隧洞软弱围岩控制爆破设计与施工

隧洞软弱围岩控制爆破设计与施工1.前言: 随着我国水电建设的不断发展,长、宽、高具有一定规模的大型地下厂房及长距离,大直径的引水隧洞工程相应增多。它们规模尺寸大,同时洞挖的工程地质条件也愈趋复杂,施工难度随之增大。目前,国内掘进设备以一般气腿风钻与二臂和三臂台车为主,大多数地下工程还是采用常规钻,爆法施工,采用此工艺对破碎围岩,埋深浅的隧洞施工时,如何减少对罔岩的扰动,提高围岩自稳能力,隧洞施工时局部失稳还经常出现,如何解决好这个问题,确定一个合理的开挖程序是十分重要的。在软弱围岩施工时爆破设计总体思路是采用光面爆破,核心部分采用控制爆破,掏槽为抛掷爆破从而达到了减轻爆破对围岩扰动,减轻振动强度,提高利用围岩自身的稳定性。要达到这一点,就必须合理确定开挖方案,选择合理的爆破参数及合理的支护方式。2.开挖方案确定: 2.1软弱围岩,一般指岩坚固系数f=1.5-6范围内,围岩分类中属IV、V类,围岩处于强风化卸荷带,,裂隙发育,围岩中夹有薄层软弱体与渗水出现。对于在围岩软弱、破碎、松散情况下,进行大跨度地下洞室开挖施工中,为预防顶部塌方,保证施工人员及设备安全,保证开挖质量,进度和效益。施工方法采用先开挖顶拱部分,顶拱部分开挖后利用面积与高度较小,立即进行支护。上部平台应就保持在4--5m范围,然后在进行下部左、右边墙开挖,最后开挖核心部分(见图)层层下降,边墙开挖后立即进行支护。 同时还有一种方法叫支撑墙(抽条法)开挖大跨度地下洞室,它的基本设想是采用支撑墙的分隔,与支撑作用,将一个大跨度的地下洞室分割成几个一般跨度地下洞室,从而达到洞挖过程中使施工难度减小。(方法见图）3.爆破方案的确定: 3.1光面爆破: 在一般软弱围岩隧洞开挖中,己广泛运用光面爆破这一先进的爆破技术,施工中采用该技术是利用岩石的白重有助于周边孔在最后起爆时岩面沿周边孔开裂。周边孔间距取值合理时,能使炮孔间拉应力超过该处岩石的动拉强度,从而使炮孔与炮孔间发生贯穿裂隙达到光爆效果。这时,不仅得到了光爆效果,而且降低周边孔爆破时对围岩的振动强度。 下半断面开挖时周边采用光面爆破,(由于岩软弱和裂隙发育时,预裂很难达到效果),有利于保护围岩稳定,当围岩为VI、V岩石时,开挖的自稳时间很短,应立即进行支护。 3.2掏槽孔: 隧洞开挖时,掏槽孔的药量是最大的,因此,在观测中发现,掏槽孔的振动强度比其它炮孔的振动强度大。所以;在弱围岩中为减小掏槽孔爆破的振动强度,维护围岩自身稳定,宜选用模形掏槽。对一般高为6--7m,宽5--6m的隧洞进行全断面开挖时楔形掏槽孔的位置不宜太高,把掏槽孔布置于洞高的三分之一处,这样用增大距离来减小来自药包中心的强大冲击压力对顶拱破坏,达到减振效果。 同时,为减少掏槽时药量偏大,产生切向拉应力超过岩石的抗拉强度,使围岩产生破坏。可采用二次掏槽法,利用掏槽孔内微差起爆,第一段雷管起爆后为第二段雷管起爆提供临空面,减轻岩石的夹制作用,达到较好的掏槽效果。又使一次起爆药量减少,减小了振动破坏。(见图)4.爆破器材的选定 4.1炸药: 施工时其开挖方式确定后,应根据围岩特征,合理选择炸药,确定装药量与装药结构,同时,因软弱围岩的抗拉强度低,雷管它的声阻系数Pc值比较小,为充分发挥炸药的最大效应和减小对围岩的破坏,应选择低爆速炸药。 低爆速炸药它有效降低波阵面上的爆轰压力,改善爆破效果,提高爆破质量。由于炸药猛度低,可减轻炸药对围岩的过度破坏,使光面爆破造成的裂缝尽可能控制在合理范围内。 4.2雷管与段间隔差： 隧洞施工中,应选择安全、可靠的非电雷管。为达到大断面的爆破减振要求(特别在软弱围岩施工中),雷管应有足够的段数,隧洞大断面爆破时,断面达到10×18m时,雷管要有1--15段别雷管。同时,为避免由于爆破时振动强度的叠加,这时应注意加大雷管的段间隔差,雷管跳段使用时,掏槽孔间隔时间50--75ms,辅助孔100--150ms,崩落孔与周地孔的间隔时差应>150ms。 4.3循环进尺： 软弱围岩中进行隧洞开挖时,开挖后围岩自稳时间很短,这时应根据实际地质条件,施工单位的支护手段,施工进度来按排考虑循环进尺,在软弱围岩中,循环进尺一般控制在0.8-1.5m内。 4.4起爆顺序: 采用光面爆破,从掏槽孔开始,一层一层地从中心往外进行,最后是周边孔爆破。不同炮孔或相同而多层的炮孔,在布置雷管段位时应注意:①合理的间隔时间。②避免爆破冲击波叠加。③同一段炮孔的装药量应小于最大单段的允许装药量。④前一段的起爆是为后段爆破创造临空面。 起爆方式:非电毫秒雷管分组并联后,串联火雷管或者也雷管引爆。5.爆破参数的选定: 软弱围岩中施工,应清楚认识到采用光面爆破,它对减轻围岩的破坏,减少超挖,避免局部冒顶等方面,其作用是很大的,愈是围岩软弱,愈应采取光面爆破技术,这更有利岩体自身稳定。 光面爆破是一种人为的控制爆破,施工中主要应正确选用爆破参数。 光面爆破的主要参数有:炮孔直径D,炮孔深度L,周边孔的间距a,最小抵抗线w,炮眼密集系数a/w,炸药直径d,不偶合系数D/d,单孔装药最qa,炮眼总数N,一次爆破总装药量计算Q。 首先,根据工程需要初步定山爆破参数,再通过现场试验修正确定。 ①炮孔深度L,以总进度,不同的围岩,钻孔机具确定循环进尺与钻孔深,;掏槽孔应加深15--20%。 ②N=炮孔数目N,可根据下式计算。 N=qv/qd q--开挖每M3岩石的炸药耗量 v--隧洞开挖岩体、体积M3 qd--每个炮孔平均装药量kg计算后,可另加掏槽孔。 ③炮孔布置: 隧洞施工时,首先应布置掏槽孔,辅助掏槽孔,周边孔,然后是底板孔,崩落孔,崩落孔的层次多,钻孔数量多。 掏槽孔的作用是给其它炮孔创造临空面,它的效果好坏,直接影响爆破效果。辅助掏槽孔是协助掏槽孔扩大临空面,每对掏槽孔的孔底距离为15--20cm。崩落孔位于掏槽孔周边孔的中间,在临空面形成后,一层层剥落岩体,扩展临空面。周边孔是位于隧洞轮廓线上,它保证开挖断面符合设计要求。周边孔参考经验计算公式为: 围岩较破碎时周边孔间距a=（15--10)D,D一炮孔直径。炮孔直径为40--42mm时建议周边孔在软弱围岩时取a=12.5d。 周地孔的抵抗线:W=(10--20)D时取平均值 D--炮孔直径。 岩石破碎取大值反之孔径小,岩石竖硬取小值,炮孔密集系数m,一般m=q/w=0.7--0.8为宜。 一次爆破总区量的计算: Q=q.s.L q--单位炸药消耗量kg/m3 s--开挖段面积m2 L--炮孔深度m: 单眼装药量的计算: ①周边孔可参照光面爆破进行计算:装药密度:q=0.33ekw2C e--炸药换算系数:乳化炸药取1.05 k--标准漏斗爆破时单位体积耗药量 c--荷载阻抗系数:上半弧1--1.2,下半弧l.2--1.8. ②其他各炮孔装药量:q=a.k.w.l.λ a--炮孔间距m计 w--炮孔爆破方向的抵抗线m计 l--炮孔深度m计 λ--炮孔所在部位系数,见表。 5.2周边孔装药结构 ①孔底集中装药 把计算出的每孔炸药量用φ22的光爆药卷全部装在孔底,在靠药卷处堵l5--20cm的炮泥。然后在炮孔口堵近30cm的炮泥,中间隔以空气柱。 ②分段装药 用φ22药卷,把孔炸药量分成两部份,25集中装在孔底,然后用黄泥堵塞10--20cm,紧挨炮泥装余下1/3的炸药,孔口堵炮泥30cm,这种装药方式减少震动,消除了挂门帘现象。但得用2发雷管。 ③间隔装药导爆索起爆 软弱围岩中,采用竹片、导爆索、小药卷(φ22长200mm)间隔装药,同时考虑到能量分配准则,底部可适当加强,孔口堵塞30cm炮泥,这种爆破效果较好。6.控制爆破施工实例 6.1地质特点 甘肃省引大入秦灌溉工程总干渠39#隧洞长1509.29m,开挖断面形式为马蹄型和城门型,马蹄型开挖直径5.8m,底宽4.3m。隧洞从桩号CH86+527.36m至桩号86+707.66m段,洞长180.3m,围岩为奥陶系千枚状板岩夹薄层变质砂岩断层挤压破碎带,属于V类围岩。在桩号86+6095--86+640处总长30.5m的隧洞埋深仅有5.6--8.9m. 针对该地质情况,依据新奥法施工隧洞的原则,以提高围岩自承能力,隧洞采用光面爆破法施工. 6.2洞挖与掏槽方式扩 39#隧洞断层挤压破碎,常的开挖时,采用全断面开挖,汽车搭设平台,YT--28气腿凿岩机钻孔。掏槽方式选用模形掏槽,掏槽孔布置在中部靠下的位置上,掏槽孔对称布置共6个。二槽孔6个,炮孔孔,径为φ42mm(见布孔图)。 6.3光面爆破参数确定 在光面爆破施工时,影响光面爆破的主要因素有:周地孔间距a,抵抗线w,炮孔密集系数q/w,炸药直径d,不偶合系数D/d、装药结构等。39#隧洞破碎带,施工时,每一循环进尺控制在1.5m内,隧洞面积26.5m2,总装药量31.8kg,单位耗药量:0.8kg/m3,炸药选用销铵2#岩石炸药,直径为φ32与φ25,长200mm两种,周边孔装φ25的炸药。光面爆破的基本参数见上表。 同时,在装药结构上采用柱状连续续药,靠药卷处堵10cm的炮泥,中间隔以空气柱。 起爆方式:采用非电毫秒雷管分组并联,然后串联火苗管引爆。 6.4爆破效果 39#隧洞挤压破碎软弱带施工时,采用光面爆破,周边孔孔距为60cm,最小抵抗线70--80cm,装药集中度q=285g/m时,光爆效果较好,隧洞成别较好,超挖控制;在15--20cm,个别地方最大35cm。洞壁留痕率达85%,爆破效率达到95%,炸药单耗量为0.7--0.8kg/m3。爆破后堆碴集中,块度适中,便于装运。7.几点认识 ①采用光面爆破技术要取得较好效果,一要有一支过硬、素质高的施工队伍,二要选用合理的爆破参数,三要有得力的技术人员随时修正、调整爆破参数。特别是皮孔的施工质量耍要求高,钻孔位置、深度、角度等必须准确。 ②光面爆破中的装药量装药结构必须按措施要求和规定的药量装填。当岩石发生变化参数