CN108458634A - 一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，采用作图法，掌子面孔口、孔底分别等距布孔，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点。利用作图成果，在交汇点位置的轮廓面上垂直做出一条垂线，并在垂线上打设固定一个放样杆或者现成锚杆，挂尼龙绳作为打钻放样线，在水平面上采用扇形放样，利用扇形的特性，使得掏槽孔、扩槽孔之间的孔底抵抗线也均匀等距，且每排炮孔打钻方向、角度、深度、位置均有据可循，理论方法和实践可互相印证和检验。本发明施工方法可消除斜孔楔形掏槽区与扩槽区间炮孔底部三维“盲区”孔之间布孔不均匀现象。使得斜孔楔形掏槽扩槽区域孔内炸药能量分布均匀合理，孔与孔之间的联合作用效果进一步增强。

Description

一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法

技术领域

本发明具体涉及一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法。

背景技术

隧道和地下工程在国民经济建设中有着重要的作用，随着国家建设事业的迅速发展，隧道工程建设越来越需要解决多快好省的问题。在目前及未来的短期内，钻爆法仍将是隧道掘进的主要手段，而爆破的成功取决于掏槽是否成功，进尺的大小取决于掏槽的深度，所以应该研究适合围岩条件的掏槽技术，在保证围岩稳定的前提下最大程度地提高爆破进尺。掏槽爆破涉及爆破作用、应力场分布、岩石破碎及抛掷全过程，爆破作用又属于三维问题，且掏槽爆破是爆破近区问题，爆破介质在爆炸载荷作用下的力学行为具有非线性特征。所以，在掏槽爆破机理研究中，数学解析、数值模拟和物理模拟都有较大难度，深入系统的研究不多，目前常见的文献多是根据现场施工情况进行的经验总结。目前直孔掏槽机理有一些初步的理论研究，其实质是单自由面下具有一定排列规律和起爆顺序的柱状药卷装药的一种群孔爆破，且直孔掏槽爆破参数也可以通过部分理论计算公式计算确定。楔形掏槽爆破机理目前还没有相对成熟的研究成果，掏槽机理和爆破参数研究依然处于经验总结和试验阶段。

随着隧道不断掘进，开挖面所处的上部山体高度不断增加，岩石地应力增高，同时围岩的韧性强度不断增加，围岩完整性变好，可爆性降低，经常出现掏槽效果不理想，同样钻孔深度，爆破后的循环进尺降低，甚至出现围岩夹制力过大，掏槽爆破挤死而半边未爆破剥离，需要重新钻孔补炮现象。因此，为了改善隧道爆破进尺低、掏槽扩槽夹制挤死、扩槽区爆破留岩坎严重、掌子面凹凸不平等状况。因此，结合国内工程经验及各类掏槽技术研究成果，对隧道大跨径全断面掏槽爆破施工工法进行优化设计，对如何正确使用楔形掏槽进行隧道爆破进行研究，显得非常必要。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足，提供一种提高精度的施工方法。主要针对隧道断面大，跨度大、车道多、围岩硬度大、可爆性差、的地质条件下高速公路(高铁)隧道为了提高隧道掏槽爆破效果、提高炮孔利用率，加大爆破循环进尺、减少每公里爆破开挖次数、降低火工品使用量、加快施工速度、提高工效而研究和开发。

本发明的技术方案如下：

一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，包括如下步骤：

1)设计制图：为满足钻孔方向和孔网参数精度要求，采用“等距扇形布孔方法”进行CAD软件作图，即：根据设计孔网参数和围岩情况，掌子面掏扩槽区(其他区域炮孔布置不在此详述)炮孔的孔口、孔底均按等距布置，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点。

2)等距扇形布孔掏槽爆破施工放样方法，经过对掏扩槽区斜眼楔形掏槽进行“等距扇形布孔”优化设计后，根据CAD作图和计算结果，掏槽扩槽区带各种炮孔孔网参数选取均较为合理，认为设计是合理的。各炮孔延长线扇形交汇点大约在距离掌子面向外8.3m的轮廓面拱腰边墙上，按照便于施工原则，我们提出打钻参照点施工方法：“一级打钻参照点开钻，二级打钻参照点调整”施工方法。即：加强现场管理，利用台车长度6m外边缘在隧道轮廓面对应位置作为一级打钻基本参照点，预先开孔；利用各炮孔延长线交汇点作为二级打钻精度参照点，在交汇点处放样划线打钉固定挂尼龙线，再水平拉紧测线校对钻孔角度精度，适当调整开孔角度与方向，能确保孔底距离基本相等，能很好解决现场无高精度量测工具造成开孔角度、方向无法定位及精度问题，各排孔均等距布置，钻孔人员自行布孔放样简单方便；也解决了因布孔不合理造成隧道爆破主爆区炸药能量分布不合理，掏槽扩槽爆破孔底坚硬围岩自我夹制挤死现象，能有效提高循环进尺。

3)打钻：利用作图成果，先利用钻爆台车外缘与隧道轮廓面侧墙交界位置作为第一级打钻参照点，扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确的第二级打钻参照点。一人根据布孔设计的孔排距在掌子面预先钻出炮孔开钻孔位，另一人将尼龙绳拉至孔口，拉紧，在水平面上等距扇形放样，钻机手根据尼龙绳的角度和方向打钻至设计孔深。

4)装药爆破：根据设计的各炮孔装药量分段、装药结构等具体要求进行装药、堵塞、爆破网路连接、警戒、起爆。

在本发明的较佳实施例中，掏扩槽区采用CAD软件进行等距扇形布孔设计制图。所述制图方法从理论上确保每个孔深都到达理论炮孔底线，能爆破后形成较为平整掌子面。

在本发明的较佳实施例中，所述等距扇形布孔，目的使得掏扩槽区孔口和孔底等距布置，使得炸药能量在掏扩槽区三维空间能量分布趋于合理和较为均匀。

在本发明的较佳实施例中，精度校准点为等距扇形炮孔的延长线交汇点，利用CAD作图得出。

在本发明的较佳实施例中，使用尼龙绳的目的在于确保打钻时按设计的角度和方向钻孔。

本发明主要原理与作用

本发明采用理论作图法，掌子面孔口、孔底分别等距布孔，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点。利用作图成果，在交汇点位置的轮廓面上垂直做出一条垂线，并在垂线上打设固定一个放样杆或者现成锚杆，挂尼龙绳作为打钻放样线，在水平面上采用扇形放样，利用扇形的特性，使得掏槽孔、扩槽孔之间的孔底抵抗线也均匀等距，且每排炮孔打钻方向、角度、深度、位置均有据可循；消除斜孔楔形掏槽区与扩槽区间炮孔底部三维“盲区”孔之间布孔不均匀现象，使得斜孔楔形掏槽扩槽区域孔内炸药能量分布均匀合理，孔与孔之间的联合作用效果进一步增强。能确保被爆围岩在各孔底部充分脱离母岩，被爆破岩体破碎无大块、便于机械化出渣。因采用理论作图法指导施工实践，消除隧道爆破钻孔放样盲目性，随意性，不仅炮孔布置均匀，也能促进炮孔底部均能基本落在一个平面上，爆破后掌子面较为平整，能提高单次爆破炮孔利用率，加大同等钻孔深度的爆破循环进尺，提高工效。

由上述描述可知，本发明一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，具有施工功效高、安全可靠、质量易于保证、施工工期缩短短、施工投入经济合理等优点。可用于高速公路、高速铁路、地铁及地下洞库、地下电厂等隧道及地下工程掘进工程爆破施工。

附图说明

图1为本发明掏扩槽区炮孔平面布置示意图；

图2为本发明掏扩槽区炮孔立面布置示意图；

图3为本发明掏扩槽区炮孔等距扇形打钻参照点示意图；

图中

1-掏槽区

2-辅助扩槽区

3-辅助孔区

4-洞轴线

5-周边孔

6-理论炮孔底线

7-理论轮廓线

8-一级打孔参照点

9-二级打孔参照点

具体实施方式

参见图1至图3，一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，它采用了如下的方法：

采用理论作图法，掌子面孔口、孔底分别等距布孔，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点。利用作图成果，在交汇点位置的轮廓面上垂直做出一条垂线，并在垂线上打设固定一个放样杆或者现成锚杆，挂尼龙绳作为打钻放样线，在水平面上采用扇形放样，利用扇形的特性，使得掏槽孔、扩槽孔之间的孔底抵抗线也均匀等距，且每排炮孔打钻方向、角度、深度、位置均有据可循；消除斜孔楔形掏槽区与扩槽区间炮孔底部三维“盲区”孔之间布孔不均匀现象，使得斜孔楔形掏槽扩槽区域孔内炸药能量分布均匀合理，孔与孔之间的联合作用效果进一步增强。能确保被爆围岩在各孔底部充分脱离母岩，被爆破岩体破碎无大块、便于机械化出渣。因采用理论作图法指导施工实践，消除隧道爆破钻孔放样盲目性，随意性，不仅炮孔布置均匀，也能促进炮孔底部均能基本落在一个平面上，爆破后掌子面较为平整，能提高单次爆破炮孔利用率，加大同等钻孔深度的爆破循环进尺，提高工效。

本发明一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，具体包括以下步骤：

1)设计制图：为满足钻孔方向和孔网参数精度要求，采用“等距扇形布孔方法”进行CAD软件作图，即：根据设计孔网参数和围岩情况，掌子面掏扩槽区(其他区域炮孔布置不在此详述)炮孔的孔口、孔底均按等距布置，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点。

2)等距扇形布孔掏槽爆破施工放样方法，经过对掏扩槽区斜眼楔形掏槽进行“等距扇形布孔”优化设计后，根据CAD作图和计算结果，掏槽扩槽区带各种炮孔孔网参数选取均较为合理，认为设计是合理的。各炮孔延长线扇形交汇点大约在距离掌子面向外8.3m的轮廓面拱腰边墙上，打钻参照点施工方法：“一级打钻参照点开钻，二级打钻参照点调整”施工方法。即：加强现场管理，利用台车长度6m外边缘在隧道轮廓面对应位置作为一级打钻基本参照点，预先开孔；利用各炮孔延长线交汇点作为二级打钻精度参照点，在交汇点处放样划线打钉固定挂尼龙线，再水平拉紧测线校对钻孔角度精度，适当调整开孔角度与方向，能确保孔底距离基本相等，能很好解决现场无高精度量测工具造成开孔角度、方向无法定位及精度问题，各排孔均等距布置，钻孔人员自行布孔放样简单方便；也解决了因布孔不合理造成隧道爆破主爆区炸药能量分布不合理，掏槽扩槽爆破孔底坚硬围岩自我夹制挤死现象，能有效提高循环进尺。

第一级掏槽孔应采用单自由面的球形药包药量计算公式，第二级及以上掏槽应采用浅孔爆破药量计算公式，扩槽孔和辅助孔按浅孔爆破药量计算公式，并结合工程实际进行取值。

一级掏槽按球形药包药量：Q_单＝K W_i ³f(n)/N (1)

二级及二级以上掏槽药量：Q_单＝KaH W_i f(n)或Q_单＝KabHf(n) (2)

扩槽孔、辅助孔药量：Q_单＝KaL W_i f(n) (3)

单孔平均线装药量：q_线＝Q_单/L (4)

式中:a—指相邻孔孔距，m；

b—指相邻掏槽孔排距,m；

H—指掏槽深度,m；

N—指同层掏槽深度W_i时的掏槽炮孔数，个；

K—指标准爆破漏斗炸药单耗，kg/m³；

W_i—指同层掏槽孔的掏槽深度或孔底抵抗线，m；

f(n)—指爆破作用指数函数，f(n)＝0.4+0.6n^3,,n为爆破作用指数；

L—指炮孔长度，m；

Q_单—单孔装药量，kg；

q_线—单孔平均线装药量，kg/m。

3)打钻：利用作图成果，先利用钻爆台车外缘与隧道轮廓面侧墙交界位置作为第一级打钻参照点，扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确的第二级打钻参照点。一人根据布孔设计的孔排距在掌子面预先钻出炮孔开钻孔位，另一人将尼龙绳拉至孔口，拉紧，在水平面上等距扇形放样，钻机手根据尼龙绳的角度和方向打钻至设计孔深，

4)装药爆破：根据设计的各炮孔装药量分段、装药结构等具体要求进行装药、堵塞、爆破网路连接、警戒、起爆。

施工流程：

CAD设计制图→施工放样→打钻→装药→爆破

本发明方案确保了浙江81省道隧道爆破总体工期目标的实现，取得了良好的社会效益。本发明相比常规掏扩槽爆破方法还具有以下优点：

1)理论指导实践：透过使用等距扇形布孔掏槽爆破技术运用，加强凹凸不平掌子面的管理，炮孔角度深度正确调整，在Ⅱ、Ⅲ围岩全断面爆破开挖条件下，假设每次钻进的深度、炮孔数、火工品使用量相等情况下，透过试炮调整各参数，注意凹凸不平掌子面的钻孔调整，细化各孔分段，经后期实测，在Ⅱ、Ⅲ围岩条件下，新型掏扩槽区扇形布孔爆破技术设计4m循环进尺，均能达到3.6-3.8m的实际进尺，设计3.8m循环进尺，均能达到3.4-3.6m的实际进尺，大大减少了掏扩槽区夹制挤死补炮现象，提高工效；且整个工作面比之前更为平整，更方便下一循环的钻孔爆破工作。

2)施工进度快：优化掏槽爆破前的设计3.8m循环进尺，只能达到3.1-3.3m的实际进尺，由于定位精确，优化后的设计3.8m循环进尺，均能达到3.4-3.6m的实际进尺。假设每次钻进的深度、炮孔数、火工品使用量相等情况下，每公里减少循环数为1000÷3.2-1000÷3.5≈26次，也就是说能减少26次的钻孔、装药、警戒、通风、出渣、排险等时间。

3)节约施工成本：假设每次钻进的深度、炮孔数、火工品使用量相等情况下，每公里减少循环数为1000÷3.2-1000÷3.5≈26次，也就是说能减少26次的钻孔、装药、警戒、通风、出渣、排险等时间，减少26次火工品的浪费，同时减少挤死补炮次数，根据浙江81省道肖浦隧道较佳实例统计数据：每公里隧道可提前17d完成，可节省60.08万元。如果一年完成10km隧道计算，可节约流水工期170d(双洞掘进85d)，可节省投入600.8万元降本增效明显。

4)提高质量，透过使用等距扇形布孔掏槽爆破技术运用，使得钻孔的孔底均落在理论孔底线上，整个工作面比之前更为平整，更方便下一循环的钻孔爆破工作

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)为满足钻孔方向和孔网参数精度要求，采用“等距扇形布孔方法”进行作图，即：根据设计孔网参数和围岩情况，掌子面掏扩槽区炮孔的孔口、孔底均按等距布置，做出扇形布孔的炮孔延长线交汇点，作为打钻精确参照点；

2)掏扩槽区楔形掏槽设计与药量计算

第一级掏槽孔采用单自由面的球形药包药量计算公式，第二级及以上掏槽采用浅孔爆破药量计算公式，扩槽孔和辅助孔按浅孔爆破药量计算公式，并结合工程实际进行取值；

一级掏槽按球形药包药量：Q_单＝K W_i ³f(n)/N (1)

二级及二级以上掏槽药量：Q_单＝KaH W_i f(n)或Q_单＝KabHf(n) (2)

扩槽孔、辅助孔药量：Q_单＝KaL W_i f(n) (3)

单孔平均线装药量：q_线＝Q_单/L (4)

式中:a—指相邻孔孔距，m；

b—指相邻掏槽孔排距,m；

H—指掏槽深度,m；

N—指同层掏槽深度W_i时的掏槽炮孔数，个；

K—指标准爆破漏斗炸药单耗，kg/m³；

W_i—指同层掏槽孔的掏槽深度或孔底抵抗线，m；

f(n)—指爆破作用指数函数，f(n)＝0.4+0.6n^3,,n为爆破作用指数；

L—指炮孔长度，m；

Q_单—单孔装药量，kg；

q_线—单孔平均线装药量，kg/m；

3)经过对三车道隧道斜眼楔形掏槽进行“等距扇形布孔”优化设计后，根据作图和计算结果，各炮孔延长线扇形交汇点在距离掌子面向外8-9m的轮廓面拱腰边墙上，打钻参照点施工：一级打钻参照点开钻，二级打钻参照点调整，即：在隧道轮廓面对应位置作为一级打钻基本参照点，预先开孔；利用各炮孔延长线交汇点作为二级打钻精度参照点，在交汇点处放样划线打钉固定挂线，再水平拉紧测线校对钻孔角度精度，适当调整开孔角度与方向；

4)在孔内安装计算好的爆破药量，进行爆破。

2.如权利要求1所述的一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，其特征在于：

步骤1)所述的作图采用制图软件，进行掏扩槽区炮孔的等距扇形三维布孔设计。

3.如权利要求1所述的一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，其特征在于：所述制图方法从理论上确保每个孔深都到达理论炮孔底线，能爆破后形成较为平整掌子面。

4.如权利要求1所述的一种隧道掏扩槽区等距扇形布孔爆破施工方法，其特征在于：

步骤3)利用台车长度6m外边缘在隧道轮廓面对应位置作为一级打钻基本参照点，预先开孔。