简易预裂爆破在公路隧道掘进中的应用研究

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第９期　西部探矿工程　ｌ５７　简易预裂爆破在公路隧道掘进中的应用研究　叶家强　，潘义红　（１．中国地质大学工程学院，湖北武汉４３００７４；２．中国路桥集团公路一局隧道公司，北京１０００８５）　摘要：结合父子关隧道简易预裂爆破的设计与施工，论述了爆破参数的确定，介绍了施工过程的质　量控制和爆破效果，对Ⅱ类和Ⅲ类围岩爆破设计与施工进行了总结。　关键词：简易预裂爆破；公路隧道；爆破参数；质量控制　中图分类号：ＴＤ２３５．３文献标识码：Ｂ文章编号：ｌＯＯ４—５７ｌ６（２ＯＯ７）０９—０ｌ５７—０４　１问题的提出　父子关隧道是一座高速公路隧道，按照设计文　件要求，隧道Ⅱ类和Ⅲ类围岩地段爆破采用预裂爆破技　术，Ⅳ类围岩地段爆破采用光面爆破技术。但在施工过　程中发现，Ⅱ类和Ⅲ类围岩地段的爆破效果较差，主要表　现在：①围岩破坏严重，隧道壁面上有明显的纵向裂缝；　②超挖和欠挖较严重，影响了施工进度，增加了施工成　本。　此３组裂隙主要分布在震旦系上统陡山沱组（ｚｚａ）　含炭泥质白云岩中。隧道区上覆薄层残坡积含碎石亚　粘土，下伏基岩为震旦系上统灯影组（Ｚ　ａ　）白云岩，震　旦系上统陡山沱组（ｚ　ａ）炭质白云岩和震旦系下统南沱　组（Ｚ　）砾泥岩。　根据隧道围岩分类标准，父子关隧道围岩可分为　Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三大类。从开始施工至现在，勘察设计与实际　揭露围岩差别较大，目前共揭露Ⅱ类围岩５９８ｍ，Ⅲ类围　岩４９７ｍ，Ⅳ类围岩２８６ｍ。隧道按新奥法原理组织施　工。Ⅱ类围岩地段采用超短台阶式开挖，Ⅲ类围岩地段　为此，决定试采用一种简易预裂爆破技术代替一般　的预裂爆破技术进行Ⅱ类和Ⅲ类围岩地段的爆破施工。　在此类围岩条件下，相对于一般的预裂爆破技术来说，　简易预裂爆破技术具有施工简单方便，施工速度较快，　成本较低，可操作性强等优点。同时还能减少对围岩的　扰动，减少超挖和欠挖量，使开挖边界平整。　２工程概况　父子关隧道位于沪蓉国道主干线宜昌至恩施段　ＺＫ３５＋２ｌ０～ＺＫ３６＋２３５，ＹＫ３５＋２５０～ＹＫ３６＋１２０　处，是一座上下行分离式四车道中长隧道。左洞长　１０２５ｍ，其中明挖段长１８ｍ；右洞长８７０ｍ，其中明挖段　长１８ｍ。隧道最大埋深约１６６ｍ，隧道建筑限界为　９．７５ｍ×５．０ｍ。　采用短台阶式开挖。　３　钻爆作业施工机械与爆破器材　父子关隧道Ⅱ类围岩地段和Ⅲ类围岩地段钻孔均　使用自制凿岩台车，台车上安设Ｙｒｒ＿一２８型气腿式凿岩　机，压力气体由Ｉ　型两级双缸复动水冷式４Ｉ一２０／８型　电动空气压缩机提供。钻头采用成本较低的一字型钻　头，直径为２５ｒａｍ。炮眼直径４０ｒａｍ。　该隧道爆破炸药为条装岩石膨胀硝铵炸药，规格为　小药卷ｊ２『３２ｒａｍ×１５０ｇ。主要技术指标如下：密度　０．８５～０．９５ｇ／ｍ。，猛度≥１２ｒａｍ，爆速≥３２００ｍ／ｓ，殉爆　隧道地处溶蚀，侵蚀低山一丘陵地貌区，呈近东西　向展布。隧道区岩层为单斜构造，倾向北，产状３５８。～　２４。　３１。～５２。，主要发育有３组裂隙，如表ｌ所示。　表１岩层裂隙表　距离≥３ｅｒａ。采用毫秒延期导爆管雷管，共用了ｍｓ一　１、ｍｓ一３、ｍｓ～５、ｍｓ一７、ｍｓ一９、ｍ　—ｌ１、ｍｓ—ｌ３、　ｍｓ—ｌ５段别。爆破网络由火雷管与集束塑料导爆管用　胶布捆扎而成，用导火索引爆火雷管。　４钻爆设计　萼产状状态（ｍ燃　ｍ）　延伸长度（　）备注　①１６０。　６５。张开状１５～１００好数米至数十米２．５　②８￣Ｚ２６。闭合状　一　③　一　一　一　一沿层理面发育　～ｚ　ｓ～ｚ好　爆破参数的确定原则为：参考相关规范及经验，但　不仅仅局限于规范，而是现场根据实际情况，综合取定　爆破参数，利用一切有利于提高爆破质量的因素，努力　提高爆破质量。　４．１　循环进尺与炮眼深度的确定　该隧道在Ⅱ类围岩条件下，循环进尺确定为１．０ｍ，　炮眼深度１．２ｍ左右；１］ｌ类围岩条件下，循环进尺确定　维普资讯 http://www.cqvip.com １５８　西部探矿工程　２００７年第９期　为２．０ｍ，炮眼深度２．２ｍ左右。　４．２爆破参数的确定　４．２．１　周边眼间距ａ　周边眼间距ａ是控制开挖轮廓平整度的重要因素，　与炮眼直径ｄ有关。经多次洞内爆破试验，父子关隧道　Ⅱ类围岩地段取周边眼间距ａ－－４０ｃｍ，Ⅲ类围岩地段取　周边眼间距ａ＝４５ｃｍ。　４．２．２　周边眼装药集中度ｑ　父子关隧道Ⅱ类围岩地段取周边眼装药集中度ｑ　０．２５ｋｇ／ｍ；Ⅲ类围岩地段取周边眼装药集中度ｑ＝　０．３０ｋｇ／ｍ。　４．２．３　不偶合系数Ｄ　不偶合系数为炮眼直径与药卷直径的比值。该值　大小直接影响爆破后半孔痕率和爆破效果，研究表明爆　破时岩石的相对应变值近似与不偶合系数的０．５次幂　成反比。该隧道炮眼直径４０ｍｍ，药卷直径３２ｍｍ，故　不偶合系数Ｄ＿－１．２５。　４．２．４掏槽眼布置　掏槽眼布置在掘进工作面中部稍靠下部，掏槽有倾　斜掏槽和垂直掏槽两种。父子关隧道采用倾斜掏槽中　的垂直楔形掏槽。掏槽眼向内倾斜角度，对岩石坚固性　系数ｆ＝２－－６的围岩取７Ｏ。～７５。较合适。在此隧道施　工中，掏槽眼倾角取７５。。两排炮眼眼口距离取６０ｃｍ。　为了提高其他炮眼的爆破效果，掏槽眼比辅助眼和周边　眼加深１５－－２０ｃｍ。Ⅱ类围岩地段炮眼长度取１．４ｍ，Ⅲ　类围岩地段炮眼长度取２．４ｍ。　４．２．５　辅助眼布置　父子关隧道爆破辅助眼横向和纵向间距皆取　８０ｃｍ，梅花型布置。垂直于工作面打眼，使爆下的岩渣　大小适合装渣要求，避免二次爆破。　４．２．６　辅助眼与掏槽眼装药集中度和单眼装药量　一般情况下，掏槽眼装药集中度大于辅助眼装药集　中度，而周边眼装药集中度最小。父子关隧道Ⅱ类围岩　地段掏槽眼装药集中度取０．３５ｋｇ／ｍ，单眼装药量为　３５０ｇ￣辅助眼装药集中度取０．３０ｋｇ／ｍ，单眼装药量为　３００ｇ。Ⅲ类围岩地段掏槽眼装药集中度取０．４０ｋｇ／ｍ，　单眼装药量为８００ｇ；辅助眼装药集中度取０．３５ｋｇ／ｍ，　单眼装药量为７００ｇ。　父子关隧道Ⅱ类、Ⅲ类围岩地段爆破参数分别如表　２，表３所示，简易预裂爆破炮眼布置见图１。　４．２．７　装药结构　父子关隧道爆破装药结构为空气柱间隔装药，此种　装药结构能降低作用在炮孔壁上的冲击压力峰值，降低　对围岩的扰动破坏；同时能增加应力波作用时间和传给　岩石的冲量，提高炸药利用率。装药时，将起爆药卷置　表２父子关隧道Ⅱ类围岩爆破参数表　表３父子关隧道Ｉ类围岩爆破参数表　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第９期　西部探矿工程　ｌ５９　图１　父子关隧道简易预裂爆破炮眼布置示意图　于孔底，将雷管聚能穴朝向孔口，即采用反向起爆。为　提高炸药的密闭效果和爆生高压气体的作用时间，发挥　炸药稳定爆炸的性能，自孔口至药卷顶端用炮泥堵塞，　炮泥由粘土制成。因孔底受到较大夹制作用，在孔底集　中装药。此外，为了充分利用炸药能量，使预裂爆破面　平整，将各周边眼中的相邻药卷错开。　５　简易预裂爆破质量控制　（１）爆破参数经现场试验确定。隧道内围岩地质情　况变化较大，爆破参数的不同直接影响预裂爆破效果。　在施工中，密切注意工作面的实际情况，对经现场试验　得出的爆破参数进行微调，努力提高爆破效果。　（２）严格控制钻眼精度。保证较高的钻眼精度是钻　眼工作的要点。对其控制主要在如下方面：①炮眼深　度；②炮眼倾角；③炮眼间距等。保证各炮眼均按设计　要求成孔，各炮眼达到“直，平，齐，准”的标准，除掏槽眼　外所有炮眼眼底应处于同一垂直面上。　（３）严格控制测量放线精度。主要是控制周边眼的　位置，使周边眼连心线与隧道设计轮廓线基本一致。　（４）严格执行施工规范和质量标准。即认真贯彻执　行《公路隧道施工技术规范》和《公路工程质量检验评定　标准》等。　（５）加强施工现场管理。在爆破施工中，对从爆破　参数的确定到钻眼施工，再到装药、爆破等一系列施工　工序实行严格科学的管理，对其全过程进行质量控制，　使施工质量处于受控状态。根据开挖断面的状况，及时　调整下一工作循环各参数，使总体质量最优。　６采用简易预裂爆破技术与一般预裂爆破技术效果比　较　简易预裂爆破技术具有如下优点：　（１）施工简单快捷，这主要表现在装药不偶合系数　的取定方面。对一般的预裂爆破，要求装药不偶合系数　取２左右，经验告诉我们，装药不偶合系数值越大，孔痕　残留率越大，围岩受到的破坏越小。为了增大装药不偶　合系数值，一方面可以增大炮眼直径，另一方面可以减　小药卷直径。在简易预裂爆破中，取装药不偶合系数为　１．２５。如果增大炮眼直径，则必然增加钻眼工作量，另　外，因炸药厂商提供的药卷直径为３２ｒａｍ，为了减小药　卷直径，可自行将药卷直径改小，但操作较麻烦。　（２）提高施工进度，这主要表现在炮眼直径和周边　维普资讯 http://www.cqvip.com １６Ｏ　西部探矿工程　２００７年第９期　眼间距的取定方面。采用一般的预裂爆破技术时，选择　炮孔直径为８０ｒａｍ，但在钻孔过程中，由于围岩较破碎，　常有塌孔现象发生，成孔较困难，特别是在Ⅱ类围岩地　段。采用简易预裂爆破时，炮眼直径为４０ｒａｍ，钻眼、洗　眼工作都比较顺利，成孔所需时间大大降低。减小炮眼　直径一方面可以减少钻眼工作量，另一方面可以提高钻　眼速度。此外，根据经验，对直径为４０ｒａｍ的炮眼，预　裂爆破要求周边眼间距在３５ｃｍ左右比较合适。但是　在父子关隧道施工中，Ⅱ类围岩取周边眼间距为４０ｃｍ，　Ⅲ类围岩取周边眼间距４５ｃｍ。加大周边眼间距，会相　钻眼精度和采用科学的管理方法。各个爆破参数的确　定关键是使各个参数问能取得平衡，使爆破效果最佳。　如当增大周边眼间距时，为取得好的爆破效果，需要增　加周边眼的装药量。增大周边眼的间距能减少钻眼工　作量，加快施工进度，但增加周边眼装药量会加大周边　眼爆破时对围岩的扰动破坏，也会增加成本。周边眼间　距与周边眼装药量之间存在一定的关系。同样，其他各　个爆破参数问也存在着线性或者非线性的关系而互相　牵制，互相影响。对于某一特定的围岩地质条件，提高　应减小钻眼工作量。　（３）减少了循环作业时间，这主要表现在减少了超、　欠挖量方面。超挖量的减少，出渣量减少，占用的出渣　时间也会减少。对于隧道欠挖，为了达到设计轮廓线的　要求和安装钢支撑等，需要人工用风镐将多余部分凿　除。欠挖量的减少，降低了这种工作的时间。采用简易　预裂爆破时，一个工作循环时间（不包括二次衬砌，下　同），ＩＩ类围岩上台阶为９ｈ左右，下台阶为６．５ｈ左右；　Ⅲ类围岩上台阶为１４ｈ左右，下台阶为１２ｈ左右。未采　用简易预裂爆破时，一个工作循环时间，Ⅱ类围岩上台　阶为１２ｈ左右，下台阶为９ｈ左右；Ⅲ类围岩上台阶为　１８ｈ左右，下台阶为１５ｈ左右。　（４）采用简易预裂爆破后，预裂面上的半孔痕率有　所提高。采用一般的预裂爆破时，预裂面上的半孔痕率　Ⅱ类围岩地段仅有４Ｏ９／６左右，Ⅲ类围岩地段也只有　５Ｏ　左右。采用简易预裂爆破后，预裂面上的半孔痕率　Ⅱ类围岩地段达到７Ｏ　以上，Ⅲ类围岩地段达到８５　９／６　以上，均分别超过规范要求的５Ｏ　和７Ｏ　。　（５）采用简易预裂爆破后，预裂面上的不平整度有　所减低。采用一般的预裂爆破时，预裂面上的不平整度　Ⅱ类围岩地段超过Ｉ－２５ｃｍ，局部甚至超过±５０ｃｍ，ＩＩＩ类　围岩地段超过±２０ｃｍ。采用简易预裂爆破后，经　ＢＪＳ【）＿～２型激光隧道限界检测仪检测，Ⅱ类围岩地段　和Ⅲ类围岩地段预裂面的不平整度均不超过±ｌＯｃｍ，　低于规范规定的Ⅱ类围岩地段拱部平均线性超挖值　１５ｃｍ，最大超挖值２５ｃｍ，边墙平均线性超挖值ｌＯｃｍ；　Ⅲ类围岩地段拱部平均线性超挖值ｌＯｃｍ，最大超挖值　１５ｃｍ，边墙平均线性超挖值ｌＯｃｍ。　预裂爆破最主要的是要在设计开挖范围内的岩体　爆破之前预先沿隧道设计轮廓线得到一条光滑的裂缝。　只要能达到效果，则可不局限于规范，不一定按照规范　要求取值。　７　结束语　预裂爆破技术的关键是确定恰当的爆破参数、控制　爆破质量的关键在于使各个爆破参数互相协调，取得整　体平衡，使爆破效果最优。　在隧道爆破设计施工过程中，坚持科学的态度，选　取恰当的爆破参数，合理布孔，适当参考规范，但不局限　于规范，以现场试验为准，不断优化爆破设计，将会提高　开挖质量，减少安全事故，提高掘进生产率，降低生产成　本，提高社会经济效益。　参考文献：　［１］ＪＴＪｏ４２—９４公路隧道施工技术规范［ｓ］．北京：人民交通出　版社，１９９５．　［２］ＪＴＪｏ２６—９ｏ公路隧道设计规范Ｅｓ］．北京：人民交通出版　社，１９９０．　［３］ＪＴＧ　ＦＳＯ／１－－２００４公路工程质量检验评定标准［ｓ］．北京：　人民交通出版社，２００４．　［４］吴立，闫天俊，周传波．凿岩爆破工程［Ｍ］．武汉：中国地质　大学出版社，２００５．　［５］陈建平，吴立．地下建筑工程设计与施Ｔ　ＥＭ］．武汉：中国　地质大学出版社，２０００．　［６］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版　社，２００３．　Ｓｔｕｄｙ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｅａｓｙ　ｐｒｅ－ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｉｎ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ＹＥ　Ｊｉａ—ｑｉａｎｇ　，ＰＡＮ　Ｙｉ—ｈｏｎｇ２　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ。ＴｈｅＦ　￡Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｂｕｒｅａｕ，ＣｈｉｎａＲｏａｄ　ａｎｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｏｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ｅａｓｙ　ｐｒｅ－ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎ—　ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｚｉｇｕａｎ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｉ—　ｄｅｎｔｉｆｙ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＩＩ　ａｎｄ　Ｉｌｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｍｅｄ　ｕｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅａｓｙ　ｐｒｅ－ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｂｌａｓｔｉｎｇ；ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ；ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏ１