CN104482815B - 隧道光面爆破方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道光面爆破领域，特别涉及一种隧道光面爆破方法，其在小断面隧道上效果尤为突出，其步骤为：步骤一，选定光爆参数，光爆孔沿掌子面边界设置，内圈孔设置在光爆孔内侧；步骤二，确定掏槽方式，并完成掏槽；步骤三，安装炸药，进行爆破；内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，步骤一、二的组合包括第一方式，步骤一中，掏槽深度2.8m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔；本发明的目的在于提供一种半眼率高，进尺可控，炸药消耗少的隧道光面爆破方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道光面爆破领域，特别涉及一种隧道光面爆破方法，其在小断面隧道上效果尤为突出。
背景技术
公路、铁路等隧道光面爆破技术已比较成熟，特别是大断面隧道光面爆破技术，但小断面隧道(下称隧洞)爆破参数与大断面隧道大有不同，不可直接套用，隧洞施工中，爆破进尺短、炸药消耗大一直是小断面隧道施工的重难点，其掏槽方式、掏槽角度调整、炮眼布置优化，都是非常难把控的；
其具体包括不耦合系数、光爆孔密集系数、线装药密集度、光爆孔数量等参数，以及掏槽方式，相互间的配合既要保证半眼率，同时又要使用尽量少的炸药，提高施工效率，保证进尺可控，在成本控制下尽量向大进尺靠近；
在国内的这个领域里，做到进尺可控的施工企业鲜有耳闻，一般进尺在2m以上时，其炸药消耗会达到3kg/m3左右，炸药消耗非常高，同时打孔较多也拖延了施工时间，而如果各参数间配合不好，也会降低半眼率；
现在急需一种半眼率高，进尺可控，炸药消耗少的隧道光面爆破方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种半眼率高，进尺可控，炸药消耗少的隧道光面爆破方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种隧道光面爆破方法，其步骤为：
步骤一，选定光爆参数，光爆孔沿掌子面边界设置，内圈孔设置在光爆孔内侧；
步骤二，确定掏槽方式，并完成掏槽；
步骤三，安装炸药，进行爆破；
内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，步骤一、二的组合包括第一方式，步骤一中，掏槽深度2.8m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔；在实际施工过程中，该方法的平均进尺在2.4m以上，而其炸药消耗徘徊在1.81kg/m3左右，效果非常理想，而半眼率也在90％以上，具体体现在中铁二十三局山东省日照市沭水东调隧洞施工过程中。
作为本发明的优选方案，单侧的掏槽孔以三个孔为一组，分别设置在掌子面矩形段的上、下两部分内，同组的掏槽孔间距相同，爆破效果良好，提高进尺。
作为本发明的优选方案，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同，在满足半眼率和进尺的情况下，减少底板孔，减少了成本，提高效率。
作为本发明的优选方案，步骤一、二的组合还包括第二方式，步骤一中，掏槽深度3m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔在掌子面的矩形段内竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，在掌子面半圆部分内以弧形布置，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，位于弧形的掏槽孔外侧，所述矩形段内的掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔；在实际施工过程中，该方法的平均进尺在2.55m以上，而其炸药消耗徘徊在2kg/m3左右，效果非常理想，而半眼率也在90％以上，具体体现在中铁二十三局山东省日照市沭水东调隧洞施工过程中。
作为本发明的优选方案，矩形段内单侧的掏槽孔数量为六个，等间距布置，爆破效果良好，提高进尺。
作为本发明的优选方案，掌子面半圆部分内的掏槽孔数量为八个，等间距布置，爆破效果良好，提高进尺。
作为本发明的优选方案，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同，在满足半眼率和进尺的情况下，减少底板孔，减少了成本，提高效率。
作为本发明的优选方案，步骤一、二的组合还包括第三方式，步骤一中，掏槽深度2.5m，步骤二中，运用直孔掏槽方式进行掏槽，具体为中空孔双菱形掏槽，中空孔位于掌子面的对称中心线上，最外侧菱形周围布置有一圈辅助孔，与掌子面轮廓相同，内圈孔下方布置底板孔。
作为本发明的优选方案，底板孔上方与辅助孔之间布置有一排底板辅助孔，其数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同，在实际施工过程中，该方法的平均进尺在2.1m以上，而其炸药消耗徘徊在2kg/m3左右，效果非常理想，而半眼率也在90％以上，具体体现在中铁二十三局山东省日照市沭水东调隧洞施工过程中。
作为本发明的优选方案，采用斜孔掏槽方式进行掏槽时，掏槽孔与掌子面夹角为75°。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
半眼率高，进尺可控，炸药消耗少，平均进尺均在2m以上，而炸药消耗在2kg/m3左右，节省了大量成本。
附图说明：
图1为中空孔双菱形掏槽示意图。
图2为直孔掏槽炮眼理论布置图。
图3为斜孔掏槽炮眼理论布置图。
图4为斜孔掏槽调整对比示意图。
图5为本发明最终炮眼布置图。
图中标记与实施例表2-6中所示。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例以山东省日照市沭水东调隧洞施工光面爆破为实例，日照市沭水东调工程是将莒县境内沭河流域的水库水汇集，经输水管道、输水隧道及现有河道调水至日照水库，实现区域水资源合理配置，解决日照市区水资源短缺的问题。输水隧洞全长18.368km，设计流量为10m3/s，采用无压流，隧洞为城门洞型，开挖断面均为4.1×3.3m加半圆拱，断面面积20.13m2，半圆拱直径4.1m，中心角180°，隧洞洞底比降为1/2854。Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚杆、挂网喷砼支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用钢架、锚杆、挂网喷砼+钢筋混凝土衬砌支护。
隧洞地表地形起伏较大，最大埋深260m，最小埋深16m，以侵入岩群为主，岩性为不等粒角闪石英二长岩、二长花岗岩、二长闪长岩等。出口段主要为花岗岩，岩体完整，节理裂隙较发育，裂隙面较平直光滑，连通性较好，裂隙微张无充填，表层为砂质土覆盖层，厚度较薄；
本实施例中，从掏槽方式比选、炮眼布置及角度控制等各个环节展开，其概括的方法为：
步骤一，选定光爆参数，光爆孔沿掌子面边界设置，内圈孔设置在光爆孔内侧；步骤二，确定掏槽方式，并完成掏槽；步骤三，安装炸药，进行爆破；
内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，步骤一、二的组合包括第一方式，步骤一中，掏槽深度2.8m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔，单侧的掏槽孔以三个孔为一组，分别设置在掌子面矩形段的上、下两部分内，同组的掏槽孔间距相同，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同。
步骤一、二的组合还包括第二方式，步骤一中，掏槽深度3m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔在掌子面的矩形段内竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，在掌子面半圆部分内以弧形布置，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，位于弧形的掏槽孔外侧，所述矩形段内的掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔，矩形段内单侧的掏槽孔数量为六个，等间距布置，掌子面半圆部分内的掏槽孔数量为八个，等间距布置，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同。
步骤一、二的组合还包括第三方式，步骤一中，掏槽深度2.5m，步骤二中，运用直孔掏槽方式进行掏槽，具体为中空孔双菱形掏槽，中空孔位于掌子面的对称中心线上，最外侧菱形周围布置有一圈辅助孔，与掌子面轮廓相同，内圈孔下方布置底板孔，底板孔上方与辅助孔之间布置有一排底板辅助孔，其数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同；以上所述采用斜孔掏槽方式进行掏槽时，掏槽孔与掌子面夹角为75°。
其在该工程中的具体方法如下：
A，光爆设计
光爆层厚度、光爆孔间距、线装药密集度及不耦合系数等光爆参数是如何最为经济地实现光爆效果的决定性因素，掏槽眼的爆破效果是整个断面进尺的制约因素，因此，光爆设计的核心内容是光爆参数的选定和掏槽方式的选取。
本工程使用自制台车配合气腿式风钻人工钻孔，本文以Ⅱ、Ⅲ类围岩全断面一次开挖为例，进行系统分析和实验，Ⅳ、Ⅴ类围岩可依此方法进行调整。
A.1光爆参数选定
光爆参数选定结合本工程围岩情况，参考经验数据，得出理论数值，在实际施工中进行验证、调整，最终确定适合本工程的光爆参数。
A.1.1不耦合系数
不耦合系数即光爆孔直径与药卷直径的比值。药卷直径小于孔径时，炸药爆破产生的能量将通过可压缩性高的空气传至岩面，空气吸收了部分能量，从而保护了岩面的完整性，保证了炮眼保存率。不耦合系数参照表1进行选值。
本工程采用Φ42mm“一”字合金钻头，Φ25mm二号岩石乳化炸药，不耦合系数为1.68，符合经验数据范围。
A.1.2光爆孔密集系数
光爆孔密集系数K即光爆孔间距a与光爆层厚度W的比值，光爆层厚度即光爆孔最小抵抗线。K值小，炮眼间距小，岩体能更精确的沿炮孔连心线裂开，相应的炮孔数量多，经济性不好；K值过大时，炮孔间距大于最小抵抗线，导致炮孔独立爆破，引起炮孔间“挂口”(光爆孔间未能全部爆掉，形成锥形欠挖)现象，补炮处理同样不经济。一般情况下K值是一个小于1的数字，通常取K＝0.8左右。
结合表1，初步选定光爆孔间距a＝0.45m，光爆层厚度W＝0.55，K＝a/W＝0.82，符合经验数据范围。
A.1.3线装药密集度
表1 光面爆破参数参考表
光爆孔的装药量可按下式初步确定：Q＝q*a*W*L
其中q为定额确定的单位炸药消耗量,单位kg/m3；L为光爆孔的平均深度,单位m；其它符号同前。则线装药密度：Qx＝Q/L＝q*a*W
本工程中直接参照经验数据初步选定Qx＝200g/m。
A.1.4光爆孔数量
直墙段及半圆拱布置光爆孔，直墙段光爆孔数量G1＝3.3/0.45*2＝14个(底脚孔算为底板孔)，半圆拱光爆孔数量G2＝3.14*2.05/0.45-1＝13个(起拱点同直墙段重复)，故光爆孔总量G＝G1+G2＝27个。
内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，内圈孔间距考虑等同于光爆层厚度，因此内圈孔的数量计算可参照光爆孔计算。
A.2.1直孔掏槽炮眼布置
直孔掏槽炮孔深度受开挖断面尺寸影响小，可利用较深的掏槽提高循环进尺，渣堆相对集中，有利于控制尺寸。但一般需较多的炮眼数目、毫秒雷管段数和较多的炸药，同时要求操作工人必须具备熟练的钻眼操作技术，以达到必要的钻眼精度，避免串孔现象。本工程拟采取小直径中空孔双菱形掏槽方式，设计进尺2m，此类型掏槽孔装药系数为(0.7～0.8)L，布孔形式如图1，单位为cm。
结合前述光爆孔及内圈孔数量和布置，绘制直孔掏槽炮眼布置图如图2。
理论爆破参数如表2。(炸药规格：Φ32mm乳化炸药0.2kg/支，Φ25mm光爆炸药0.125kg/支)
表2 直孔掏槽钻爆参数
A.2.1斜孔掏槽炮眼布置
斜孔掏槽孔数较少，易操作，掏槽面积较大，易将槽中爆岩抛出，所用雷管段位较少，但斜孔掏槽受隧洞宽度影响较大，进尺相对较少。本工程拟采用垂直斜孔掏槽，设计进尺2m，根据经验拟定掏槽孔切入点为距边墙1.1m处，掏槽深度2.5m，掏槽孔与掌子面夹角为72°，眼底间距20cm。
结合前述光爆孔及内圈孔数量和布置，绘制斜孔掏槽炮眼布置图如图3。
理论爆破参数如表3。
表3 斜孔掏槽钻爆参数
B爆破试验对比
在围岩相近的5#支洞和6#支洞同时进行爆破试验，5#支洞进行直孔掏槽光面爆破，6#支洞进行斜孔掏槽光面爆破。
B.1爆破实验步骤
B.1.1交底与动员
方案敲定后组织现场技术交底，确保每个炮工对爆破方案有全面而深刻的理论认识，同时拿出部分资金作为奖励基金，充分调动工人积极性。
B.1.2测量布孔
测量人员用全站仪进行测量放样，精确放出轮廓线(不少于9个点)、掏槽孔位置，其他孔可依据已知点进行拉尺量测，孔位用红油漆标出后抽选5个以上进行复测，偏差控制在5cm内。
B.1.3钻孔爆破
按照放样点位钻进，过程中复核角度，控制钻孔精度，保证掏槽孔每米偏差5cm内，周边眼外插角小于3°。成孔后用高压风清孔。
按照设计炸药量及雷管段位进行装药。装药时使用木质或竹制杆送药，不可过快，防止空口岩石将毫秒管划破导致拒爆。光爆孔均采用有加强底药的间隔装药，使用导爆索(红线)引爆，其他孔连续装药。掏槽孔采用反向装药，其他孔正向装药。孔口用炮泥堵孔，不少于40cm。
装药完成后，根据毫秒管外露情况，整理成四组把线，采用并并联网路，约每20根毫秒管尾线并联到同一段位的毫秒雷管，四根同段位的毫秒雷管并联到一枚电雷管，通过起爆器引爆。
B.1.4炮后检查、效果分析
响炮后立即通风，待洞内空气质量合格后各方人员共同进入到掌子面，观察有无挂口、盲炮，如有盲炮及时处理。出渣完后再次进入到掌子面，实测进尺及洞轮廓线，观察底孔存留情况及周边半孔率，分析做出调整，进入下一个实验循环。
B.2直孔掏槽光面爆破参数调整
直孔掏槽光爆实验遇到一些困难，前两次由于掏槽孔钻孔精度未控制好，导致串孔，炸药能量从中空孔散失，掏槽效果较差。
第一次掏槽调整：不改变掏槽孔深度，加大1、2、3、4掏槽孔与中空孔的距离，调整至20cm和25cm，同时增加一支炸药。爆破效果有所改进，串孔现象减少，连续几个循环维持在2.1m左右。
第二次掏槽调整：为追求更大进尺，将掏槽孔深度调至2.8m，调整的当个循环又发生了串孔现象，掏槽效果不佳。
第一次光爆孔调整：掏槽孔调回2.5m，进行光爆孔密集系数调整。光爆孔间距a调整至0.5m，光爆层厚度W＝0.6m。调整后的五炮出现了四次挂口，需要补炮，分别为半拱、右侧半拱、左侧半拱位置。边墙部位未出现挂口现象，表明直墙段光爆孔间距可以适当拉大，圆拱段光爆孔间距初步设计的选定较为合理，不再做调整。
经过15循环的摸索，进尺基本稳定，成洞较好，半孔率达到90％，底板孔核减至6个，边墙孔核减至6个(间距调整至0.5m)，其他孔未能核减。参数稳定在表4所示。
表4 直孔掏槽钻爆参数(现场调整后)
B.3斜孔掏槽光面爆破参数调整
斜孔掏槽光爆实验较为顺畅，成洞轮廓线较好，首次爆破抛掷近80米，且无大块渣石，进尺达到2.2m，说明初步设计的炸药用量偏高。
第一次掏槽调整：核减掉一对掏槽孔，采用“上三下三”形式掏槽，边墙部位内圈孔核减掉一对，底板孔调整至6个，爆破效果良好，进尺2.15m。
第二次掏槽调整：将掏槽深度调整至2.8m，掏槽增加一支炸药，掏槽孔与掌子面夹角为72°，眼底间距20cm，其他孔深增加0.3，装药不变。头炮“下三”掏槽中最上方一对掏槽爆破效果不佳，导致整个断面底部未爆出效果，拱部效果较好，轮廓及半孔率合格。进行“下三”掏槽孔位置微调，减小上、下掏槽间距，之后4炮效果较好，进尺保持在2.3m～2.5m之间。
第三次掏槽调整：将掏槽深度调整至3m，钻孔过程中需要换钎施工，掏槽增加一支炸药，掏槽孔与掌子面夹角为75°，眼底间距15cm，其他孔深增加0.5，装药平均增加一支。前两炮掏槽效果均不佳，大面积补炮。经多方讨论，拟定在掏槽中增加斜孔掏槽，即复合斜孔掏槽，“上三下三”结合“上二下二”，向洞轴线偏移0.3m，掏槽深度1.8m，角度73°，反向装药6支。之后5炮效果较明显，进尺达到2.4m～2.6m。
三次掏槽形式见图4。
光爆孔参数调整同直孔掏槽实验，最终确定底板孔核减至6个(间距调整至0.5m)，光爆层厚度不变。
掏槽2.8m、3m参数分析如表5、表6所示。
表5 斜孔掏槽钻爆参数(2.8m掏槽)
表6 斜孔掏槽钻爆参数(3m掏槽)
C爆破工艺及参数选定
C.1施工工艺比选
直孔掏槽在施工过程中对钻孔精度要求高，人工钻孔很难达到精度要求，串孔现象时有发生，且所用毫秒管段位较多，易出现用错现象，一旦段位错孔将影响爆破质量，进而影响施工进度。相较而言，斜孔掏槽工艺成熟，工人已经掌握，只要在施工过程中把握住掏槽角度，即能有比较好的爆破进尺，通过调整周边眼参数，断面轮廓也能得到很好地保证。因此，从工艺上讲，本工程优先选用斜孔掏槽光爆施工。
C.2工程效益比选
经过近一个月的爆破试验，两种掏槽工艺均得到了较为稳定的爆破参数和统计数据。
参数一：直孔掏槽光面爆破，平均进尺2.1m，炸药消耗为2.07kg/m3；
参数二：斜孔掏槽光面爆破(掏槽深度2.8m)：平均进尺2.4m，炸药消耗为1.81kg/m3；
参数三：斜孔掏槽光面爆破(掏槽深度3m)：平均进尺2.55m，炸药消耗为2.03kg/m3。
从单循环进尺考虑参数三为2.55m每炮，但其火工品单方消耗是三个参数中最大的。
参数二钻孔总长195m，进尺2.4m，成孔比例C1＝2.4/195＝0.0123；参数三钻孔总长223m，进尺2.55m，成孔比例C2＝2.55/223＝0.0114。对比而言参数二效率更高。
综上所述，参数二为本次光面爆破实验得出的最优化光面爆破参数，后续施工中将按照此参数进行爆破作业，最终爆破确定的爆破参数见表5，炮眼布置图见图5。
Claims (1)
1.一种隧道光面爆破方法，其步骤为：
步骤一，选定光爆参数，光爆孔沿掌子面边界设置，内圈孔设置在光爆孔内侧；
步骤二，确定掏槽方式，并完成掏槽；
步骤三，安装炸药，进行爆破；
其特征在于，内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，步骤一、二的组合包括第一方式，步骤一中，掏槽深度2.8m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式进行掏槽，掏槽孔竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔，单侧的掏槽孔以三个孔为一组，分别设置在掌子面矩形段的上、下两部分内，同组的掏槽孔间距相同，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同；
步骤一、二的组合还包括第二方式，步骤一中，掏槽深度为3m，步骤二中，运用斜孔掏槽方式，增加掏槽深度1.8m的掏槽孔，掏槽孔在掌子面的矩形段内竖直对称布置在掌子面的对称中心线两侧，在掌子面半圆部分内以弧形布置，辅助孔弧形布置在掌子面半圆部分内，其中点位于掌子面的对称中心线上，位于弧形的掏槽孔外侧，所述矩形段内的掏槽孔与内圈孔之间也布置有辅助孔，掏槽深度为1.8m的掏槽孔与掌子面夹角为73°，单孔反向装药6支，单孔装药量1.2kg，段装药量9.6kg，矩形段内单侧的掏槽孔数量为六个，等间距布置，掌子面半圆部分内的掏槽孔数量为八个，等间距布置，掌子面下方的底板孔数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板孔间距相同；
步骤一、二的组合还包括第三方式，步骤一中，掏槽深度2.5m，步骤二中，运用直孔掏槽方式进行掏槽，具体为中空孔双菱形掏槽，中空孔位于掌子面的对称中心线上，最外侧菱形周围布置有一圈辅助孔，与掌子面轮廓相同，内圈孔下方布置底板孔，底板孔上方与辅助孔之间布置有一排底板辅助孔，其数量为六个，以三个为一组，同高度的对称设置在掌子面对称中心线的两侧，同组的底板辅助孔间距相同。
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