CN113865454B - 一种隧道掏槽孔混合起爆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掏槽孔混合起爆方法，包括以下步骤，S1，根据掌子面尺寸和围岩条件确定隧道掏槽孔的掏槽形式和对数；S2，根据爆破设计要求，在掌子面上钻设隧道掏槽孔；S3，检查成孔质量，采用充填钻孔岩屑的方法确保所有炮孔孔底在同一设计深度；S4，依次向每对隧道掏槽孔内分别装填炸药，向每对隧道掏槽孔中的一个孔内安装正向起爆雷管并置于距装药段顶部1/4～1/3长度处，向同对隧道掏槽孔中另外一个孔内安装反向起爆雷管并置于距装药段底部1/4～1/3长度处，装药完成后，采用钻孔岩屑完成堵塞；S5，将各孔内的起爆雷管的脚线联入起爆网络，完成起爆。本发明通过设置邻孔反向传爆的方式，较之传统的单向起爆提高了能量的利用率和隧道掘进效率。

Description

一种隧道掏槽孔混合起爆方法

技术领域

本发明涉及隧道钻孔爆破开挖技术领域，具体是一种隧道掏槽孔混合起爆方法。

背景技术

在隧道施工中，常见的工法有机械挖掘和钻爆法两种，但机械挖掘对岩石普氏系数大于7的隧道存在较多的问题，所以钻爆法在隧道修建中仍占主导地位。隧道钻爆施工时，其掘进速率主要受掏槽效果影响。已有的提高隧道掏槽效率的方法，主要集中在隧道掏槽方式及布孔方式的改进、隧道掏槽参数的优化等方面，如在直眼掏槽中增加空孔，通过增加临空面的方式增大槽腔岩石碎胀空间，提高掏槽效率；在掌子面宽度和孔深适合的条件下选用斜眼掏槽方式增大槽腔形成体积，提高破岩效率；通过不断优化掏槽角、单孔药量、延迟时间等掏槽参数来增加隧道掏槽进尺。

隧道掏槽孔内多充填柱状药包(延长药包)，孔内炸药经雷管引爆后，雷管的位置决定爆轰波的传播方向，也会影响爆炸能量的传输，进而影响隧道掏槽效率。

对于柱状药包的爆轰，基于一维流动爆轰模型(见附图2)，可知最终分配到起爆雷管两侧的爆轰能量为：

式中，Ea、Eb分别指代传输至起爆雷管左右两侧的能量，ρ为炸药密度，D为炸药爆轰速度，S为柱状药包的横截面积，a、b分别为起爆雷管左右两侧药包的长度，l为装药段总长度。

若将起爆雷管置于药包左端(a＝0)，爆轰反应发生后，则有：

由以上两式可知，起爆雷管位置对柱状药包爆炸能量传输的调控作用不容忽视，在药包左端引爆的情况下，传输至药包右侧的能量约为左侧能量的1.45倍，即爆炸能量偏向于爆轰波传播的正向传输。

目前，掏槽孔爆破主要有正向、反向、中点三种起爆方式。

正向起爆有助于破碎孔底部位岩体，消除爆破根底，但其在孔口部位产生的大块岩石不利于后续的铲装运输，增加了二次处理的成本，如附图3所示，若将起爆雷管置于隧道掏槽孔装药段顶部(即正向起爆)，爆轰波向孔底传播，结合图4，其爆炸能量偏向于孔底传输，其破碎轮廓呈倒漏斗形，虽加强了孔底岩体的破碎，减弱或消除了爆破根底，但其在掌子面附近产生的碎岩大块率较高，需二次处理，不利于成本控制；

反向起爆能解决孔口大块岩石的问题，但其不能消除爆破根底，过多的根底会阻滞后一掌子面的形成，影响后续掏槽爆破效果，并大大降低施工的效率，如附图5所示，若将起爆雷管置于掏槽孔装药段底部(即反向引爆)，爆轰波向掌子面传播，结合图6，其爆炸能量偏向于孔口传输，其破碎轮廓表现为正漏斗形分布，虽降低了孔口碎岩大块率，且保证较理想的破碎及抛掷效果，但形成了明显的爆破根底，不利于下一掌子面的推出，迟滞了隧道掘进进度；

中点起爆虽能降低孔口岩石大块率和消除孔底爆破根底，但对中部岩体的破碎并不充分，如附图7所示，若将起爆雷管置于掏槽孔装药段中部(即中点引爆)，爆轰波从中点激发，同时传向掌子面与孔底方向，结合图8，其爆炸能量也优先分配至掌子面与孔底部位，此时，掏槽轮廓形状接近于双曲线，虽有利于孔口及孔底部位岩体破碎，但对炮孔中部岩体的破碎有明显不足。

由此可见，传统的三种起爆方式各有利弊，故寻求一种能均匀破碎岩体，提高隧道掘进效率的装药结构或起爆方式是目前隧道钻爆施工领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道掏槽孔混合起爆方法，以解决上述背景技术的问题。

本发明技术方案是：一种隧道掏槽孔混合起爆方法，包括以下步骤：

S1，根据掌子面尺寸和围岩条件确定隧道掏槽孔的掏槽形式和隧道掏槽孔的对数；

S2，根据爆破设计的要求，在掌子面上钻设隧道掏槽孔至设计深度，并预留20～30cm的超钻；

S3，检查隧道掏槽孔的成孔质量，并采用充填钻孔岩屑的方法确保所有隧道掏槽孔孔底在同一设计深度；

S4，依次向每对隧道掏槽孔内分别装填炸药，向每对隧道掏槽孔中的一个孔内安装正向起爆雷管，并置于距装药段顶部1/4～1/3长度处，向同对隧道掏槽孔中另外一个孔内安装反向起爆雷管，并置于距装药段底部1/4～1/3长度处，装药完成后，采用钻孔岩屑完成堵塞；

S5，将各孔内的正向起爆雷管以及反向起爆雷管的雷管脚线按设计要求联入起爆网络，完成起爆。

进一步地，所述隧道掏槽孔的形式包括楔形掏槽或中空孔直眼掏槽。

进一步地，所述楔形掏槽中的隧道掏槽孔的数量至少为2对，且上下平行分布，楔形掏槽中的隧道掏槽孔的直径d₁为40～50cm，楔形掏槽中的掏槽角θ为60°～80°，楔形掏槽中单个隧道掏槽孔的堵塞长度l₀＝(0.15～0.3)l₁，l₁为楔形掏槽中隧道掏槽孔的长度，且堵塞长度l₀大于等于40cm，楔形掏槽中的同对隧道掏槽孔的孔距l_a小于3m，楔形掏槽中的上下相邻两对隧道掏槽孔的间距l_b为40～90cm。

进一步地，所述中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔有偶数个，且以中空孔为中心均布环绕设置在中空孔的外侧，中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔的直径d₂为40～50mm，中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔的堵塞长度l₂＝(0.15～0.3)l₃，l₃为中空孔直眼掏槽中隧道掏槽孔的长度，且堵塞长度l₂大于等于40cm。

更进一步地，所述中空孔直眼掏槽采用小直径中空直眼掏槽时，小直径中空孔的直径d₃和中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔的直径d₂相等，小直径中空孔与相邻的隧道掏槽孔之间的孔距l_c为20～30cm。

更进一步地，所述中空孔直眼掏槽采用大直径中空直眼掏槽时，大直径中空孔的直径d₄为75～120mm，大直径中空孔与相邻的隧道掏槽孔之间的孔距l_d＝1.2×d₄。

进一步地，所述S5爆破完成后还需对其爆破效果进行检查，其步骤为

步骤一，观察隧道掏槽孔孔口岩体破碎形态并统计隧道掏槽孔孔口碎岩大块率；

步骤二、对隧道掏槽孔进行清渣；

步骤三、清渣完成后，测定隧道掏槽孔形成的槽腔体积和爆破根底率，并记录相关数据用作评价指标，以分析根底控制的效果。

更进一步地，所述反向起爆雷管与正向起爆雷管的段别相同，且所有的反向起爆雷管与正向起爆雷管的雷管脚线合为一股，共同接入爆破网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中通过正向起爆和反向起爆在隧道掏槽孔的孔口或孔底处产生的双重能量破碎岩体，较之传统的单向起爆提高了能量的利用率，还加剧了孔中部岩体的破碎程度，使掏槽孔爆破形成的槽腔更加规整，提高了隧道掘进效率。

2、本发明中相邻孔反向起爆产生的向相反方向传播的爆轰波之间会形成挤压剪切作用，可用于破碎炮孔中间部位岩石。

3、本发明中仅基于单个隧道掏槽孔内起爆雷管位置的调整，即可实现对爆炸能量的优化利用，操作简单、不增加额外费用。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为柱状药包爆轰反应一维流动模型示意图；

图3为传统的正向起爆方式下，相对应的破碎槽腔轮廓示意图；

图4为图3中传统的正向起爆方式下，爆炸能量沿炮孔轴向的分布示意图；

图5为传统的反向起爆方式下，相对应的破碎槽腔轮廓示意图；

图6为图5中传统的反向起爆方式下，爆炸能量沿炮孔轴向的分布示意图；

图7为传统的中点起爆方式下，相对应的破碎轮廓示意图；

图8为图7中传统的中点起爆方式下，爆炸能量沿炮孔轴向的分布示意图；

图9为本发明中楔形掏槽平面布置示意图；

图10为图9中I-I截面的剖面图；

图11为本发明中楔形掏槽混合起爆方式下的波阵面分布示意图；

图12为本发明中楔形掏槽混合起爆方式下的破碎槽腔轮廓图；

图13为本发明中小直径中空直眼掏槽平面布置示意图；

图14为图13中II-II截面的剖面图；

图15为本发明中小直径中空直眼掏槽时混合起爆下的波阵面分布示意图；

图16为本发明中大直径中空直眼掏槽平面布置示意图；

图17为本发明中的中空直眼混合起爆方式下的破碎槽腔轮廓图。

附图标记说明：

1、雷管脚线；2、堵塞段；3、装药段；4、起爆雷管；41、正向起爆雷管；42、反向起爆雷管；5、爆轰波传播方向；6、波阵面；7、槽腔轮廓；8、隧道掏槽孔；9、刚性壁；10、掌子面；11、挤压剪切区；12、小直径中空孔；13、大直径中空孔。

具体实施方式

下面结合附图1到17，对本发明的具体实施方式进行详细描述。在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例

本发明提供一种隧道掏槽孔混合起爆方法，包括以下步骤：

S1，根据掌子面10尺寸和围岩条件确定隧道掏槽孔8的掏槽形式和隧道掏槽孔8的对数；

S2，根据爆破设计的要求，在掌子面10上钻设隧道掏槽孔8至设计深度，并预留20～30cm的超钻；

S3，检查隧道掏槽孔8的成孔质量，并采用充填钻孔岩屑的方法确保所有隧道掏槽孔8孔底在同一设计深度；

S4，依次向每对隧道掏槽孔8内分别装填炸药，向每对隧道掏槽孔8中的一个孔内安装正向起爆雷管41，并置于距装药段3顶部1/4～1/3长度处，向同对隧道掏槽孔8中另外一个孔内安装反向起爆雷管42，并置于距装药段3底部1/4～1/3长度处，装药完成后，采用钻孔岩屑完成堵塞；

S5，将各孔内的正向起爆雷管41以及反向起爆雷管42的雷管脚线1按设计要求联入起爆网络，完成起爆。

上述S2中，20～30cm的超钻是为步骤2中的孔底找平预留一定的填渣裕度。

上述S3中，确保所有隧道掏槽孔8孔底在同一设计深度的操作是为推出相对平整的下一爆破工作面。

上述S4中，向隧道掏槽孔8内装填炸药的具体操作为，以竹片为介质，将药卷长为1.60m的成品药卷与起爆雷管按照预定位置捆扎在竹片上，放入隧道掏槽孔8内。

具体地，所述隧道掏槽孔8的掏槽形式包括楔形掏槽或直眼掏槽。

作为一种可选的实施方案，如图9到图11所示，所述楔形掏槽中的隧道掏槽孔8的数量至少为2对，且上下平行分布，楔形掏槽中的隧道掏槽孔8的直径d₁为40～50cm，楔形掏槽中的掏槽角θ为60°～80°，楔形掏槽中单个隧道掏槽孔8的堵塞长度l₀＝(0.15～0.3)l₁，l₁为楔形掏槽中隧道掏槽孔8的长度，且堵塞长度l₀大于等于40cm，楔形掏槽中的同对隧道掏槽孔8的孔距l_a小于3m，楔形掏槽中的上下相邻两对隧道掏槽孔8的间距l_b为40～90cm。

在具体实施时，以某公路隧道修建过程为例，结合掌子面尺寸和围岩条件，主要采用单阶楔形掏槽的方式开展爆破开挖。设计掏槽循环进尺h＝2.0m，3对掏槽眼，楔形掏槽中的隧道掏槽孔8的直径d₁为42mm，掏槽角θ＝75°，同对隧道掏槽孔8的孔距l_a＝1.4m，上下相邻两对隧道掏槽孔8的间距l_b＝50cm，堵塞长度l₀＝40cm，所采用的炸药为2#岩石乳化炸药(成品药卷)，参照图9和图10。

作为另一种可选的实施方案，如图13到图16所示，所述中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔8有偶数个，且以中空孔为中心均布环绕设置在中空孔的外侧，中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔的直径d₂为40～50mm，中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔8的堵塞长度l₂＝(0.15～0.3)l₃，l₃为中空孔直眼掏槽中隧道掏槽孔8的长度，且堵塞长度l₂大于等于40cm。

其中，如图13所示，所述中空孔直眼掏槽采用小直径中空直眼掏槽时，小直径中空孔12的直径d₃和中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔8的直径d₂相等，小直径中空孔12与相邻的隧道掏槽孔8之间的孔距l_c为20～30cm。

在具体实施时，以某公路隧道修建过程为例，结合掌子面尺寸和围岩条件，采用小直径中空直眼掏槽的方式开展爆破开挖。设计掏槽循环进尺h＝1.8m，四个隧道掏槽孔8，一个小直径中空孔12，四个隧道掏槽孔8呈十字型环绕设置在小直径中空孔12的外侧，隧道掏槽孔8的直径d₂与小直径中空孔12的直径d₃均为42mm，堵塞长度l₂＝40cm，小直径中空孔12与相邻的隧道掏槽孔8之间的孔距l_c取30cm，所采用的炸药为2#岩石乳化炸药(成品药卷)，参照图13。

其中，如图16所示，所述中空孔直眼掏槽采用大直径中空直眼掏槽时，大直径中空孔13的直径d₄为75～120mm，大直径中空孔13与相邻的隧道掏槽孔8之间的孔距l_d＝1.2×d₄。

在具体实施时，以某公路隧道修建过程为例，结合掌子面尺寸和围岩条件，主要采用大直径中空直眼掏槽的方式开展爆破开挖。设计掏槽循环进尺h＝1.8m，四个隧道掏槽孔8，一个大直径中空孔13，四个隧道掏槽孔8呈十字型环绕设置在大直径中空孔13的外侧，隧道掏槽孔8的直径d₂为42mm，堵塞长度l₂＝40cm，大直径中空孔13的直径d₄为100mm。大直径中空孔13与相邻的隧道掏槽孔8之间的孔距l_d取12cm，所采用的炸药为2#岩石乳化炸药(成品药卷)，参照图16。

综上，参照图11和图15所示，在隧道掏槽孔爆破中，相邻炮孔中起爆雷管布设位置不同，若一孔中起爆雷管布设于装药段底部(反向起爆)，则相邻孔中起爆雷管应安放于装药段顶部(正向起爆)，基于起爆位置对炸药爆炸能量的传输调控作用，本发明可有利于解决传统三种起爆方式产生的弊端，本发明中楔形掏槽的混合起爆方式下产生的破碎槽腔轮廓如图12所示，中空直眼混合起爆方式下的破碎槽腔轮廓如图17所示，较之传统的单向起爆提高了能量的利用率，加剧了孔中部岩体的破碎程度，使隧道掏槽爆破产生的槽腔更加规整，改良隧道掏槽效果，提高隧道掘进效率，此外，相邻孔反向混合起爆产生的向相反方向传播的爆轰波之间会形成挤压剪切作用，可用于破碎炮孔中间部位岩石。

优选地，为了能够对S5爆破完成后的爆破效果进行检查，检查步骤步骤为

步骤一，观察隧道掏槽孔8孔口岩体破碎形态并统计隧道掏槽孔8孔口碎岩大块率；

步骤二、对隧道掏槽孔8进行清渣；

步骤三、清渣完成后，测定隧道掏槽孔8形成的槽腔体积和爆破根底率，并记录相关数据用作评价指标，以分析根底控制的效果。

其中，大块率指粒径超过某一限定粒径的碎岩质量占总碎岩质量的百分比，其中限定粒径根据实际工程选取。

优选地，为了方便同时引爆，所述反向起爆雷管42与正向起爆雷管41的段别相同，且所有的反向起爆雷管42与正向起爆雷管41的雷管脚线1合为一股，共同接入爆破网络。

以上公开的仅为本发明的较佳地几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种隧道掏槽孔混合起爆方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据掌子面(10)尺寸和围岩条件确定隧道掏槽孔(8)的掏槽形式和对数，所述隧道掏槽孔(8)的掏槽形式包括楔形掏槽或中空孔直眼掏槽，所述楔形掏槽中的隧道掏槽孔(8)的数量至少为2对，且上下平行分布，楔形掏槽中的隧道掏槽孔(8)的直径d₁为40～50cm，楔形掏槽中的掏槽角θ为60°～80°，楔形掏槽中单个隧道掏槽孔(8)的堵塞长度l₀＝(0.15～0.3)l₁，l₁为楔形掏槽中隧道掏槽孔(8)的长度，且堵塞长度l₀大于等于40cm，楔形掏槽中的同对隧道掏槽孔(8)的孔距l_a小于3m，楔形掏槽中的上下相邻两对隧道掏槽孔(8)的间距l_b为40～90cm，所述中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔(8)有偶数个，且以中空孔为中心均布环绕设置在中空孔的外侧，中空孔直眼掏槽中的隧道掏槽孔(8)的直径d₂为40～50mm，中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔(8)的堵塞长度l₂＝(0.15～0.3)l₃，l₃为中空孔直眼掏槽中隧道掏槽孔(8)的长度，且堵塞长度l₂大于等于40cm；

S2，根据爆破设计的要求，在掌子面(10)上钻设隧道掏槽孔(8)至设计深度，并预留20～30cm的超钻；

S3，检查隧道掏槽孔(8)的成孔质量，并采用充填钻孔岩屑的方法确保所有隧道掏槽孔(8)孔底在同一设计深度；

S4，依次向每对隧道掏槽孔(8)内分别装填炸药，向每对隧道掏槽孔(8)中的一个孔内安装正向起爆雷管(41)，并置于距装药段(3)顶部1/4～1/3长度处，向同对隧道掏槽孔(8)中另外一个孔内安装反向起爆雷管(42)，并置于距装药段(3)底部1/4～1/3长度处，装药完成后，采用钻孔岩屑完成堵塞，相邻孔反向混合起爆产生的向相反方向传播的爆轰波之间会形成挤压剪切作用，用于破碎炮孔中间部位岩石，较之传统的单向起爆提高了能量的利用率，加剧了孔中部岩体的破碎程度，使隧道掏槽爆破产生的槽腔更加规整，改良隧道掏槽效果，提高隧道掘进效率；

S5，将各孔内的正向起爆雷管(41)以及反向起爆雷管(42)的雷管脚线(1)按设计要求联入起爆网络，所述反向起爆雷管(42)与正向起爆雷管(41)的段别相同，且所有的反向起爆雷管(42)与正向起爆雷管(41)的雷管脚线(1)合为一股，共同接入爆破网络，完成起爆。

2.根据权利要求1所述的一种隧道掏槽孔混合起爆方法，其特征在于，所述中空孔直眼掏槽采用小直径中空直眼掏槽时，小直径中空孔(12)的直径d₃和中空孔直眼掏槽中的单个隧道掏槽孔(8)的直径d₂相等，小直径中空孔(12)与相邻的隧道掏槽孔(8)之间的孔距l_c为20～30cm。

3.根据权利要求1所述的一种隧道掏槽孔混合起爆方法，其特征在于，所述中空孔直眼掏槽采用大直径中空直眼掏槽时，大直径中空孔(13)的直径d₄为75～120mm，大直径中空孔(13)与相邻的隧道掏槽孔(8)之间的孔距l_d＝1.2×d₄。

4.根据权利要求1所述的一种隧道掏槽孔混合起爆方法，其特征在于，所述S5爆破完成后还需对其爆破效果进行检查，其步骤为

步骤一，观察隧道掏槽孔(8)孔口岩体破碎形态并统计隧道掏槽孔(8)孔口碎岩大块率；

步骤二、对隧道掏槽孔(8)进行清渣；

步骤三、清渣完成后，测定隧道掏槽孔(8)形成的槽腔体积和爆破根底率，并记录相关数据用作评价指标，以分析根底控制的效果。