西南地区软硬互层岩隧洞爆破参数优化研究
时间：2023-02-27 09:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
王晨浩， 李涛， 林作章， 李晓超
（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；
2.云南建投第一水利水电建设有限公司，昆明 650599）
隧洞施工根据开挖方式可分为钻爆法、盾构法和掘进机法。钻爆法施工工序简单、开挖成本低、对围岩条件适应性强，因而成为当前国内外最为常见的隧洞施工方法。钻爆法隧洞爆破是以钻孔、爆破工序为主，配以装运机械出碴，完成隧洞施工的方法，应用于各类软硬围岩隧洞施工中，尤其是长度较短、断面较小的水工隧洞施工。钻爆法隧洞爆破通过参数优化达到保障围岩稳定、控制围岩超欠挖及提高施工速度的目的。
文中以分析西南地区软硬互层围岩的水工隧洞钻爆破法爆破设计试验实例为切入点，调整对比优化爆破设计参数，总结软硬互层沉积岩爆破设计经验，为类似爆破工程设计、爆破参数优化、施工管理、成本控制提供有价值的参考，展望爆破发展趋势与方向。
1.1 隧洞爆破简介
调整掏槽孔、辅助孔和周边孔是光面爆破设计优化重要一环。掏槽孔是后续爆破效果能好的基础，直接影响隧道爆破的循环进尺和掘进效果，决定辅助孔的自由面；
辅助孔在爆破隧洞围岩中起到扩大掏槽效果的作用，决定后续爆破新的自由面；
周边孔是决定隧洞超挖、欠挖大小和原始围岩损害程度的关键因素[1，2]。
炮孔方向可以与作业面垂直或倾斜，在有明显的裂缝或层理时，炮孔应与岩石裂缝或层理垂直或斜交，尽量避免平行层理和钻入裂隙，掏槽可利用裂缝、层理[3]。
1.2 爆破参数
炮孔爆破参数设计是决定隧洞爆破效果、质量的重要参数，涉及掏槽方式，掏槽孔斜率，炮孔深度、数目、孔距及直径，装药直径，单位岩体炸药用量、单孔装药线系数，周边孔装药不耦合系数，起爆段差、联结网络设置等。
诱变育种是目前最常用的藻种获取手段，包括物理诱变和化学诱变。物理诱变常用的诱变辐射源包括紫外线、半导体激光等各种射线、微波或激光；
常用的化学诱变剂种类有烷化剂、核酸碱基类似物等[8]。研究者们已将诱变育种用于培育高脂质含量的藻种，并取得了一定的效果[9]。诱变育种操作可以方便、快捷地筛选到具有优良性状的藻株，但优良性状的诱变机理尚不明确，表现型不稳定。
根据现场掘进条件（围岩情况、断面情况等）及爆破参数相互关系，结合实际炮孔利用率、四壁超欠挖效果、破碎围岩块度等情况，为达到更优、更适宜爆破效果及质量，从而达到优化调整爆破参数的目的[4]。
隧洞爆破后还需考虑：爆破后围岩面应圆顺平整，超挖量控制在10cm以内并不欠挖；
无破坏围岩原始结构和产生明显裂缝，无较大浮石，炮孔利用率达到90%以上；
炮孔残留痕迹需均匀分布在开挖面上并有一定的痕迹保留率（硬岩≥90%，中硬岩≥70%，软岩≥50%）；
相邻两孔间需保持岩面平整，孔壁无明显裂隙，台阶形出现误差≤150mm。
我国在GB 6722-2014《爆破安全规程》中，对周边建筑物安全采用安全允许振动速度进行爆破安全评价[5，6]，见表1、表2。
表1 部分建筑物爆破振动安全允许标准
表2 新浇大面积混凝土（C20）爆破振动安全允许标准
爆破振动采用质点振动速度测点进行监测，每个测点布置竖直向、水平径向和水平切向（垂直于水平径向）3个方向的传感器。
1.3 爆破试验概况
工程隧洞为4.5m×5m城门洞型，隧洞围岩为互层状微风化砂岩、页岩，页岩单轴饱和抗压强度为9.83～13.4MPa，属较软岩，砂岩单轴饱和抗压强度为37.64～42.6MPa，产状NE70°，NW∠40°，洞向为NE230°，与隧洞斜交，夹角为40°，围岩自稳定时间短，属不稳定，判定为Ⅳ类围岩，如隧洞围岩应力见图1。
图1 隧洞围岩应力
根据炮孔布置图，由测量人员在开挖掌子面上将各炮孔位置做好标记，钻孔采用4台TY-28手风钻钻进，钻孔过程中随时对钻孔深度和斜率进行检测，严格控制炮孔的深度和角度，以便及时纠偏。爆破试验采用“光面钻孔-人工装药-非电微差雷管起爆-装载机装车-自卸车出渣外运-锚杆锚固-挂钢筋网后喷混凝土支护”的流程进行。
根据每次爆破完成后的效果及时调整炮孔的间距和装药量；
出渣完成后，根据开挖轮廓线规则程度、岩面平整度及超欠挖情况、残孔率调整周边光爆孔的间距和装药量、装药起爆形式；
根据底板超欠挖情况来调整底孔间距和装药量及预留量。
每次爆破时，在距离掌子面20m处左侧洞壁、底板、右侧洞壁中部等3处混凝土，布置质点振动速度测点（即监测测点1～3），监测爆破振动效果。
2.1 第1次爆破试验
（1）爆破基本参数：孔径D=42mm；
炮孔深度：掏槽孔L=2.5m，八字型掏槽，倾角32°～35°；
崩塌孔L=2.2m，辅助孔L=2.2m，周边孔L=2m；
药卷直径d=32mm；
周边孔不耦合系数з=1.31（炮眼直径与药包直径的比值）；
周边眼孔距a=50cm；
最小抵抗线（光爆层厚度）W=0.8～1m；
线装药密度：掏槽孔QL=0.2kg/m；
崩塌孔QL=0.2kg/m；
辅助孔QL=0.2kg/m，周边孔QL=0.225kg/m，爆破试验炮孔布置见图2、图3。
图2 第1次爆破试验炮孔布置图（单位：m）
图3 爆破试验掏槽孔、周边孔布置图（单位：m）
（2）钻孔布置：炮孔设掏槽孔1～8号、崩落孔9～18号、辅助孔19～32号、周边孔33～60号、底孔61～64号。掏槽眼比其他炮眼加深50cm，周边孔孔口间距50cm，掏槽孔向内稍斜（32°～35°），周边孔的孔口在断面设计轮廓线内5cm处；
辅助孔间距300～900mm，上稀下密，中部均匀分布。
（3）装药：装填炸药药卷直径均为32mm。掏槽眼单孔装药量1.2kg，共计8孔，共装药9.6kg；
崩落孔单孔装药量0.6kg，共计10孔,共装药6kg；
辅助孔单孔装药量0.6kg，共计14孔，共装药8.4kg；
周边孔采用轴向不耦合装药，单孔装药量0.45kg，共计25孔，共装药11.25kg；
底眼单孔装药量0.9kg，共计4孔，共装药3.6kg。累计装药量：38.85kg。雷管选择：采用四序起爆，掏槽眼1～8号选用1段非电雷管；
辅助孔（崩落孔）9～18号选用3段非电雷管；
辅助孔（崩落孔）19～32号选用5段非电雷管；
周边孔和底孔33～61号选用7段非电雷管。各孔采用导爆管并联，并与起爆雷管串联。起爆雷管采用两枚即发电雷管。起爆联结线路，如图4所示。
图4 起爆联接线路
（4）爆破效果：围岩岩体稳定条件较差，岩体节理裂隙较发育、破碎、局部夹泥，层间结合差；
隧洞采用全断面开挖，放炮后隧洞断面成型差，顶拱及左上方塌方较多，残孔率5%左右，洞渣最远抛掷距离35m见图5；
周边混凝土监测测点1～3的最大爆破振动速度分别为0.21、0.29、0.57cm/s。实测爆破振速低于爆破振动安全允许标准。爆破振动没有对周围建（构）筑物和设备产生破坏性影响。
图5 第1次爆破后隧洞成型
2.2 第2次爆破试验（与第1次爆破试验相比）
（1）爆破基本设计参数和第1次爆破试验相同。
（2）钻孔周边孔孔距a=50cm调整为40cm，底孔仅布置在两侧，对中部进行一部分预留，即掏槽孔1～8号、崩落孔9～18号、辅助孔19～32号、周边孔33～64号、底孔65～68号。调整后爆破试验炮孔布置见图6。
图6 第2次爆破试验炮孔布置图（单位：m）
（3）单孔装药量不变，根据实际炮孔进行装药，即周边孔由25孔变为32孔，装药量由11.25kg调整为14.4kg。累计装药量为42kg。雷管选择：采用四序起爆（仅周边孔和底孔33～68号选用7段非电雷管，其余均与第1次爆破试验一样）。
（4）爆破效果：围岩岩体稳定条件较差，岩体节理裂隙较发育，破碎，局部夹泥，层间结合差；
隧洞采用全断面开挖，放炮后隧洞断面成型差，顶拱及左上方存在30cm厚掉块，右侧有少量超挖，残孔率约8%，洞渣最远抛掷距离32m，爆堆块度普遍直径20～40cm，适宜扒渣机装渣见图7。周边混凝土监测测点1～3的最大爆破振动速度分别为0.32、0.25、0.47cm/s。实测爆破振速低于爆破振动安全允许标准。爆破振动没有对周围建（构）筑物和设备产生破坏性影响。
图7 第2次爆破后隧洞成型图
2.3 第3次爆破试验（与第1次爆破试验相比）
（1）爆破基本参数仅周边孔线装药密度QL=0.225kg/m调整为0.15kg/m。
（2）钻孔周边孔孔距a=50cm调整为40cm；
底孔仅布置在两侧，对中部进行一部分预留，掏槽孔间距由1.88m调整为1.28m，即掏槽孔1～8号、崩落孔9～18号、辅助孔 19～32号、周边孔 33～64号、底孔 65～68号。调整后爆破试验炮孔布置如图8。
图8 第3次爆破试验炮孔布置图（单位：m）
（3）单孔装药量不变，根据实际炮孔进行装药，即周边孔由25孔变为32孔，单孔装药量0.45kg变为0.3kg，装药量由11.25kg调整为9.6kg。累计装药量：37.2kg。雷管选择：采用四序起爆（仅周边孔和底孔33～68号选用7段非电雷管，其余均与第1次爆破试验一样）。
（4）爆破效果：围岩岩体稳定条件较差，岩体节理裂隙较发育、局部夹泥、层间结合差，拱顶右侧有煤线层；
隧洞采用全断面开挖，放炮后隧洞断面成型差，顶拱右侧存在20cm厚掉块，右侧边墙局部超挖0.1～0.2m超挖，边墙呈锯齿状，残孔率10%左右，洞渣最远抛掷距离30m，爆堆块度普遍直径约20～40cm，适宜扒渣机装渣见图9。周边混凝土监测测点1～3的最大爆破振动速度分别为0.36、0.45、0.41cm/s。实测爆破振速低于爆破振动安全允许标准。爆破振动没有对周围建（构）筑物和设备产生破坏性影响，地表无新增裂隙，表明爆破对周围建（构）筑物影响极小。
图9 第3次爆破后隧洞成型图
（1）隧洞采用全断面开挖形式，周边成型采用光面爆破施工，每循环控制在2m范围内，岩层破碎或自稳性差时随挖随衬；
岩层条件较好时在排危后作随机锚杆简易支护，掘进2循环后一并初期支护。
（2）受制于岩层结构面导致各向异性，洞脸径向成型较差，钻孔作业时钻杆角度与洞轴线、围岩层面存在较大夹角。钻孔过程应在相邻已成孔内插入外露导向杆，作为炮孔作业的方向参照。
（3）光面爆破周边孔经验值0.4m已满足成型要求，但光面残孔率低，个别部位存在欠挖岩坎。主要原因是起爆未采用导爆索起爆，装药间隔过大，炮孔堵塞严重不足。
（4）底孔造孔位于设计开挖线上，爆破时对隧洞底板造成震动破坏，雨季洞内存在渗水，加上施工遗水，重载车辆反复碾压，造成底板超挖，经济成本提高。后续底板开挖时应预留0.2m作为保护层，模筑衬砌前采用机械对个别欠挖部分凿除。
（5）软硬互层围岩通过试验表明，爆破参数应选第3次爆破试验参数，最佳单次药量37.2kg。
（6）有水地段爆破炸药应采用乳化炸药，其他段应采用销铵炸药，雷管类别可选电雷管、毫秒管（奇数段1～7段，严格控制最大一段的装药量）、导爆索，起爆形式应选各序孔并联，起爆电雷管串联，导爆管起爆。
（1）调整掏槽孔间距、辅助孔及周边孔间距是控制围岩爆破效果有效方式，软硬互层状围岩需根据实际情况适时缩小各孔间距。
（2）城门洞型断面的侧壁和顶拱是爆破活动中的较为薄弱段，软硬互层围岩爆破应根据侧壁和顶拱爆破效果进行调整，同时应在隧洞底部布置一定的保护层预留。
（3）软弱互层围岩的层面在爆破设计中应予以考虑，隧洞洞向为顺层面方向时洞顶易形成凌空导致超挖，垂直层面且与层面呈大角度相交时，易产生不可预见性掉块。
（4）人工智能、大数据是近些年发展的重点，隧洞爆破过程中应适时加入智能监测和大数据预测，施工过程中可根据实际的围岩情况、爆破效果及炸药性能等监测成果，及时不断完善调整爆破参数，进而达到提高爆破质量、控制施工成本等目的。
（1）走出高质量发展是新时代的进击之路，倡导各行各业、各个领域高质量发展是大趋势、大方向，视情况随时调整爆破参数优化是隧洞工程建设高质量发展的重要一环。
（2）西南地区软硬互层岩隧洞爆破参数优化，总结实践经验，为类似爆破工程设计、爆破参数优化、施工管理、成本控制提供有价值的参考。
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