CN115420160B - 针对流变类软弱围岩隧道的爆破用炮孔布置结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，注浆加固后的隧道断面分为上半断面和下半断面两部分，在上半断面上设置有与掏槽眼配合使用的掏槽减振孔，掏槽减振孔内不装药、只用水袋填充。本发明的针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，增加了掏槽爆破效果，而且放空、吸收多余的能量，减少冲击波、应力波向四周传播，减少了振动；本发明在上半断面的隧道开挖轮廓线设置隔振孔目的是阻止、吸收、反射、折射爆破冲击波、应力波、地震波的传播。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工爆破技术领域，尤其是涉及一种针对流变类软弱围岩隧道的爆破用炮孔布置结构及施工方法。
背景技术
软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，其中，流变类软弱围岩指的是介质主要为流变特性的软岩(类似流动稀泥)，流变性又粘性。软岩的流变性包括弹性后效、流动、结构面的闭合和滑移变形。主要表现在软岩的蠕变性、松驰性和流动极限的衰减性质。
这类围岩隧道只有在帷幕注浆加固确保不塌方、不片帮、不底臌、不涌泥、不透水的安全条件下，同时做好应急预案，才能谨慎开挖。但往往注浆加固后，使用人工开挖、机械开挖却挖不动，只能采取谨慎的松动爆破方法，但是采用松动爆破方法时不好控制振动、爆破后会出现片帮、塌方等安全隐患，而且爆破进尺小，施工进度慢。
发明内容
本发明提供一种针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，注浆加固后的隧道断面分为上半断面和下半断面两部分，在上半断面上设置有与掏槽眼配合使用的掏槽减振孔，掏槽减振孔内不装药、只用水袋填充。
在上述方案的基础上，在所述上半断面的隧道开挖轮廓线上设置若干个第一层隔振孔，所述第一层隔振孔内用软泥填充。
在上述方案的基础上，在第一层隔振孔靠近下半断面的一侧设置有若干个第二层隔振孔，所述第二层隔振孔内用软泥填充。
在上述方案的基础上，所述上半断面分为单独进行分区爆破的中部区、左导坑区和右导坑区；所述中部区、左导坑区和右导坑区内分别设置有掏槽眼以及与掏槽眼配合使用的掏槽减振孔。
在上述方案的基础上，在中部区与左导坑区的相接处以及中部区与右导坑区的相接处设置有若干个侧部隔振孔，所述侧部隔振孔为空孔，内部不装填。
在上述方案的基础上，所述中部区在隧道中线的两侧沿竖向各设置一列掏槽眼，在两列掏槽眼之间沿竖向在隧道中线两侧各设置一列掏槽减振孔。
在上述方案的基础上，所述中部区的掏槽眼的装药方式为相邻的掏槽眼以3卷-2卷的方式间隔装药，装药到眼底，剩余炮眼使用炮泥填满。
本发明的针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，在紧邻掏槽眼处配带一个用水袋填充的掏槽减振孔，增加了掏槽爆破效果，而且放空、吸收多余的能量，减少冲击波、应力波向四周传播，减少了振动；本发明在上半断面的隧道开挖轮廓线上设置若干个一层隔振孔，且在隧道开挖轮廓线内(指的是隧道外轮廓线靠近隧道断面的一侧)设置第二层隔振孔；隔振孔内用软泥填充；目的是阻止、吸收、反射、折射爆破冲击波、应力波、地震波的传播，一方面因遇到不同的界面和不同介质反射、折射产生拉应力破碎两孔间的岩石，另一方面放空部分多余参量、减小振动、切断应力继续向开挖轮廓线外传播，控制爆破松动圈，保护开挖界线外注浆效果不被破坏，防止开挖后塌方。本发明在上半断面的中部区与左导坑区的相接处以及中部区与右导坑区的相接处设置有侧部隔振孔，目的可以有效的阻止、吸收、反射、折射爆破冲击波、应力波、地震波的传播，阻止或者减轻对初支的振动和破坏，防止初支失稳。本发明的炮孔设置结构及爆破方法对整个断面爆破实现了松动破碎岩石，抛掷距离很小，对初支起到了保护作用，不被崩坏。本发明的技术方案适用于公路、铁路、矿山、地铁等类似地层地质(流变类软弱围岩)的各种隧道、硐室的施工。
附图说明
图1为实施例1中隧道断面划分示意图；
图2为实施例1中隧道上半断面的中部区的炮孔在隧道断面上设置的示意图；
图3为实施例1中隧道上半断面的左导坑区和右导坑区的炮孔在隧道断面上设置示意图；
图4为实施例1中隧道上半断面上设置的隔振孔的示意图；
图5为使用案例中隧道上半断面上炮孔及炮孔间尺寸的示意图；
图6为使用案例中隧道中流变类软弱围岩的实况图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
一种针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，注浆加固后的隧道断面分为上半断面1和下半断面2两部分，在上半断面1上设置有与掏槽眼1-1配合使用的掏槽减振孔1-2，掏槽减振孔1-2内不装药、只用水袋填充。施工时，先施工上半断面1，然后再施工下半断面2。
因掏槽眼1-1齐爆装药量最大，雷管起爆后，带动炸药在很短时间内完成爆轰，生成大量气体，并释放出大量热能，高温高压气体破碎周围岩石，在介质中产生冲击波，一部分能量继续破碎岩石做功，一部分能量转换成应力波，再转换为地震波。当掏槽眼配一个填水袋的掏槽减振孔时，既增加了自由面帮助掏槽眼尽可能多的破碎岩石，又可以放空、吸收多余的能量，减少冲击波、应力波向四周传播。
基于上述技术方案，如图4所示，本发明在上半断面的隧道开挖轮廓线上设置若干个第一层隔振孔1-7，且在隧道开挖轮廓线内(指的是隧道外轮廓线靠近隧道断面的一侧)设置若干个第二层隔振孔1-8；第一层隔振孔1-7和第二层隔振孔1-8内用软泥填充。本发明在隧道开挖轮廓线及附近设置两层隔振孔(第一层隔振孔1-7和第二层隔振孔1-8)的目的是阻止、吸收、反射、折射爆破冲击波、应力波、地震波的传播，一方面因因遇到不同的界面和不同介质反射、折射产生拉应力破碎两孔间的岩石，另一方面放空部分多余参量、减小振动、切断应力继续向开挖轮廓线外传播，控制爆破松动圈，保护开挖界线外注浆效果不被破坏，防止开挖后塌方。
上半断面1采用爆破方式开挖后，在出碴、初支等步骤进行的时候有很多机械会经过下半断面2的斜面，因此下半断面2的岩体会被多次扰动，所以，下半断面2一般情况下可以采用人工风镐开挖，如果下半断面2有局部地方硬度大，就使用破碎锤凿掉硬块，再使用挖掘机开挖即可，如果下半断面2的硬度过大，可以采用常规松动爆破的方式进行爆破，因为上半断面1已经施工完成，下半断面2已经有了垂直和水平的自由面，爆破效果会非常好，因此在本专利中就不再对下半断面2的施工做过多的说明。
作为在上半断面1上爆破时掏槽眼1-1和掏槽减振孔1-2布置的具体方案，如图1所示，作为一个具体的实施方案，所述上半断面1分为中部区11、左导坑区12和右导坑区13，三个区域分别进行单独的爆破施工，施工顺序是左导坑区12-中部区11-右导坑区13。所述中部区11、左导坑区12和右导坑区13内分别设置有掏槽眼1-1以及与掏槽眼1-1配合使用的掏槽减振孔1-2。
为了减少三个区域单独爆破时对岩体的扰动，如图4所示，在中部区11与左导坑区12的相接处以及中部区11与右导坑区13的相接处设置有若干个侧部隔振孔1-9，所述侧部隔振孔1-9为空孔，内部不装填即侧部隔振孔作为空孔使用，内部不装填任何材料。作为一个具体的方案，所述中部区11在与左导坑区12和右导坑区13的相接处各设置一列侧部隔振孔1-9；所述左导坑区12和右导坑区13在与中部区11的相接处各设置一列侧部隔振孔1-9；所述侧部隔振孔1-9的孔深小于第一层隔振孔1-7和第二层隔振孔1-8，大于其他炮孔。设置侧部隔振孔的作用主要是阻止、吸收、反射、折射爆破冲击波、应力波、地震波的传播，阻止或者减轻对初支的振动和破坏，防止初支失稳，这对于本发明所针对的流变类软弱围岩的爆破施工非常重要。
具体的，第一层隔振孔1-7、第二层隔振孔1-8的孔深要大于所有的炮孔的孔深。具体数量可参考图5。
上述的技术方案中已经给出了针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构的整体性方案，即：掏槽眼与掏槽减振孔及隔振孔配合，既要实现好的爆破效果，又不能对岩体产生过大的干扰。作为一个具体的实施方案，如图2所示，在中部区11的隧道中线两侧沿竖向各设置一列掏槽眼1-1，两列掏槽眼1-1的数量相同；在两列掏槽眼1-1之间沿竖向在隧道中线两侧各设置一列掏槽减振孔1-2。具体的，位于同侧的掏槽眼1-1与掏槽减振孔1-2的数量相同，即每个掏槽眼1-1配一个掏槽减振孔1-2。这种设置的目的是更有利于掏槽眼1-1在爆破时破碎岩石，同时尽量减少冲击波、应力波向四周传播。作为一个更为优化的方案，在两列掏槽减振孔1-2之间的隧道中线上还设置有一列掏槽减振孔1-2，数量可以与位于隧道中线一侧的掏槽眼1-1的数量相同。再增加一列掏槽减振孔一是增加了一列自由面，有处于破碎岩石，二是放空多余能量，减少振动，三是减小阻抗，减小爆破岩石的抛掷距离。作为掏槽眼内装药的具体方案，所述掏槽眼1-1的装药方式为相邻的掏槽眼1-1以3卷-2卷的方式间隔装药(间隔装药3/2卷指的是与装药3卷的掏槽眼1-1相邻的掏槽眼1-1的装药量为2卷，也可以说是与装药2卷的掏槽眼1-1相邻的掏槽眼1-1的装药量为3卷，以图2为例，TI-T5的装药量为3卷-2卷-3卷-2卷-3卷或者是2卷-3卷-2卷-3卷-2卷)，装药到眼底，剩余长度的炮眼使用炮泥填满；本发明中，掏槽眼的装药方式一是减少一次起爆装药量，即减少爆破振动；二是相邻两个炮眼的振动不同，以减小相邻两个炮眼之间振动峰值的叠加，避免产生共振，同时还能相互抵消一部分能量，最大可能地减少振动。
除了掏槽眼1-1、掏槽减振孔1-2外，中部区11上还设置有扩槽眼1-3、辅助眼1-4、周边眼1-5和底眼1-6。作为一个具体的实施方案，在掏槽眼1-1远离隧道中线的一侧，分别沿竖向设置有若干个扩槽眼1-3；作为优选的，扩槽眼1-3在隧道中线的一侧各设置三列。扩槽眼1-3以2卷-1卷的方式间隔装药。(2卷-1卷的方式间隔装药指的是与装药2卷的扩槽眼相邻的扩槽眼的装药量为1卷，也可以说是与装药1卷的扩槽眼相邻的扩槽眼的装药量为2卷，以图2为例，KI-K5的装药量为2卷-1卷-2卷-1卷-2卷或者是1卷-2卷-1卷-2卷-1卷)。扩槽眼的装药方式也是为了减少爆破振动、减小相邻两个炮眼之间振动峰值的叠加，避免产生共振，同时还能相互抵消一部分能量，最大可能地减少振动。
在掏槽眼1-1与上半断面的隧道开挖轮廓线之间设置有若干辅助眼1-4。具体的，所述辅助眼1-4设置有三层，分别为第一层辅助眼1-41、第二层辅助眼1-42和第三层辅助眼1-43，在隧道断面上，每层辅助眼的中心点之间的连线均呈弧形，具体如图2所示。具体的：第一层辅助眼1-41每眼装药1卷；第二层辅助眼1-42每眼间隔装药1卷，(每眼间隔装药1卷指的是每隔一个辅助眼装药1卷，以图2为例，F2-1～F2-17的装药量为0卷-1卷-0卷-1卷-0卷…以此类推或者是1卷-0卷-1卷-0卷-1卷…以此类推)；第二层辅助眼采用间隔装药的方式一是相当于增加一个自由面，有利于破碎岩石；二是放空多余能量，折射、反射爆炸冲击波、应力波，减少振动，减小围岩松动圈，有利于爆破后围岩稳定。第三层辅助眼1-43每眼间隔装药1/0.5卷，(间隔装药1/0.5卷指的是与装药1卷的辅助眼相邻的辅助眼的装药量为0.5卷，也可以说是与装药0.5卷的辅助眼相邻的辅助眼的装药量为1卷，以图2为例，F3-1～F3-23装药量为0.5卷-1卷-0.5卷-1卷-0.5卷…以此类推或者是1卷-0.5卷-1卷-0.5卷-1卷…以此类推)。
在最外层的辅助眼1-4与上半断面的隧道开挖轮廓线之间(或者说是与第二层隔振孔1-8之间)设置有若干个周边眼1-5；周边眼1-5每隔一个眼装炸药0.5卷，装药的周边眼的孔口用200～300mm的水炮泥封口；不装药的周边眼1-5用炮泥填满。
在中部区11和下半断面2的连接处设置若干个底眼1-6，底眼1-6每眼间隔装药2/1卷，(间隔装药2/1卷指的是与装药2卷的底眼相邻的底眼的装药量为1卷，也可以说是与装药1卷的底眼相邻的底眼的装药量为2卷，以图2为例，D1-D19装药量为2卷-1卷-2卷-1卷-2卷…以此类推或者是1卷-2卷-1卷-2卷-1卷…以此类推)。
本实施例中未详细说明的关于掏槽眼、掏槽减振孔、扩槽眼、辅助眼、周边眼、底眼及隔振孔的深度、倾角、起爆顺序等爆破参数参考表1，在此就不再一一展开描述。
在表1的爆破参数的基础上，第一层隔振孔1-7、第二层隔振孔1-8和侧部隔振孔1-9与隧道掌子面的倾角为90°，所述侧部隔振孔1-9的孔深为1.6m，第一层隔振孔1-7和第二层隔振孔1-8的孔深为1.9m。
表1图2和图5中的隧道上半断面中的中部区的爆破设计参数
以图3为例来说明左导坑区12和右导坑区13中炮孔的设置方式，因为两个区域的设置方式相同，下面仅以右导坑区13为例来说明。如图3所示，在右导坑区13上设置有掏槽眼1-1与掏槽眼1-1配合使用的掏槽减振孔1-2。具体的，掏槽眼1-1有三个，掏槽减振孔1-2设置在三个掏槽眼1-1的连线内。装药时，掏槽眼1-1(图3中T1、T2和T3)每眼装药3卷；掏槽减振孔1-2(图3中J1所示)不装药，内部填充水袋。
除了掏槽眼1-1、掏槽减振孔1-2外，右导坑区13上还设置有辅助眼1-4、周边眼1-5和底眼1-6。具体的，
若干个辅助眼1-4设置在掏槽眼1-1的外围，在辅助眼1-4的外围设置若干个周边眼1-5；在右导坑区13与下半断面2的相接处设置一行底眼1-6。
辅助眼1-4(图3中F1-F9所示)每眼间隔装药2/1卷。(间隔装药2/1卷指的是与装药2卷的辅助眼相邻的辅助眼的装药量为1卷，也可以说是与装药1卷的辅助眼相邻的辅助眼的装药量为2卷，以图3为例，FI-F9的装药量为2卷-1卷-2卷-1卷…，以此类推；或者是1卷-2卷-1卷-2卷…，以此类推)
周边眼1-5(图3中Z1-Z19所示)每眼装药0.5卷。
底眼1-6(图3中D1-D11所示)每眼间隔装药2/1卷(间隔装药2/1卷指的是与装药2卷的底眼相邻的底眼的装药量为1卷，也可以说是与装药1卷的底眼相邻的底眼的装药量为2卷，以图3为例，D1-D11装药量为2卷-1卷-2卷-1卷…以此类推或者是1卷-2卷-1卷-2卷…以此类推)。
表2图3和图5中的隧道上半断面中两侧导坑区的爆破设计参数
本专利中所称的“药”指的是炸药，在本专利中炸药使用的是乳化炸药卷，规格为Φ18mm×300mm×300g。
图2-图4中炮孔之间的连线不是真是存在的线，是炮孔设计时为了对炮孔进行分组而画上的，是炮孔中心点之间的连线，比如图4中标号1-7所指示的隔振孔所在的连线上的所有隔振孔称为第一层隔振孔1-7；在图2中也是如此，比如图2中标号1-1所指示的掏槽眼(T1和T10)所在连线上的掏槽眼为中部区11爆破的全部掏槽眼(T1-T10)。
实施例2
如图1所示，本实施方式提供一种针对流变类软弱围岩隧道的施工方法，包括如下步骤：
S1将注浆加固后的隧道断面分为上半断面1和下半断面2两部分，先对上半断面1进行爆破施工；
S2将上半断面1分为中部区11、左导坑区12和右导坑区13，先对左导坑区12进行爆破并完成初支，之后再对中部区11进行爆破并完成初支，最后对右导坑区13进行爆破并进行初支。初支指的是初期支护，比如按照以下顺序进行：初喷混凝土、安装钢筋网、立钢拱架、安装锚杆、安装锁脚锚杆、复喷混凝土。左导坑区12的开挖进度在中部区11前5-10m，中部区11的开挖进度在右导坑区13前5-10m。
S3完成上半断面1的开挖和初支后，对下半断面2进行开挖；开挖完成后也进行加固(加固方式与步骤S2相同)
S4每完成一个循环，拆卸掉中间的钢拱架，并进行二衬加固施工。
作为一个具体的实施方案，步骤S1中，注浆加固可以采用常规的注浆加固方式。在本发明中，采用直径大管棚多循环全断面帷幕注浆方法，如第一循环注浆实施长度25m，第二循环注浆长度实施为30m，第三循环注浆实施长度为40m等；注浆范围：隧道周边上下左右各5.0～6.0m范围加固，注浆方式：采用后退式分段注浆，根据钻孔地质情况确定孔内注浆分段长度，以3m为宜；注浆顺序：注浆次序先外后内，先上后下。
爆破时的炮孔设置即爆破参数参考实施例1和图1-5，在此不再赘述。
使用案例
在某海底隧道施工时，施工地层地质均为全风化花岗闪长岩(泥质中～粗砂)，颜色棕黄，有灰白色斑点，中粗粒结构，大部分为塑性土，呈流塑状；有的呈块状结构，岩石较硬，裂隙水十分发育，水文地质为涌水量0.7～2.0L/min·m，为富水状态，属于流变类软弱围岩，如图6所示。
施工时采用本发明实施例的施工方法进行，隧道上半断面1上的炮孔设置采用实施例1的布置结构，如图5所示。采用YT-30型风动凿岩机，使用规格Φ18mm×1.8m钻杆、Φ42mm一字型合金钢钻头打眼。爆破参数如表1和表2所示。上半断面的中部区开挖区域面积为57.2m2，布置炮眼总数301个，装药总量为41.9Kg，每炮进尺1.2m，单位耗药量为0.61Kg/m3。采用并联方式爆破后，如果拱部有部分空眼没有爆破下来，可以使用小型悬臂式掘进截割机找平侧面及顶部轮廓线。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，其特征在于，注浆加固后的隧道断面分为上半断面(1)和下半断面(2)两部分，在上半断面(1)上设置有与掏槽眼(1-1)配合使用的掏槽减振孔(1-2)，所述掏槽减振孔(1-2)内用水袋填充；
在所述上半断面(1)的隧道开挖轮廓线上设置若干个第一层隔振孔(1-7)，所述第一层隔振孔(1-7)内用软泥填充；
在第一层隔振孔(1-7)靠近下半断面(2)的一侧设置有若干个第二层隔振孔(1-8)，所述第二层隔振孔(1-8)内用软泥填充；
所述上半断面(1)分为单独进行分区爆破的中部区(11)、左导坑区(12)和右导坑区(13)；所述中部区(11)、左导坑区(12)和右导坑区(13)内分别设置有掏槽眼(1-1)以及与掏槽眼(1-1)配合使用的掏槽减振孔(1-2)；
在中部区(11)与左导坑区(12)的相接处以及中部区(11)与右导坑区(13)的相接处设置有若干个侧部隔振孔(1-9)，所述侧部隔振孔(1-9)为空孔，内部不装填；
所述中部区(11)在隧道中线的两侧沿竖向各设置一列掏槽眼(1-1)，在两列掏槽眼(1-1)之间沿竖向在隧道中线两侧各设置一列掏槽减振孔(1-2)；
所述中部区(11)的掏槽眼(1-1)的装药方式为相邻的掏槽眼(1-1)以3卷-2卷的方式间隔装药，装药到眼底，剩余炮眼使用炮泥填满。
2.根据权利要求1所述的针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，其特征在于，中部区(11)还设置有扩槽眼(1-3)、辅助眼(1-4)、周边眼(1-5)和底眼(1-6)。
3.根据权利要求1所述的针对流变类软弱围岩隧道爆破的炮孔布置结构，其特征在于，左导坑区(12)和右导坑区(13)内分别设置有辅助眼(1-4)、周边眼(1-5)和底眼(1-6)。
4.一种针对流变类软弱围岩隧道的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1将注浆加固后的隧道断面分为上半断面(1)和下半断面(2)两部分，先对上半断面(1)进行爆破施工，爆破的炮孔布置结构使用权利要求1-3任一项所述的结构；
S2将上半断面(1)分为中部区(11)、左导坑区(12)和右导坑区(13)，先对左导坑区(12)进行爆破并完成初支，之后再对中部区(11)进行爆破并完成初支，最后对右导坑区(13)进行爆破并进行初支；
S3完成上半断面(1)的开挖后，对下半断面(2)进行开挖；开挖完成后也进行加固；
S4每完成一个循环，拆卸掉中间的钢拱架，并进行二衬加固施工。
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