CN115420158B - 一种盾构隧道快速爆破预致裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，包括：获取盾构隧道掌子面大小和地质条件参数；基于盾构隧道掌子面大小与地质条件参数计算所需球形空腔的直径与深度；在盾构隧道掌子面的中心进行钻孔形成一个水平炮孔，对水平炮孔的底部进行药壶扩胀，达到所需球形空腔大小；对球形空腔和水平炮孔按设计进行炸药和炮泥填塞，然后进行起爆，实现盾构隧道快速爆破预致裂。本发明钻孔少，只需要在掌子面中心处水平进行一次钻孔；工序简单；对水平炮孔进行药壶扩胀，在尾端形成球形空腔。预致裂均匀；预致裂爆破时球形药包在隧道掘进路线中心处爆炸，按照设计要求，在盾构设计断面前方形成预致裂区域；适用性广，预致裂迅速，可以加快施工进度。

Description

一种盾构隧道快速爆破预致裂方法

技术领域

本发明属于工程爆破技术领域，具体为一种盾构隧道硬岩路段辅助开挖方法，特别是涉及一种盾构隧道快速爆破预致裂方法。

背景技术

随着我国城市化的不断推广，由于地面空间资源有限，已经不能满足人类生活空间需求，拥堵的地面交通迫切需要地下交通帮助缓解交通压力。所以城市地下交通修建在各个大型城市中正如火如荼的展开，并以隧道的形式穿梭在城市之中，形成城市的交通脉络。然而城市地铁、城际铁路等地下交通一般都是穿梭在城市人口密集区域，周围环境复杂，考虑到施工对城市交通、周边临近建(构)筑物的影响。结合城市地质条件，当地质条件较好时，多采用深埋，以达到选线自由和降低对周边环境的影响。因此盾构法就被广泛应用于城市地铁隧道的施工中。

然而盾构法在施工过程中会遇到一些复杂地质环境如上软下硬、全断面中、微风化岩石、坚硬孤石等，这些意外情况往往会阻碍盾构机的正常通行，影响盾构法施工效率。具体体现在：盾构机刀盘磨损严重，掘进缓慢，频繁换刀及带压进仓作业将会带来成本的增加，经济、时间效益的降低。

处理盾构隧道遇上软下硬、全断面中、微风化岩石、坚硬孤石等地质情况，目前常用的办法有：开舱人工破岩、开挖取石、冲击锤破碎或地面垂直钻孔爆破等破岩方式。但是开舱人工破岩、开挖取石、冲击锤破碎等方法面临着带压进仓作业的风险和进度较慢、成本增高、工期延长。对于地面垂直钻孔爆破等方法，又受地面城市复杂环境的影响，且一般爆破振动大，爆破危害对周围建(构)筑物影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，以解决基于盾构法掘进遇坚硬岩石时，盾构机掘进速度缓慢，刀盘磨损严重，以往处理方法的高风险，高成本，低效率，以及地面钻孔爆破的高爆破振动等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，包括：

获取盾构隧道掌子面大小；获取地质条件参数；

基于所述盾构隧道掌子面大小与所述地质条件参数计算所需球形空腔的直径与深度；

在盾构隧道掌子面的中心处进行隧道钻孔形成水平炮孔，基于球形空腔的直径与深度对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀，得到球形空腔；

对球形空腔和水平炮孔进行填塞，填塞完毕后进行起爆，实现盾构隧道快速爆破预致裂。

可选的，隧道钻孔沿水平方向进行，所述水平炮孔的深度大于盾构隧道掌子面半径的一半。

可选的，基于“少药多爆”原则对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀。

可选的，对球形空腔和水平炮孔进行填塞的过程包括：所述球形空腔采用炸药填塞，所述炸药的装药半径与球形空腔的半径相等，球形空腔与水平炮孔的连接处填塞适量炸药，水平炮孔其余部分直至孔口采用炮泥进行堵塞。

可选的，球形空腔的直径基于所述掌子面大小、炸药的性质、岩石数据，剪切变形变化率、内摩擦角计算获得，其中，炸药的性质包括炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力；岩石数据包括岩石的单轴拉伸强度、岩石的单轴抗压强度、岩石的剪切模量。

可选的，球形空腔内的炸药采用数码电子雷管起爆，数码电子雷管安装于球形药包中心。

可选的，基于水平炮孔的深度、岩石地质条件、球形空腔内的炸药量、炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力，计算获得球形空腔与水平炮孔连接处的炸药量。

本发明的技术效果为：

(1)钻孔少：只需要在掌子面中心处水平进行一次钻孔。

(2)工序简单：对水平炮孔尾端进行装药实现药壶扩胀，在尾端形成球形空腔。

(3预致裂均匀：预致裂爆破时球形药包在隧道掘进路线中心处爆炸，按照设计要求，在盾构设计断面前方形成预致裂区域，使盾构机安全高效通过。

(4)预致裂迅速：施工简单只需钻一个水平炮孔，然后对水平炮孔进行装药药壶扩胀形成球形空腔，总体施工迅速，可以实现盾构隧道的快速爆破预致裂，解决盾构隧道遇到硬岩路段时的掘进速度缓慢，刀盘磨损严重等问题，加快施工进度。

(5)适用性广泛：对于盾构隧道在掘进过程中与硬岩或坚硬孤石等坚硬地质条件都适用，可以很好地解决盾构隧道遇到硬岩路段时的掘进速度缓慢，刀盘磨损严重等问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的水平炮孔侧视图；

图2为本发明实施例中的预致裂爆破装药示意图；

图3为本发明实施例中的预致裂爆破装药示意图详图；

图4为本发明实施例中的掌子面钻孔示意图；

图5为本发明实施例中的方法流程示意图；

附图说明：1-盾构隧道掌子面；2-水平炮孔；3-球形空腔；4-炸药；5-数码电子雷管；6-雷管脚线；7-炮泥。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1-4所示，本实施例中提供一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，包括：

由钱七虎的爆破裂隙区半径理论可知，一般裂隙区半径可达炮孔直径的80～120倍，为保证致裂效果，据裂隙区半径可根据地质条件参数代入公式近似求解，按照掌子面大小设计所需球形空腔直径大小、深度；

本方法在盾构法隧道掌子面的中心处进行钻孔形成一个水平炮孔，水平孔深度必须大于盾构隧道掌子面半径的一半，再利用药壶扩胀对水平孔底进行扩孔，形成球形空腔；

在球形空腔内装药，使药包填满球形空腔，形成球形药包；

球形空腔内的炸药采用数码电子雷管起爆；

由于隧道掘进路线临近掌子面区域爆破有效应力作用小，为使临近掌子面边缘位置岩石顺利致裂，在球形空腔和水平炮孔相接处装填少量炸药，在炸药爆炸时与球形药包产生的应力波共同作用；球形药包在爆破之后产生的致裂范围是球形区域，导致盾构隧道掘进路线靠近掌子面的边缘区域致裂效果不佳。炸药量基于水平炮孔的深度、岩石的地质条件、所采用的炸药的性质和已经装填的球形药包炸药量得到，产生裂隙的要求是炸药爆炸时传播到盾构掘进路线掌子面边缘的应力波大于岩石的抗拉承载力，以此来计算水平炮孔中需要装填的炸药量。

对水平炮孔其余部分直至孔口位置填塞炮泥进行堵塞；

按设计要求进行起爆，一次爆破即可使盾构机前方硬岩快速均匀致裂。

球形空腔的直径基于所述掌子面大小、炸药性质、岩石数据，剪切变形变化率、内摩擦角计算获得，其中炸药的性质包括炸药的装药密度、炸药的爆速和冲击波初始压力；岩石数据包括岩石的单轴拉伸强度、岩石的单轴抗压强度、岩石的剪切模量。

球形空腔内全部装药的情况下爆破裂隙区半径范围应该达到掌子面设计要求，根据实际工程隧道岩石地质条件，可以实现装药爆破后使设计断面全断面致裂的效果。

裂隙区半径可根据公式求得，

式中：P_d为透射入岩石的冲击波初始压力；

ρ₀、ρ_m分别为炸药的装药密度和岩石的密度；

C_P、D分别为岩石中的声速和炸药的爆速；

γ为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般γ＝3。

式中：σ_r、σ_θ分别为径向、切向应力。

为对比距离，r_i计算点到装药中心的距离，r_b为炮孔半径。

α为压力衰减系数，对于冲击波区α≈3或α＝2+μ/(1-μ)，应力波区α＝2-μ/(1-μ)，μ＝0.8μ₀，μ₀为静态泊松比。

岩石的有效应力σ_i公式如下：

根据岩石Mises强度准则，如果σ_i≥σ_td，则为裂隙区。

由式(1)、(2)、(3)，并使σ_i满足σ_i≥σ_td，可得到裂隙区半径为

式中：β为衰减指数，β＝2-μ/(1-μ)

A＝[(1+λ)²+(1+λ²)-2μ(1-μ)(1-λ)²]^1/2

σ_cd、σ_td分别为岩石的单轴动态抗压强度和单轴动态抗拉强度。

由此可以反向得出球形空腔的装药半径。

水平炮孔孔径、深度，根据工程实际地质条件，掌子面大小所确定。

临近掌子面位置，受预致裂爆破影响略小，岩石不能充分产生裂纹。所以需要在球形空腔与水平炮孔相接处装填少量炸药，与球形药包产生的应力波共同作用到临近掌子面的盾构路线边缘处，使盾构路线全断面的岩石均匀致裂。

实施例二

如图5所示，本实施例中提供一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，包括：

获取盾构隧道掌子面大小；获取地质条件参数；

基于盾构隧道掌子面大小与地质条件参数计算所需球形空腔的直径与深度；

在盾构隧道掌子面的中心处进行隧道钻孔形成水平炮孔，基于计算得到的球形空腔的直径与深度对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀，得到球形空腔；

对球形空腔和水平炮孔按设计进行填塞，填塞完毕后进行起爆，实现盾构隧道快速爆破预致裂。

在一些实施例中，隧道钻孔沿水平方向进行，水平炮孔的深度大于盾构隧道掌子面半径的一半。

在一些实施例中，基于“少药多爆”原则对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀。

在一些实施例中，对球形空腔和水平炮孔按设计进行填塞的过程包括：球形空腔采用炸药填塞，炸药的装药半径与球形空腔的半径相等，球形空腔与水平炮孔的连接处填塞适量炸药，水平炮孔其余部分直至孔口采用炮泥进行堵塞。

在一些实施例中，球形空腔的直径基于掌子面大小、炸药的性质、岩石数据，剪切变形变化率、内摩擦角计算获得，其中，炸药的性质包括炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力；岩石数据包括岩石的单轴拉伸强度、岩石的单轴抗压强度、岩石的剪切模量。

在一些实施例中，球形空腔内的炸药采用数码电子雷管起爆，数码电子雷管安装于球形药包中心。

在一些实施例中，基于水平炮孔的深度、岩石地质条件、球形空腔内的炸药量、炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力，计算获得球形空腔与水平炮孔连接处的炸药量。

本实施例设计一种盾构隧道快速爆破预致裂方法。盾构法隧道掘进过程中遇到坚硬岩石地质条件时，按照隧道地质条件，掌子面大小等因素确定需要药壶扩胀的球形空腔直径大小和水平炮孔的深度，再对盾构机前方掌子面中心处钻水平炮孔，通过对水平炮孔孔底装药进行药壶扩胀使水平孔底形成球形空腔，最终实现预致裂爆破，对盾构机前方坚硬岩石实现快速爆破预致裂。

本实施例具有如下效果：

(1)钻孔少：只需要在掌子面中心处水平进行一次钻孔。

(2)工序简单：对水平炮孔尾端进行装药药壶扩胀，在尾端形成球形空腔。

(3)预致裂均匀：预致裂爆破时球形药包在隧道掘进路线中心处爆炸，按照设计要求，在盾构设计断面前方形成预致裂区域，使盾构机安全高效通过。

(4)预致裂迅速：施工简单只需钻一个水平炮孔，然后对水平炮孔进行装药药壶扩胀形成球形空腔，总体施工迅速，可以实现盾构隧道的快速爆破预致裂，解决盾构隧道遇到硬岩路段时的掘进速度缓慢，刀盘磨损严重等问题，加快施工进度。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种盾构隧道快速爆破预致裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取盾构隧道掌子面大小；获取地质条件参数；

基于所述盾构隧道掌子面大小与所述地质条件参数计算所需球形空腔的直径与深度；

在盾构隧道掌子面的中心处进行隧道钻孔形成水平炮孔，基于球形空腔的直径与深度对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀，得到球形空腔；

对球形空腔和水平炮孔进行填塞，填塞完毕后进行起爆，实现盾构隧道快速爆破预致裂；

隧道钻孔沿水平方向进行，所述水平炮孔的深度大于盾构隧道掌子面半径的一半；

基于“少药多爆”原则对水平炮孔的尾端进行药壶扩胀；

对球形空腔和水平炮孔进行填塞的过程包括：所述球形空腔采用炸药填塞，所述炸药的装药半径与球形空腔的半径相等，球形空腔与水平炮孔的连接处填塞适量炸药，水平炮孔其余部分直至孔口采用炮泥进行堵塞；

球形空腔的直径基于所述掌子面大小、炸药的性质、岩石数据，剪切变形变化率、内摩擦角计算获得，其中，炸药的性质包括炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力；岩石数据包括岩石的单轴拉伸强度、岩石的单轴抗压强度、岩石的剪切模量；

裂隙区半径可根据公式求得，

式中：P_d为透射入岩石的冲击波初始压力；

ρ₀、ρ_m分别为炸药的装药密度和岩石的密度；

C_P、D分别为岩石中的声速和炸药的爆速；

γ为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般γ＝3；

式中：σ_r、σ_θ分别为径向、切向应力；

为对比距离，r_i计算点到装药中心的距离，r_b为炮孔半径；

α为压力衰减系数，对于冲击波区α≈3或α＝2+μ/(1-μ)，应力波区α＝2-μ/(1-μ)，μ＝0.8μ₀，μ₀为静态泊松比；

岩石的有效应力σ_i公式如下：

根据岩石Mises强度准则，如果σ_i≥σ_td，则为裂隙区；

由式(1)、(2)、(3)，并使σ_i满足σ_i≥σ_td，可得到裂隙区半径为

式中：β为衰减指数，β＝2-μ/(1-μ)

A＝[(1+λ)²+(1+λ²)-2μ(1-μ)(1-λ)²]^1/2

σ_cd、σ_td分别为岩石的单轴动态抗压强度和单轴动态抗拉强度；

据此反向得出球形空腔的装药半径；

基于水平炮孔的深度、岩石地质条件、球形空腔内的炸药量、炸药的装药密度、炸药的爆速及冲击波初始压力，计算获得球形空腔与水平炮孔连接处的炸药量。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道快速爆破预致裂方法，其特征在于，

球形空腔内的炸药采用数码电子雷管起爆，数码电子雷管安装于球形药包中心。

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