埃塞俄比亚铁路隧道光面爆破施工技术研究

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  [摘 要]以埃塞俄比亚Weldia~Mekelle段D1K188+344 Maicelfo隧道开挖施工为例,研究分析了光面爆破的方案设计及施工方法、工艺。
  [关键词]光面爆破;方案设计;施工工艺;爆破质量控制
  中图分类号:R6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)08-0285-02
  1.工程概况
  D1K188+344 Maicelfo隧道全长3662m,围岩级别主要有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三级,其中Ⅲ级围岩占66%,Ⅳ、Ⅴ级围岩分别为18%和16%;Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖,Ⅲ级围岩采用全断面开挖。
  隧道范围地形较起伏较大,覆土较厚,下伏基岩为页岩、灰岩,无不良地质,无特殊岩土;隧址岩体较破碎~较完整;除隧道进、出口浅埋段为粘性土、块石图覆盖层外,隧道洞身以页岩为主,夹灰岩,富水性较差,洞身围岩倾角平缓,陡倾节理发育,密闭性较差,含水层平层叠置,地下水上下联系及运动条件不好,地形切割较剧,含水层连续性差,富水性弱,整体工程地质条件一般,其岩土物理力学指标如下表1-1[1]:
  表1-1 岩土物理力学指标
  2.光面爆破意义
  隧道光面爆破的应用对隧道施工意义巨大:
  (1)隧道的开挖质量(超、欠挖控制質量)的好坏,直接影晌着一个隧道施工的成本控制。采用光面爆破使开挖面平整,岩体破碎少,超欠挖控制质量好。爆破后开挖面基本接近设计轮廓线,直接减少了将来支护的工程数量。
  (2)光面爆破后,开挖面平整,危石少,撬顶工作简单,减轻了表面应力集中现象,避免局部冒落,增进了围岩稳定,加快了隧道掘进速度。
  (3)光面爆破对围岩破坏轻微,危石少,据有关资料表明,采用光面爆破时,围岩松弛带的范围只是常规爆破方法的1/3~1/2,直接提高了围岩稳定性,保证了施工安全及隧道开挖质量。
  3.爆破方案设计
  根据铁路隧道“新奥法”施工的需要和工程地质条件,决定周边采用光面爆破技术,核心采用控制爆破施工。综合考虑施工整体进度及利于控制超欠挖因素,拟确定开挖每循环进尺2.7m。
  3.1 爆破参数的计算
  光面爆破参数选择主要与地质条件有关,其次是炸药的品种与性能。隧道开挖断面的形状与尺寸,装药结构与起爆方法,严格控制周边眼的装药量,采用合理的装药结构,尽可能的使药沿药眼长均匀的分布,这是实现光面爆破的重要条件。Maicelfo隧道本次试验段为Ⅳb级围岩,上导开挖断面的面积约为38.6m2,采用2号岩石乳化炸药(?32mm),周边眼采用空气间隔装药,其他炮眼采用连续柱状装药,采用电雷管和非电毫秒延时导爆管雷管起爆。
  影响光面爆破效果的因素有很多,主要因素有:地质条件、炸药种类及装药方法、爆破参数等。
  在光面爆破参数中,炮眼间距a、最小抵抗线W、炮眼密集系数m、装药集中度q、不耦合系数D之间或它们与其他参数之间是相互有联系的。
  3.1.1 光爆层厚度(B)
  在断面跨度大,光爆孔所受到的夹制作用小,岩石比较容易崩落,此时光爆层厚度可以大些。断面小,光爆孔所受到的夹制作用大,光爆层厚度可以小些,光爆层厚度与岩石的性质和地质构造也有关,坚硬岩石光爆层可小些,松软破碎的岩石光爆层可大些。根据Maicelfo隧道断面结构及类似工程经验数据,确定光爆层厚度(B)为40cm~80cm。
  3.1.2 周边眼密集系数(m)
  周边眼密集系数是周边眼间距(a)与光爆层厚度(B)的比值。密集系数过大,爆破后会在周边眼间留下岩埂,爆破不彻底,造成欠挖;反之,会使爆破设计轮廓线外岩体破碎、松动、危石多,出现超挖。由此见,周边眼密集系数的选择正确与否,直接关系着隧道开挖质量的好坏。根据类似工程经验数据,周边眼密集系数m一般取0.7~1.0,最好小于1[4]。
  a=(8~12)d (式3-1)
  m=a/B (式3-2)
  式中:a为周边炮眼间距,cm;
  d为炮眼直径,mm。
  根据经验知:m值总是小于1,当d=52mm,a=40cm~60cm,取a=40cm~45cm;
  B=50cm~80cm时,m=0.5~0.9,取m=0.7~0.9。
  3.1.3 装药量计算
  光面爆破装药量的计算,主要是确定周边光爆炮眼装药集中度,即以q表示,单位为kg/m,一般采用实验方法求得或从类似工程中选取。
  q=QaB (式3-3)
  式中:q—装药集中度,kg/m;
  Q—单位体积耗药量,kg/m3,根据以往工程类似经验取Q=0.8kg/m3~0.97kg/m3;
  a—周边眼间距,cm;
  B—光爆层厚度,cm;
  通过现场试验和施工经验数据,用计算法进行校核,确定q=0.16kg/m~0.35kg/m。
  3.1.4 不耦合系数(D)
  不耦合系数是指炮孔直径与药包直径之比。光面爆破采用药包直径小于炮孔直径的方法,因而不耦合系数D>1。
  随着不耦合系数的增大,爆炸冲击作用减弱,而爆炸气体准静态压力的作用时间得到延长,作用在炮孔壁岩石上的应力值下降。不耦合系数的取值一般介于1.25~2.0之间,此时可使炮孔壁岩石上受到的冲击压力(或产生的应力)不大于岩石的极限抗压强度,避免压碎圈的形成,从而留下半孔痕迹;同时,在炮孔连心线上产生的切向拉应力大于岩石的抗拉强度,产生定向裂隙。
  D=d炮孔/d炸药 (式3-5)
  式中:d炮孔—炮孔直径,52mm;
  d炸药—炸药直径,32mm;   计算得D=1.63。
  3.1.5 装药结构与起爆方式
  光面爆破采用不耦合装药结构,装药按设计药量均匀装入炮眼内。为了克服底部炮眼的阻力,在炮眼底部放半个标准药卷,使光爆层易于脱离岩体。施工中采用如下图3-1装药结构。
  由于光面爆破孔是最后起爆,导爆索有可能遭受超前破坏,为保证周边光爆孔准爆,对光爆孔可采用高段位延期导爆管雷管与导爆索双重起爆法,如图3-2。
  3.2 光面爆破参数确定
  结合以上理论计算,最终爆破参数如下表3-1:
  3.3 起爆顺序
  光面爆破的分区起爆顺序为:掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼。采用多段微差起爆(由内向外),主爆区和边墙周边眼使用非电毫秒延时导爆管雷管,光爆眼使用使用导爆索一次同时起爆。
  3.4 炮眼布置、网络连接方式和装药参数
  根据本工程隧道地质及围岩情况,对隧道不同类别围岩按开挖支护施工方案进行相应隧道爆破施工设计。本段Ⅳ级围岩台阶法施工光面爆破炮孔布置图、网络连接图、装药参数见图3-3。施工中可根据实际情况在此基础上作适当调整。
  4.施工工艺流程及操作要点
  4.1 工艺流程图
  工艺流程图见下图4-1。
  4.2 施工工艺
  (1)放样布眼
  钻眼前,测量人员用红漆准确地绘出开挖面的中线和轮廓线,标出炮眼位置。炮眼位置控制誤差:
  掏槽眼:眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm;
  辅助眼:眼口排距、行距误差均不得大于5cm;
  周边眼:沿隧道设计断面轮廓线上的间距误差不行大于5cm,周边眼外斜率不得大于5cm/m,眼底不超出开挖断面轮廓线10cm,最大不得超过15cm。
  (2)钻眼
  利用搭设的作业架进行施工,采用风动凿岩机钻孔,选用熟练的钻工进行钻眼作业。根据测量定位孔位进行钻眼,严格控制孔位准确性及周边眼的外插角,尽可能使两茬炮交界处台阶小于15cm。同时,应根据眼口位置及掌子面岩石的凹凸程度调整炮眼深度,以保证炮眼底在同一平面上。钻眼自下而下进行,严禁利用残眼。
  (3)清孔
  装药前,用钢筋弯制的炮钩将炮眼中石屑钩出,再用小直径高压风管输入高压风将炮眼中石屑吹净,并仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计要求。
  (4)装药
  装药人员按爆破设计方案进行装药,雷管要“对号入座”。采用黏土、砂或土砂混合材料作为炮泥来堵塞炮孔,堵塞长度不小于20cm。装药与钻孔不得平行作业,同一工作面在钻孔全部完成后进行装药。
  (5)连接起爆网络
  起爆网络为复式网络,以保证起爆的可靠性和准确性。连接时注意:导爆管不能打结和拉细;各炮眼雷管连接段数应相同;引爆雷管应用绝缘胶布包扎在离一簇导爆管自由端15cm以上处,网络联好后起爆前进行专项检查。
  5.光面爆破的技术经济效果
  从D1K188+344 Maicelfo隧道进出口采用光面爆破技术的效果来看,工程质量、经济效益十分明显。
  (1)岩石超挖量得到控制。普通爆破平均线性超挖大约为15cm~20cm,每循环超挖方量约为5.38m3~7.22m3;光面爆破后平均线性超挖大约为5cm~10cm,每循环超挖方量约为1.77m3~3.56m3,每循环减少超挖量大约为1.82m3~5.45m3,减少超挖量百分比大约为34%~75%。
  (2)减少了回填的工作量,每循环回填混凝土方量减少了大约为1.82m3~5.45m3,同时降低了喷射混凝土的时间,普通爆破后,每循环喷射混凝土时间大约为4h,光面爆破后比以前少了0.5h~1h的时间。
  (3)普通爆破拱顶容易出现炮振裂隙,尤其在裂隙发育的地层或软弱围岩中,爆后会使岩层原有裂隙扩大和产生新的裂隙,围岩不稳定,增加排险的时间,也容易产生落石伤人的事故。
  拱部光面爆破后,围岩不产生或很少产生炮振裂缝,保持了围岩的完整性,从而增强了围岩自身的承载能力,同时在在裂隙发育的地层或软弱围岩中,避免裂隙扩大和产生新的裂隙,提高了围岩的稳定性,工作面很少会出现“危面”,有效地保证了施工安全,为下一道工序创造了安全的环境,为快速施工创造了有利的条件。
  (4)拱部光面爆破后,隧道拱部成型规整,凹凸很少,简化了支护工作,降低了支护时间,普通爆破支护时间大约为4h,光面爆破后支护时间可以节省0.5h~1h左右。
  (5)普通爆破装碴、出碴时间大约为3h~4h,采用装载机装碴,8t自卸车出碴;光面爆破后,超挖量减少,每循环装碴、出碴的时间可以缩短10min左右。
  (6)总得循环时间加快。光面爆破节约排险工序时间10min~20min左右,缩短装碴、出碴时间10min左右,支护时间缩短了0.5h~1h左右,喷射混凝土时间缩短了0.5h~1h左右,虽然钻孔、装药时间增加了30min左右,但是总循环时间节省50min~120min左右,进度加快5%~11%。
  6.光面爆破关键程序控制要点
  (1)根据围岩特点,合理选定周边眼间距和光爆层厚度;钻孔前,测量人员对开挖面进行测量放线布眼,提高钻孔精确度,确保钻孔“平、直、齐、准”。
  (2)严格控制周边眼的装药量,并采用空气装药结构,尽可能将药量延炮孔长度均匀布置。
  (3)因炸药品种有限,只有直径32mm药卷,所以适当增大炮孔直径,来增大不耦合装药系数。
  (4)严格控制好起爆顺序,实现周边孔同时起爆。同时要安排好开挖程序,光面层最后爆落,以免受夹制作用。
  7.光面爆破施工改进方向
  (1)必要时可考虑在两个周边眼之间增加一个导向孔,来改进隧道光面爆破后的断面轮廓。
  (2)由于爆破产生的切向拉力的最大值发生在相邻炮孔中心连线的中点,所以采用竹片或其他工具,尽可能将炮孔内炸药固定在炮孔中心位置,改进爆后平整的轮廓面。
  (3)改变堵塞材料。采用水或者水-土复合填塞炮孔的装药结构,代替传统的黏土、砂或土砂混合材料堵塞炮孔的装药结构,改进光面爆破施工工艺,提高光面爆破效果。
  参考文献
  [1]埃塞俄比亚Weldia~Mekelle段施工图D1K188+344 Maicelfo隧道设计图第一册.
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