CN111472791A - 喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，用于改扩建原有隧洞，所述原有隧洞为特小断面，开挖断面设计采用城门洞型；包括以下步骤：S1，对原有隧洞围岩实地踏勘排查，实际掌握围岩现存状态，确认围岩的类别分类为Ⅳ或Ⅴ；S2，针对S1中排查发现的现有围岩现存状态进行超前加固；S3，对开挖不同围岩掌子面进行分类爆破、同一掌子面分段爆破。步骤S3中的分段爆破方法为，首先爆破开挖原有隧洞洞顶部分，然后爆破开挖侧墙及仰拱；或先爆破侧墙位置，然后起爆拱顶位置。该工法具有安全可靠、施工操作简单、经济效益显著等特点，并可广泛应用于水利、矿井、地下工程拓宽施工领域，推广应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道施工方法，特别是喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法。
背景技术
喀斯特地貌隧洞扩建时，原隧洞经实地踏勘围岩多以Ⅴ～Ⅳ类为主，由于该遂址区处于卡斯特地貌带，围岩多岩体垂直裂隙较发育，岩溶较发育，局部岩体破碎。本身裂隙发育，加之原有隧洞爆破药量控制差，加剧围岩进一步破碎。原有洞身轴线位置很随意，几乎没有直线，基本属于原有洞挖爆破施工到哪里，隧洞轴线就在那里的情况，在施工的过程中，由于原有围岩已被扰动，本次爆破施工后，开挖轮廓线周围掉块严重，洞内超挖严重，直接导致洞内初期支护喷锚严重超出设计量(能达到原设计的百分之400～500)。设计开挖轮廓线与爆破后的成形洞面轮廓距离最小的都在80～100cm，局部甚至达3～6米。严重影响隧洞施工安全和后期使用功能，加之地质条件复杂，有夹泥层、岩溶发育、破碎围岩等不良地质体存在，一旦在开挖初支过程中再次发生震动，后果不堪设想，给施工带来了极大安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：提出了一种喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，该工法具有安全可靠、施工操作简单、经济效益显著等特点，并可广泛应用于水利、矿井、地下工程拓宽施工领域，推广应用前景广阔。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，用于改扩建原有隧洞，所述原有隧洞为特小断面，开挖断面设计采用城门洞型；包括以下步骤：
S1，对原有隧洞围岩实地踏勘排查，实际掌握围岩现存状态，确认围岩的类别分类为Ⅳ或Ⅴ；
S2，针对S1中排查发现的现有围岩现存状态进行超前加固；
S3，对开挖不同围岩掌子面进行分类爆破、同一掌子面分段爆破。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤S3中的分段爆破方法为，首先爆破开挖原有隧洞洞顶部分，然后爆破开挖侧墙及仰拱。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤S3中的分段爆破方法为，先爆破侧墙位置，然后起爆拱顶位置。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述步骤S2中，在爆破前对边墙预先注浆加固。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅳ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞顶部轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，深度为1-2米，周边炮孔距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为40～64cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为1-2米，其余炮孔参数同上。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅴ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，炮孔深度为1-1.5米，周边眼距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为60cm～80cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，其余炮孔参数同上。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：第一次爆破时，按炮孔分布，从内向外辐射地分次延时起爆；第二次爆破时，以隧洞设计中心线为分左右不同时地延时起爆。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：炮孔孔径为4cm。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤S1中确认围岩类别为Ⅴ类时，需在开挖隧道内设置钢榀支撑作初期支护。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：爆破前增设超前支护。
本发明的有益效果在于：
本发明的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，实地踏勘原有洞内围岩实际情况，针对不同围岩类别分类量身制定针对不同类别的爆破开挖方案，对开挖不同围岩掌子面进行分类爆破、同一掌子面分段爆破(即首先爆破开挖原有隧洞洞顶部分，然后爆破开挖侧墙及仰拱。或先爆破侧墙位置，然后起爆拱顶位置)。
并在实施过程中结合现场原有隧洞轮廓线实际情况每种围岩类型做爆破试验，选取最优爆破参数及开挖进尺。
本发明的工法依据优化后的爆破技术参数，测量定位放样掌子面炮孔，严格控制周边眼、压顶眼、底板眼及临空面最小抵抗线距离，有效从而节约材料。
为防止拱顶掉块，采用超前小管棚注浆或超前锚杆，首先对掌子面前方的破碎围岩进行固结，解决因爆破后掌子面前方拱顶范围内大面积掉块。
并通过边墙预先注浆加固，改善围岩脆弱的现存状态，防止因爆破侧墙开挖轮廓掉块面积过大。使隧洞充分发挥围岩的自承和自稳能力。
本发明的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，施工作业简便，施工机械和设备简单。适用于改建隧洞，破碎围岩等复杂地层能够高效安全的处置设计开挖轮廓线与爆破成形洞面轮廓线有较大空腔的难题适用范围广。
附图说明
图1为本发明的原有隧洞纵向实测轮廓边线与新建隧洞纵向开挖边线位置关系示意图；
图2为本发明的原有隧洞与新建隧洞端面位置关系一示意图；
图3为本发明的原有隧洞与新建隧洞端面位置关系二示意图；
图4为本发明的常规全断面爆破施工产生的实际开挖隧洞轮廓边线与设计开挖轮廓线对比示意图；
图5为本发明的同一掌子面炮孔分布示意图；
图6为本发明的同一掌子面分段爆破示意图。
图中：W-最小抵抗线；
a-周边眼、b-周边辅助眼、c-压顶崩塌眼、d-底板眼、e-设计开挖轮廓线、f-隧洞设计中心线、g-原有隧洞轮廓线、i-周边炮孔距离、j-炮孔孔间距、k-原有隧洞轮廓边线、l-新建隧洞轮廓边线、m-实际开挖隧洞轮廓边线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，用于改扩建原有隧洞，所述原有隧洞为特小断面，新建隧洞开挖断面设计采用城门洞型；包括以下步骤：
S1，对原有隧洞围岩实地踏勘排查，确认围岩的类别分类为Ⅳ或Ⅴ。围岩多岩体垂直裂隙较发育，岩溶较发育，局部岩体破碎，本身裂隙发育。加之原有隧洞修建时爆破药量控制差，加剧围岩进一步破碎。如图1所示，原有隧洞轮廓边线k布置随意，与设计的新建隧洞轮廓边线l位置偏差严重，原有洞身轴线位置很随意，几乎没有直线，基本属于原有洞挖爆破施工到哪里，隧洞轴线就在那里的情况，在施工的过程中，由于原有围岩已被扰动，常规爆破施工后，开挖轮廓线周围掉块严重，洞内超挖严重，直接导致洞内初期支护喷锚严重超出设计量(能达到原设计的百分之400～500)。设计开挖轮廓线与爆破后的成形洞面轮廓距离最小的都在80～100cm，局部甚至达3～6米。严重影响隧洞施工安全和后期使用功能，加之地质条件复杂，有夹泥层、岩溶发育、破碎围岩等不良地质体存在，一旦在开挖初支过程中再次发生震动，后果不堪设想，给施工带来了极大安全隐患。
S2，针对现有围岩现存状态进行超前加固，具体是在爆破前对边墙预先注浆加固，对掌子面原有洞内破碎围岩增设超前小管棚或锚杆并注浆固结，使开挖掌子面围岩状破碎状态得到改善，形成一个整体，最后及时施做初期支护。确认围岩类别为Ⅴ类时，需在开挖隧道内设置钢榀支撑作初期支护。爆破前增设超前支护。
S3，对开挖不同围岩掌子面进行分类爆破、同一掌子面分段爆破。
进一步地，步骤S3中的分段爆破方法为，首先爆破开挖原有隧洞洞顶部分，然后爆破开挖侧墙及仰拱。或者先爆破侧墙位置，然后起爆拱顶位置。
施工过程中，原有隧洞与新建隧洞横断面典型位置关系如图2和3所示，轴线不重合，不平行，且设计开挖轮廓线e与原有隧洞轮廓线g位置关系具有多种状态，如果采用常规全断面爆破施工，会产生如图4所示的作业效果，实际开挖隧洞轮廓边线m远大于设置设计开挖轮廓线e，且开挖轮廓线周围掉块严重，洞内超挖严重，直接导致洞内初期支护喷锚严重超出设计量(能达到原设计的百分之400～500)。设计开挖轮廓线与爆破后的成形洞面轮廓距离最小的都在80～100cm，局部甚至达3～6米。严重影响隧洞施工安全和后期使用功能。
本发明的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅳ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞顶部轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，深度为1-2米，周边炮孔距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为40～64cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为1-2米，周边炮孔距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为40～64cm。
如果，经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅴ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，炮孔深度为1-1.5米，周边眼距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为60cm～80cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，周边眼距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为60cm～80cm。
上述Ⅳ围岩和Ⅴ类围岩爆破方案的炮孔布置分布如图5所述，包括周边眼a、周边辅助眼b、压顶崩塌眼c和底板眼d。
为提升爆破开挖效果，按图6所示的时序进行爆破。第一次爆破时，分三个阶段延时起爆，按炮孔分布位置，首先起爆压顶崩塌眼c部分，一次延时起爆周边辅助眼b部分，二次延时起爆周边眼a，从内向外辐射地分次延时起爆；第二次爆破时，分两个阶段延时起爆，首先起爆包括周边辅助眼b和底板眼d在内的隧洞设计中心线f右侧部分，然后一次延时起爆隧洞设计中心线f左侧部分，以隧洞设计中心线为分左右不同时地延时起爆。
进一步地，炮孔孔径为4cm。在实际作业过程，依据上述方案通过设定不同参数进行爆破作业，并从中选取最好效果的方案参数进行爆破开挖。如下，
第一类针对改建隧洞Ⅳ类围岩：
第一组：Ⅳ类围岩采用分段爆破，首先爆破原有隧洞顶部轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分炮孔深度为1米。周边眼距离A控制在50cm～60cm，现场实际操作取50cm；最小抵抗线W按15～20倍孔径计算即为60cm～80cm，现场实际操作取60cm；炮孔孔间距按炮孔孔径10～16倍计算即为40cm～64cm，现场实际操作取50cm。然后再爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为1米，炮孔参数同上。
第二组：Ⅳ类围岩采用分段爆破，首先爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分炮孔深度为1.5米。周边眼距离控制在50cm～60cm，现场实际操作取55cm；最小抵抗线按15～20倍孔径计算即为60cm～80cm，现场实际操作取70cm；炮孔孔间距按炮孔孔径10～16倍计算即为40cm～64cm，现场实际操作取55cm。然后再爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为1.5米，炮孔参数同上。
第三组：Ⅳ类围岩采用分段爆破，首先爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分炮孔深度h为2米。周边眼距离控制在50cm～60cm，现场实际操作取60cm；最小抵抗线按15～20倍孔径计算即为60cm～80cm，现场实际操作取80cm；炮孔孔间距按炮孔孔径10～16倍计算即为40cm～64cm，现场实际操作取64cm。然后再爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，炮孔参数同上。
通常为第一组实验参数作业效果最佳，并作为改建隧洞Ⅳ类围岩分段爆破开挖依据。
第二类针对改建隧洞Ⅴ类围岩：
第一组：由于Ⅴ类围岩初期支护设计有钢榀支撑，间距1米，因此炮孔深度至少为1米。采用分段爆破，首先爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分炮孔深度为1米。周边眼距离控制在50cm～60cm，现场实际操作取50cm；最小抵抗线按15～20倍孔径计算即为60cm～80cm，现场实际操作取60cm；炮孔孔间距按炮孔孔径10～16倍计算即为40cm～64cm，现场实际操作取40cm。然后再爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，炮孔参数同上。
第二组：首先爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分炮孔深度为1.5米。周边眼距离控制在50cm～60cm，现场实际操作取60cm；最小抵抗线按15～20倍孔径计算即为60cm～80cm，现场实际操作取80cm；炮孔孔间距按炮孔孔径10～16倍计算即为40cm～64cm，现场实际操作取64cm；然后再爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，炮孔参数同上。
通常为第一组实验参数作业效果最佳，并作为改建隧洞Ⅳ类围岩分段爆破开挖依据。
装药量按如下计算:
装药量Q＝q*A*h*W
Q装药量(kg)
A炮孔间距(m)
h炮孔深度(m)
q炸药单位消耗量(kg/m3)
W光面爆破最小抵抗线(m)
经验数据法，光面爆破装药量主要依据经验数值如下表所示
隧洞光面爆破参数参考表 表8-57
本发明方案还具有如下优势，隧洞石方段开挖均采用掌子面分段爆破开挖，光面爆破施工技术，利用原有隧洞轮廓为临空面方式。采用光面爆破有效控制超欠挖和减少振动对岩体的扰动。根据围岩情况合理选择爆破参数，把爆破作业对周边环境及洞室围岩、初期支护的扰动减小到最小程度，实现光面控制爆破，有力推进洞挖质量。炮孔布置以方便提高机械钻孔效率；提高炸药能量利用率、降低炸药用量；减少对围岩的扰动；控制开挖轮廓尺寸为原则。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，用于改扩建原有隧洞，开挖断面设计采用城门洞型；包括以下步骤：
S1，对原有隧洞围岩实地踏勘排查，实际掌握围岩现存状态，确认围岩的类别分类；
S2，针对现有围岩现存状态进行超前加固；
S3，对开挖不同围岩掌子面进行分类爆破、同一掌子面分段爆破。
2.根据权利要求1所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，步骤S3中的分段爆破方法为，首先爆破开挖原有隧洞洞顶部分，然后爆破开挖侧墙及仰拱。
3.根据权利要求1所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，步骤S3中的分段爆破方法为，先爆破侧墙位置，然后起爆拱顶位置。
4.根据权利要求1所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，所述步骤S2中，在爆破前对边墙预先注浆加固。
5.根据权利要求2或3所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅳ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞顶部轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，深度为1-2米，周边炮孔距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为40～64cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为1-2米，其余炮孔参数同上。
6.根据权利要求2或3所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，经步骤S1确认围岩的类别分类为Ⅴ，步骤S3的分段爆破方法为分2次爆破的方式分段爆破；
第一次爆破，爆破原有隧洞轮廓线以上至设计开挖轮廓线以下的部分，炮孔孔径为4-5cm，炮孔深度为1-1.5米，周边眼距离控制在50cm～60cm，最小抵抗线为60cm～80cm，炮孔孔间距为60cm～80cm；
第二次爆破，爆破原有隧洞底部轮廓线以下至设计开挖轮廓线以上的部分，炮孔深度为2米，其余炮孔参数同上。
7.根据权利要求5或6所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，第一次爆破时，按炮孔分布，从内向外辐射地分次延时起爆；第二次爆破时，以隧洞设计中心线为分左右不同时地延时起爆。
8.根据权利要求5或6所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，炮孔孔径为4cm。
9.根据权利要求1所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，步骤S1中确认围岩类别为Ⅴ类时，需在开挖隧道内设置钢榀支撑作初期支护。
10.根据权利要求1所述的喀斯特地貌水利特小断面改扩建隧洞分段爆破洞挖施工工法，其特征在于，爆破前增设超前支护。
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