CN110879026A

CN110879026A - 适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法

Info

Publication number: CN110879026A
Application number: CN201911224878.2A
Authority: CN
Inventors: 李洪涛; 胡德茂; 姚强; 纪杰杰; 肖雨莲; 杨林; 罗登泽; 胥杰; 关富僳; 陈思迪
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN110879026B

Abstract

本发明公开了一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，从缩小掏槽孔孔间距离和改变掏槽孔装药结构两个方面予以改进，缩小掏槽孔的孔间距离以保证炸药产生的爆炸应力波能远远高于塑性岩体在爆炸时产生的塑性变形所需的能量，另外辅助掏槽孔的设计为有效扩大掏槽槽腔提供支撑；本发明掏槽方式为主掏槽孔九孔布置，中心孔装药，其余八孔均为空孔，辅助掏槽孔分列中心九孔的上、下、左、右方向及外围正方形的四个角，采用少量装药孔和大量空孔结合的方式进行掏槽爆破，提高爆破效率，降低炸药单耗，改善掏槽孔爆破效果。

Description

适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法

技术领域

本发明涉及隧洞开挖爆破领域，特别是一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法。

背景技术

对于水利工程、隧洞工程、采矿工程等大型基础建设与能源开发工程，其首要施工工序是基础和地下洞室的开挖。目前，水利工程中隧洞开挖主要采用的是掏槽爆破，掏槽爆破的作用是掏槽孔炸药爆破抛掷岩石后为后续炮孔的爆破提供自由面，爆腔为后续炮孔爆破岩石的碎胀提供补偿空间。因此，掏槽成功与否直接影响隧洞爆破效果的好坏，掏槽的深度直接影响巷道掘进循环进尺，它是隧洞开挖成败的关键。科学合理的掏槽形式能保证形成理想的槽腔，从而为后续爆破提供自由面，以确保较高的炮孔利用率和爆破的成功。

目前，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，常见的文献多是根据现场施工情况的经验总结。根据经验总结而来的掏槽方式并不能适用于所有的岩体。在富含云母高塑性岩体开挖爆破中，采用传统的掏槽方式不能很好地将岩石爆开，从而出现可爆性差、单循环进尺短(1.2～1.7m)、单位耗药量高等现象。

我国水利工程领域隧洞开挖掘进的方式主要是人工钻爆法。钻爆法施工一般先在隧洞断面中心布置掏槽孔，再布置周边孔，最后均匀布置辅助孔。掏槽孔是整个布孔断面中首先起爆的炮孔，为后续主爆孔、缓冲孔及周边孔等炮孔爆破创造新的自由面，因此掏槽孔的进尺很大程度上决定了隧洞单次循环掘进进尺。隧洞掏槽爆破开挖主要有以下几种掏槽形式：(1)楔形掏槽，楔形掏槽是隧洞掏槽爆破的主要形式，有单级楔形掏槽和多级复式楔形掏槽之分；(2)小直径中空直孔掏槽，直孔掏槽由彼此很近、垂直于开挖面且相互平行的若干炮孔组成，其中布设一个或几个不装药的空孔作为装药孔的临空面；(3)大直径中空直孔掏槽，中心中空直孔直径为75～120mm，一般是1个空孔。

以上常见的掏槽爆破方法在中硬岩隧洞开挖中已经得到了较好的推广，根据相关文献和工程资料来看，传统的直孔掏槽爆破中掏槽孔的孔心距离是8～30cm。例如，四川省甘孜州丹巴县吉牛水电站和磨子水电站引水隧洞岩层主要为银灰色二云(英)片岩夹大理岩、石英岩不等厚互层，施工中发现围岩云母含量高 (平均含量为39.3％)，岩石塑性较强、硬度较低(抗压强度＜20MPa)，且岩石软硬相间，呈无规律分布。利用传统的楔形掏槽爆破方式以及直孔掏槽爆破进行开挖时，存在掏槽难、甚至无法掏槽；炮孔深度3.0m，平均循环进尺1.2～1.7m 左右；爆后残(扩)孔明显、炮孔利用率低、单耗高等问题，很大程度上制约了隧洞的快速、经济施工。

总之，传统的掏槽爆破方式主要存在以下不足：

1、仅适用于中、硬岩条件下的隧洞开挖，如遇到本例提到的高塑低强或是软硬相间岩层的工程，则会出现掏槽难或是无法掏槽的现象。

2、传统的掏槽爆破方式在应对复杂岩层条件时，为使岩石能够爆下来、爆破效率不至于相当低下，对于Ⅲ类、Ⅳ类围岩单耗均超过了2.6kg/m³，设计实际进尺只有设计进尺的60％左右，爆破效率极为低下(均在60％以下)，部分炮孔残孔非常明显，大大增加了洞室开挖的成本与施工周期。

相关术语

钻孔爆破法：钻孔爆破法指通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，简称钻爆法；

掏槽爆破：掏槽爆破的效果是关系到巷道全断面爆破能否取得预想效果的关键环节，其目的是为全断面爆破提供新的自由面；

掏槽孔：开挖断面中下部，最先起爆、担负掏槽爆破的炮孔；

崩落孔：其他爆破岩石的炮孔，又称掘进孔；

周边孔：周边轮廓线上的炮孔；

孔边距：孔与孔之间岩壁厚度；

孔心距：孔与孔之间的中心距离；

炸药单耗：指爆破单位体积岩体所消耗的炸药量，单位为kg/m³。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，针对传统掏槽爆破方式在高塑低强或软硬相间岩层条件下的无法掏槽或掏槽成本过高等缺点，改善掏槽孔爆破效果，提高爆破效率，降低炸药单耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，包括以下步骤：

步骤1：打孔

第一段：在掌子面的中下部打出9个主掏槽孔，所述主掏槽孔位于掏槽区中部，且所述主掏槽孔横向三行、竖向三列分布，每行之间、每列之间距离相同；位于中心的主掏槽孔为中心掏槽孔；

第二段：正对于中心掏槽孔的上下位置分别打出1个辅助掏槽孔，即上下共 2个辅助掏槽孔；

第三段：正对于中心掏槽孔的左右位置分别打出1个辅助掏槽孔，即左右共 2个辅助掏槽孔；

第四段：位于主掏槽孔外围正方形的四个角分别打出1个辅助掏槽孔，即外围共4个辅助掏槽孔；

对崩落孔和周边孔进行打孔；

若上下的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为n、左右的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为m、外围的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为l，则有l＞m ＞n；

步骤2：装药

根据工程中岩体的塑性和强度情况，分别向主掏槽孔中的中心掏槽孔、辅助掏槽孔填装炸药；除中心掏槽孔外的其余主掏槽孔为空孔，不填装炸药；

步骤3：爆破

采用半秒延期起爆方式，依次进行下列掏槽爆破：

第一段爆破：引爆中心共计1孔的中心掏槽孔炸药；

第二段爆破：同时引爆上下位置共计2孔的第二段辅助掏槽孔炸药；

第三段爆破：同时引爆左右位置共计2孔的第三段辅助掏槽孔炸药；

第四段爆破：同时引爆外围共计4孔的第四段辅助掏槽孔炸药；

进行后续崩落孔和周边孔的爆破。

进一步地，在步骤1中，打孔深度不超过3m；在步骤2中，装药深度在孔深度的70％-80％之间，剩余深度进行堵塞。

进一步地，在步骤1中，主掏槽孔孔边距为2～4cm，n取值4～6cm，m取值4～6cm，l取值8～10cm。

进一步地，在步骤1中，主掏槽孔孔边距为4cm，n为4cm，m为6cm，l 为10cm。

进一步地，在步骤1中，所述主掏槽孔、辅助掏槽孔的深度均为3m，直径均为40mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过加大掏槽孔的密集度和数量，在面对高塑性、软硬相间的岩石时，能提供足够用于岩体塑性变形的能量，从而达到顺利掏槽的目的。

2)通过采用少量装药孔和大量空孔相结合的掏槽方式，为掏槽岩体提供膨胀空间，增大了掏槽腔体积，扩大了单次爆破的自由面，提高了爆破效率，降低了炸药单耗。

附图说明

图1为本发明中掏槽孔打孔位置示意图。

图2为本发明的一个实施例中掏槽孔打孔距离示意图。

图中：1表示中心掏槽孔(装药)；2表示辅助掏槽孔(上下)；3表示辅助掏槽孔(左右)；4表示辅助掏槽孔(外围)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

根据石英云母片岩动力学特性分析以及破岩裂缝数值模拟，富含云母片岩在爆炸荷载作用下，具有明显的塑性特征，且爆炸应力波在距离爆心40cm内衰减的特别快、幅度特别大，爆炸应力波的绝大部分能量消耗在了岩石的塑性变形以及距爆心40cm以内岩石的破碎中，能量的快速消耗制约了岩石的进一步破碎。

本发明的基本思想是，缩小掏槽孔的孔间距离以保证炸药产生的爆炸应力波能远远高于塑性岩体在爆炸时产生的塑性变形所需的能量，另外辅助掏槽孔的设计为中心掏槽孔创造尽量多的自由面。经过多次现场试验和理论分析，提出了一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其掏槽方式为主掏槽孔九孔布置，中心掏槽孔(中心孔)装药，其余八孔均为空孔，外围辅助掏槽孔分列中心九孔的上、下、左、右方向。本发明的掏槽孔密集度必须得到保证，中部九孔孔边距(孔与孔之间岩壁厚度)为2～4cm是相对合适的，周围的辅助掏槽孔与中部九孔的孔边距保持在4～6cm为宜。本发明掏槽孔间距小，孔数密集，采用少量装药孔和大量空孔结合的方式进行掏槽爆破，崩落孔和周边孔也采用减小孔距，加大孔数的思想进行相应布置，具体如下：

一、打孔

如图2所示，首先在掌子面的中下部适合的位置打出：9个第一段主掏槽孔 (中心处为中心掏槽孔)，保持每个主掏槽孔的孔边距(孔与孔之间岩壁厚度) 为4cm，主掏槽孔位于掏槽区中部；第二段辅助掏槽孔位于中心掏槽孔的上下位置，分别距离中部九孔最外围孔边距4cm；第三段辅助掏槽孔位于中心掏槽孔的左右位置，分别距离中部九孔最外围孔边距6cm；第四段辅助掏槽孔位于外围正方形的四个角，分别距离中部九孔最外围孔边距10cm。再进行崩落孔和周边孔的打孔，加密孔数，减小孔距，从而避免爆破产生的大量能量用于岩石的塑性变形。

二、装药

分别向主掏槽孔、辅助掏槽孔填装炸药，不同位置的装药孔装填不同节数的乳化炸药。若第一段雷管表示为HS1，第二段雷管表示为HS2，以此类推，具体装药参数如表1所示。

表1炮孔装药参数表

本装药参数表仅代表该实例所实施的情况，在其他工程中可依照岩体的塑性和强度进行调整，采用图1或图2所示的装药孔和空孔相结合的掏槽方式，钻孔深度一般不超过3m，装药深度一般在钻孔深度的70％-80％之间，剩余深度进行堵塞。

三、爆破

采用半秒延期(HS)起爆方式，依次进行下列过程以完成掏槽爆破：

一段爆破(HS1)：引爆中心共计1孔的主掏槽孔炸药；

二段爆破(HS2)：同时引爆上下部共计2孔的第二段辅助掏槽孔炸药；

三段爆破(HS3)：同时引爆左右部共计2孔的第三段辅助掏槽孔炸药；

四段爆破(HS4)：同时引爆周围共计4孔的第四段辅助掏槽孔炸药。

后续外围崩落孔和周边孔的起爆顺序按现有起爆方式进行，故不再赘述。

本发明还应注意以下事项：

1、本发明中，所有打孔均垂直于隧洞岩石的掌子面；

2、本发明中，中部所有掏槽孔(主掏槽孔、辅助掏槽孔)的距离均为孔边距(孔与孔之间岩壁厚度)，其余所有崩落孔及周边孔均为孔心距(孔与孔之间的中心距离)；

3、在隧洞岩石的掌子面上，中心九个第一段主掏槽孔孔边距为2～4cm，仅中心掏槽孔装药，其他八个孔均为空孔；上下第二段辅助掏槽孔分别距离中部九孔最外围孔边距4～6cm；左右第三段辅助掏槽孔分别距离中部九孔最外围孔边距4～6cm；第四段辅助掏槽孔分别距离中部九孔最外围孔边距8～10cm；

4、主掏槽孔、辅助掏槽孔的深度均为3m，直径均为40mm；

5、所有的起爆药卷均置于孔底，进行孔口封堵，应保证封堵质量。

Claims

1.一种适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：打孔

第二段：正对于中心掏槽孔的上下位置分别打出1个辅助掏槽孔，即上下共2个辅助掏槽孔；

第三段：正对于中心掏槽孔的左右位置分别打出1个辅助掏槽孔，即左右共2个辅助掏槽孔；

对崩落孔和周边孔进行打孔；

若上下的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为n、左右的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为m、外围的辅助掏槽孔与主掏槽孔的最近距离为l，则有l＞m＞n；

步骤2：装药

步骤3：爆破

采用半秒延期起爆方式，依次进行下列掏槽爆破：

第一段爆破：引爆中心共计1孔的中心掏槽孔炸药；

进行后续崩落孔和周边孔的爆破。

2.根据权利要求1所述的适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其特征在于，在步骤1中，打孔深度不超过3m；在步骤2中，装药深度在孔深度的70%-80%之间，剩余深度进行堵塞。

3.根据权利要求1所述的适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其特征在于，在步骤1中，主掏槽孔孔边距为2~4cm，n 取值4~6cm，m 取值4~6cm，l取值8~10cm。

4.根据权利要求3所述的适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其特征在于，在步骤1中，主掏槽孔孔边距为4cm，n为4cm，m为6cm，l为10cm。

5.根据权利要求1所述的适用于高塑低强岩石隧洞开挖掏槽爆破方法，其特征在于，在步骤1中，所述主掏槽孔、辅助掏槽孔的深度均为3m，直径均为40mm。