山晚期第二次侵入含黑云母花岗岩(γ53b)。

1.2 常规爆破方案

常规爆破方法受钻机型号和开挖台架的限制,所有炮孔的直径均为50 mm,单循环进尺设计为3.5 m。由于蔡营隧道是高速铁路双线设计,断面较大,综合考虑,采用毫秒延期非电导爆管雷管、普通导爆管、CHA-500型起爆器、激发针等组合进行爆破施工。采用三级复式楔形掏槽布置,共布置 18个掏槽孔,中间两排炮孔间距为140 m,掏槽孔与掌子面的夹角约为60°～75°,孔口距为30 cm;沿隧道设计轮廓线内侧0.05 m处,进行周边孔的布置工作,掌子面与钻孔角度的夹角φ>2°。周边孔的孔间距分布不均匀,孔距在45～80 cm区间分布;炮孔堵塞采用较稀的炮泥以及炸药包装箱,且仅在炮孔孔口堵塞。

由于常规爆破方中爆破参数不够合理、施工设备以及施工台架的结构与尺寸的影响,导致现场爆破效果不理想,进而对爆破方案优化设计[1]。基于机械化的施工技术,并结合爆破试验,对爆破参数进行详细统计优化,最终得到适于高速铁路长大断面条件下、结合机械化技术的光面爆破施工方案。

1.3 机械化光面爆破方案

常规爆破方法受钻机型号和开挖台架的限制,导致施工效率较低,与之相比的光面爆破法,基于机械化施工方法,使用三臂凿岩台车实施光面爆破[2-4]。该爆破方法不仅可最大限度的确保爆破面不受破坏,保持爆破面的平整,还可以有效的确保围岩的稳定[5]。光面爆破是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与最小抵抗线相匹配的光爆孔,并采用不耦合装药或其他特殊的装药结构[6,7],在开挖主体爆破后,光爆孔内的装药同时起爆,从而形成一个贯穿光爆炮孔且光滑平整的开挖面。

2 光面爆破优化

2.1 周边孔布置参数优化

依附三臂凿岩台车液压使用台架布置合理的周边孔位置。

作为控制开挖轮廓面平整度的主要因素:周边孔间距(E),当孔间距(E)取(10～15)d时,其炮眼直径(d)一般为35～45 mm,因此周边孔间距(E)取值范围:40～60 cm。另外,内圈眼孔距一般取为80～120 cm。

作为直接影响光面爆破效果的主要因素:最小抵抗线W(光面层厚度),其取值范围一般为(13～22)d,通常W≥E,因此最小抵抗线(W)一般取50～70 cm。

周边孔布置示意图如1所示,需要强调的是,如果光爆层的厚度小于周边炮孔的孔距,其除了影响光面爆破的效果,也存在破坏周边炮孔导爆索起爆网路的风险。

图1 周边孔布置间距/cm

2.2 周边装药结构优化

为充分实现光面爆破,应严格控制其实现条件,不仅需把控周边孔的装药量,还需要设计适宜的装药结构,确保炸药均匀分布于孔深周围。

设计选用间隔装药法,将炸药均匀布设于炮眼处,确保爆炸力沿炮眼全长均匀分布,并用导爆索传爆。导爆索需要插入孔底药卷10～15 cm并反向放入炮孔,防止导爆索从药卷中扯出。放置导爆索时需确保其不打结,另外导爆索在孔口需要留有40 cm左右用于绑接主导爆索。

2.3 导爆索连接方式优化

为了达到光面爆破效果,确保周边孔能同时起爆,导爆索的使用在爆破中显得尤为重要。据施工现场反映,在之前的导爆索用于设计周边炮孔的起爆网路中,经常出现盲炮现象,导致后期补炮耽误施工进度。为此工人为了降低补炮工作量就放弃使用导爆索起爆网路,而是将2～3根支导爆索绑在一发起爆雷管上进行爆破施工。

由于高段别雷管延期时间误差范围较大,如13段雷管的延期时间为650±50 ms,导致周边炮孔很难达到同时起爆的目的,光面爆破效果较差且浪费雷管。

在采用导爆索的现场施工中,因为支线导爆索在孔口相互搭接形成周边孔起爆网路的混乱,爆破中容易出现盲炮。为了避免炮孔中的支线导爆索在孔口相互搭接造成的传爆可靠性下降,需要将支线导爆索统一连接到主导爆索上。如果支导爆索采用传统的搭接方式接到主导爆索上,需要考虑主导爆索的传爆方向,只能在主导爆索一端设置起爆雷管,而采用T型接法可以不用考虑搭接导爆索的传爆方向性,便于在主导爆索两端都设置起爆雷管,增加网路可靠性。因此,在现场施工中炮孔的支线导爆索T型搭接到主导爆索上进行爆破施工。

2.4 三臂液压凿岩台车机械化施工

液压凿岩台车是一种实现冲击作用的机械装置,通过驱动高压油泵,实现活塞的往复运动,达到一定的冲击效应[8]。液压凿岩台车钻孔直径为34～45 mm,钻孔深度一般在3～5 m,满足现场施工及规范钻孔要求,使用过程中具有动力消耗少,利用率高,凿岩速度快,噪音低等特点。

以蔡营隧道出口光面爆破为依托,通过人工常规爆破和凿岩台车机械化辅助爆破的对比,首先确定了机械化施工的可行性,其次分析机械化施工带来的优势,并以此形成一套机械化光面爆破施工作业模式。如表1所示。

表1 人工与机械化施工对比表

人工光面爆破主要是通过人工手持钻机进行钻孔,钻孔过程中,因为人工操纵钻机,对钻机的掌控无法做到长时间的精确把控,导致人工钻孔的精度偏差会较大,进而对装药及后期爆破存在较大的人为因素的影响。且因为钻机数量多,施工噪音大,对施工人员的身体会造成不同程度的损伤。人工手持钻机架设在拼装的施工台架上,在钻孔过程中,因为台架的印象,对部分点位无法在准确的位置上进行钻设,对后期装药爆破存在较大的影响。

机械化光面爆破施工是以三臂凿岩台车为依托,通过红外线定位仪对爆破点位进行精确对点,而后台车就位,通过机械的精确把控,在刨除人为因素和施工台架的影响,在精度、人力、施工速度、施工环境上有着极大的改进。

3 机械化光面爆破施工工艺

机械化光面爆破主要运用机械设备进行精准爆破[9-10],其爆破施工工艺流程如下。

(1)施工准备

施工前准备主要是台车进洞、接水电以及台车定位的工作。作业班组将台车开至掌子面合理位置,辅助人员接通水电,做好安全用电设施准备,同时测量人员和作业班组对台车进行定位,确保台车臂展在隧道有限空间范围内进行作业。

(2)测量放样

测量人员通过全站仪,依托三臂凿岩台车上部施工台架对隧道大断面爆破点位进行放样,确保爆破点位的准确性。

(3)台车钻孔

清理掌子面上的浮石和破碎层以便于钻孔,将顶部和周边的凸石清理掉以保证周边孔的爆破质量,操作人员通过控制面板和手柄来控制钻臂的移动,按照预先设计好的布孔图,通过操作钻臂的方位和角度与车载电脑上显示的钻孔设计的参数相符合时,使推进梁向前推进顶到岩石,按下开始按钮,凿岩台车自动完成一个规划孔的钻凿过程。

(4)装药堵塞

装药人员在三臂凿岩台车施工台架上进行装药,需要使用炸药推送杆检查钻孔的质量,并将炸药通过杆长按照要求深度推送到洞孔中。对做好装药后的孔洞通过炮泥进行堵塞,以确保爆破质量。

(5)T型连接起爆网络

T型接法可以不用考虑搭接导爆索的传爆方向性,便于在主导爆索两端都设置起爆雷管,增加网路可靠性,减少盲炮的发生概率,避免因补炮造成的施工时间的浪费。

(6)起爆

洞内其他作业人员和相关机械退出洞后,爆破人员拉响通知安全警报进行爆破,爆破结束即开始通风降尘。

4 结 论

(1)对原有人工光面爆破技术进行优化后,周边炮孔未出现盲炮现象,并且半孔率大于80%,光面爆破效果良好,通过减少超挖,大大减少了混凝土的使用量,经济效益明显。

(2)机械化施工大大节省了隐蔽工程中人力资源的使用,通过机械施工代替人工作业主要有以下优势:缩短光面爆破钻孔时长,减少人工作业数量,有效的降低隧道内机械施工噪音,提高隧道作业工人施工环境水平,进一步提高钻孔质量,保证了光面爆破效果。

(3)蔡营隧道出口通过机械化施工进行光面爆破,消除了原本人工光面爆破的缺点,提高了工作质量,缩短施工周期,加快施工进度,在经济性和施工合理性上较人工作业有着不可替代的优势。