水垫封光面爆破技术在隧道掘进中的应用研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 - 487 X. 2020.01.011 水垫封光面爆破技术在隧道掘进中的应用研究 1.中交一公局第四工程有限公司，南宁530003 ；2,贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳550002； 3.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆401121 ；4,武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070 摘要为解决隧道掘进过程中存在的爆破效果差、超挖现象凸显、围岩稳定性得不到保证的问题,利用水 垫封光面爆破技术，进行参数优化实验。实验结果表明当底部水袋高度在10-25 c m之间，顶部水袋高度 在20 -35 c m之间，水袋总高度在30 -7 0 c m之间时，随着底部水袋高度和水袋总高度的增加，半孔率总体 逐渐减小，炮孔利用率总体降低，爆破块度呈增大趋势，通风时间先增大后减小。利用优化实验结果对比常 规光面爆破进行分析，半孔率提高了 8.7,炮孔平均利用率增大10.1,通风时间减少 采取一定措施有效控制以上因素，对爆破施工要求 和爆破技术发展具有重要意义。龙勇使用光面护壁 爆破技术,有效减少了围岩的扰动和破坏，取得了良 好的光面爆破效果⑷。罗志光采用固液气三相爆 破技术，使半孔残留率到达95左右⑵。刘坚⑶、 李海港⑷、刘海波⑸、王振江等人利用水压爆破技 术,实现隧道爆破开挖成本低、掘进速度快和防尘减 震效果好同。水垫封光面爆破是指在炮孔底部增 设一定高度的水袋作为垫层,装药之后在炮孔顶部 利用水袋取代炮泥作为炮孔填塞物，中部通过空气 间隔,用这种方式进行光面爆破的技术。水垫封光 面爆破的使用具有很好的降尘作用，装入的水量越 多，其降尘效果越佳。但是，不同的底部和顶部的水 袋装入量却影响着单次进尺、爆破效果和围岩的平 整度，因此确定底部和顶部水袋的填塞高度尤为重 要。结合龙那1号隧道，利用水垫封光面爆破技术, 通过优化实验综合分析选择合理的参数进行施工, 解决爆破施工中存在的问题，为其他类似工程提供 借鉴。 1工程概况 11工程简介工程简介 龙那1号隧道进口位于广西天等县福新乡隆昌 屯北西侧,出口位于广西天等县福新乡龙郡屯东南 侧,隧道设计分为左线和右线，分离式越岭隧道，属 长隧道。隧道区属丘陵及峰林地貌,地面线呈波状 起伏。峰林大致呈东西向延展，隧道岩层以石灰岩 为主，围岩级别有n i、iv级,隧道区岩溶发育一般，属 岩溶弱发育区，部分地段存在岩溶问题。隧道区山 体及山脚未发现地表水体，根据现地质调查,石灰岩 较深部位中赋存有裂隙水和岩溶水，裂隙水主要是 大气降水时沿岩石的风化裂隙下渗;岩溶水主要赋 存于石灰岩的溶隙及溶洞中，主要受大气降水及地 表水补给。 收稿日期2019-10-25 作者简介李继业1975 -,男，山东淄博人，路桥工程师，主要从事 高速公路技术管理工作，E-mail602574716 qq. com0 通讯作者何兴贵1991 男，贵州六枝人，工程师、硕士，主要从 事工程爆破及安全技术研究，E-mail 1175139942 qq. como 基金项目贵州省爆破工程技术研究中心能力提升平台建设一黔 科合高G字2015 4004；2017年创新型领军企业再支 持一黔科合成果[2017] 4774 1.2存在问题存在问题 采用常规的装药结构进行光面爆破时,隧道断 面完整性较差，超欠挖现象凸显见图1,存在围岩 径向裂缝，围岩稳定性得不到保证，爆破施工安全得 不到保障。 图1常规光面爆破爆后效果 Fig. 1 Po st bl a st in g effec t o f c o n ven t io n a l smo o t h bl a st in g 2爆破设计 根据隧道洞身围岩的特点，n i级围岩开挖采用 光面爆破,W级围岩采用控制爆破。总的设计思想 是拱部采用光面爆破,边墙采用预裂爆破,核心采用 控制爆破。主要采用水垫封光面爆破掘进作业，严 格控制超、欠挖，尽量减小扰动围岩。在施工中根据 光面爆破设计结合现场地质情况进行爆破试验,不 断修正爆破参数,达到最优爆破效果,采取边开挖边 初期支护。 2.1全断面爆破设计全断面爆破设计 对于隧道爆破开挖，爆破开挖方式和孔网参数 与隧道围岩等级、炸药种类、炮孔大小和断面大小等 有较大关系,而爆破效果的好坏则与掏槽方式、起爆 顺序、进尺、装药结构等有关⑵，爆破设计的合理性 将严重影响爆破施工进度和成本。龙那1号隧道爆 破开挖的掏槽眼、辅助眼及底板眼采用连续不耦合 装药装药，采用1、3、5、7、9、11、13、15段毫秒延期爆 破;周边眼采用轴向径向不耦合装药光面爆破，药卷 之间采用导爆索连接，采用二级复式楔形掏槽作为 掏槽方式，隧道断面炮孔设计图见图2,图中1、3、 5、7、9、11、13 和 15 分别代表 1、3、5、7、9、11、 13、15段别的延期导爆管雷管。 2.2孔网参数孔网参数 结合设备条件和要求设计光面爆破的爆破孔, 炮孔直径为42 mm,周边眼孔间距E是直接控制开 挖轮廓面平整度的主要因素，一般情况下E 10 15 d,d为炮孔直径,计算得到炮眼间距E设计范围 为420〜630 mm,取450 mm；最小抵抗线的大小应 76爆破2020年3月 以大于炮孔间距大小为原则，根据最小抵抗线计算 公式册E/r n, W为最小抵抗线,m为密集系数,m 取0.8,计算得到W 562. 5 mm,取560 mm。根据 现场实际施工条件，装药集中度g取0.2 k g/m,不 耦合系数D d /d炸1.4；以上参数随岩石性质 和具体的施工条件做适当调整，隧道全断面爆破参 数见表1。 图2隧道全断面炮孔设计图单位c m Fig. 2 Ful l sec t io n ho l e design dra win g o t un n el un it c m 3水垫封光面爆破技术 为了高效利用炸药爆炸能量，同时实现降尘的 目的,利用水垫封光面爆破关键技术,通过多个循环 爆破效果对比分析，优化炮眼中顶部和底部注水长 度与炮泥回填堵塞长度的最佳比例，对各部位炮眼 进行药量分配,其装药量按照递减的原则进行分配， 周边眼采用小直径药卷。 3.1装药技术装药技术 1 爆破器材 炸药采用2岩石乳化炸药，周边眼采用 e 25 mm药卷，炮孔内炸药通过导爆索连接,其它采 用直径032 mm标准药卷。连接管及孔内管均采 用非电毫秒雷管。 2 装药结构 周边眼装药结构采用轴向和径向不耦合装药， 药卷之间采用导爆索进行连接，紧邻药卷的底部和 顶部设置水袋，填塞物采用炮泥填塞,常规周边眼装 药结构图和水垫封光面爆破周边眼装药结构图分别 见图3和图4。 3 水袋 往炮眼中注水的方法为采用普通的塑料袋，直 接灌水并封口，要求水袋封口后不泄不漏、灌填饱 满，总的灌水量根据炮孔内对水袋填塞部分的高度 人要求进行调整，则灌水量为V M2/4O式中V 为灌水量;d为炮孔直径。 表1隧道断面钻爆参数 Table 1 Drilling and blasting parameters of tunnel section 部位 炮眼 数量 炮眼装药药卷单孔装合计装类管 名称深度/m系数/直径/mm药量/k g药量/k g段别 掏槽眼81.880321.058.40MS -1 掏槽眼82.780321.6513.20MS -1 上 掘进眼92.570321.358.10MS-3 断掘进眼132.570321.3517 .55MS-5 面 辅助眼202.560321.2024.00MS-5 周边眼372.540250.6022.20MS-7 底板眼122.570321.3516.20MS-9 小计107109.65 掏槽眼82.570321.3510.80MS -1 掏槽眼82.570321.3510.80MS-3 下 掘进眼82.570321.3510.80MS-5 断掘进眼82.570321.3510.80MS-5 面 辅助眼122.570321.3516.20MS-7 周边眼122.540250.607 .20MS-5 底板眼172.570321.3522.95MS-7 小计7389.55 第37卷第1期李继业,张剑兴，何兴贵,等水垫封光面爆破技术在隧道掘进中的应用研究77 图3常规光面爆破装药结构示意图 Fig. 3 A sc hema t ic dia gra m o f t he st ruc t ure o f c o n ven t io n a l l ight surfa c e bl a st in g 图4水垫封光面爆破装药结构示意图 Fig. 4 A sc hema t ic dia gra m o f t he st ruc t ure o f t he smo o t h bl a st in g o f wa t er c ushio n in g a n d sea l in g 4炮眼堵塞 每个作业面配1台炮泥机,现场加工炮泥，最小 堵塞长度不小于30 c m,要求堵塞密实，不能有空隙 或间断。 3.2爆破实验爆破实验 1水垫封光面爆破优化实验 水垫封光面爆破主要是通过在孔底和药包以上 部分设置水袋，炸药爆炸后释放的能量作用于水袋 上,水袋在高温高压下发生气化，从而发生“水楔” 效应，由于水具有不可压缩性,其破岩效果优于空气 的破岩作用,因此水垫封光面爆破效果较常规光面 爆破好,但是由于水袋的填塞高度影响炸药集中度, 也会由于炸药位置的不同而影响爆破效果，最后对 爆破后各指标造成影响。因此，采用设计方案参数 作为优化实验孔网参数，首先选择水袋高度作为变 量进行优化实验；底部水袋高度虹参数分别为 10 c m、15 c m、20 c m、25 c m,顶部水袋高度h2分别 为20 c m、25 c m、30 c m、35 c m,水袋总高度用h表 示，其中h hx 仏，利用以上参数进行正交实验, 具体优化实验参数和实验结果见表2。 表2水垫封光面爆破实验参数及结果 Table 2 Experimental parameters and results of the smooth blasting of water cushioning and sealing 实验底部水袋顶部水袋平均炮孔平均通风时间/ 进尺/m 爆破 编号 高度屁/c m高度h2/cm 半孔率/利用率/min块度/c m 1102094.292.319.22.3225 2102593.890.517 .82.2926 3103093.191.216.72.3025 4103592.690.615.82.2724 5152093.590.221.32.2626 6152592.989.518.92.2527 7153092.289.117 .12.2726 8153591.588.616.42.2425 9202092.388.718.92.2128 10202591.888.216.82.2027 11203091.487 .615.92.1529 12203591.186.915.42.0927 13252092.486.418.22.1129 14252591.785.916.12.0228 15253091.185.215.51.9929 16253590.184.915.21.9630 2实验结果分析 1水袋总高度对平均半孔率的影响分析 水袋总高度对炮孔半孔率的影响主要是底部和 顶部水袋的高度变化改变了药包在炮孔内位置，使 炸药的能量分布发生改变，从而造成岩体不同程度 的损伤囘，从而使半孔率发生改变。为了分析顶部 水袋高度和底部水袋高度对平均半孔率的影响，选 取不同顶部水袋和底部水袋的总水量情况下,半孔 率的变化情况，水袋总高度和半孔率关系见图5。 由图5可知，在底部水袋高度屁确定的情况下，随 着水袋总高度h的增加，半孔率降低；随着底部水袋 高度的增加,半孔率总体逐渐减小。 2水袋总高度对炮孔平均利用率的影响分析 水垫封光面爆破主要是利用水袋替换空气作为 爆炸能量的传播介质，将“气楔”作用变为“水楔”作 用,但是由于爆炸应力波衰减速度较快，水袋高度较 大时，由于爆炸能量的衰减造成“水楔”作用降低, 同时受到夹滞作用的影响,炮孔利用率发生改变。 78爆破2020年3月 根据以上分析，采用底部水袋高度作为炮孔利用率 的影响因素，分析炮孔利用率的变化关系,炮孔利用 率随底部水袋高度变化关系见图6。由图6可知, 当底部水袋屁10 c m时，随着水袋总高度的增加, 炮孔利用率呈现先减小后增加最后再减小的趋势; 当底部水袋高度屁＞20 c m时，底部水袋高度一定 的情况下,随着水袋总高度增加，炮孔利用率逐渐降 低。水袋高度与进尺关系见图7所示。总体上来 看，随着底部水袋高度的增加，炮孔利用率总体 降低。 6 4 2 0 6 4 2 0 9 9 9 9 9 9 9 9 / * - * / * - * 方1 10 cm ♦方 115 cm ▲方］20 cm ---力125 cm 25 35 45 55 65 水袋总高度/cm 、、*-**-* 图5水袋总高度和半孔率变化关系 Fig. 5 The rel a t io n ship bet ween t he t o t a l height o f wa t er ba g a n d t he c ha n ge o f t he ha l f ho l e ra t e 84 ---------------1---------------1---------------1---------------1 25 35 45 55 65 水袋总高度/cm 图6水袋总高度和炮孔利用率变化关系 Fig. 6 The rel a t io n ship bet ween t he t o t a l h利用水垫封光面爆破 技术进行开挖，主要是通过用水量降低爆破粉尘 量E ,用水量的增加将增大降尘作用，从而减小通 风时间。但是随着用水量的增加，药量集中而使局 部岩石破坏程度增加，从而造成粉尘量的增加。因 此,不同的用水量对粉尘量具有很大的影响。采用 FCS -30型粉尘采样器对爆破粉尘浓度进行监测，每 次采样点距工作面相对位置及高度固定，当监测的 粉尘浓度降低为4 mg/m3时，记录其通风时间。根 据实验结果,水袋总高度与通风时间关系图见图8。 由图8可知，随着水袋总高度的增加,通风时间先增 大后减小，当屁25 c m时,整体通风时间较短。 0 5 0 5 0 5 0 5 2 1 1 2 1 1 0 1---------------1---------------1---------------1--------------- 25 35 45 55 65 水袋总高度/cm 图8水袋总高度和通风时间变化关系 Fig. 8 The rel a t io n ship bet ween t he t o t a l height o f wa t er ba g a n d t he c ha n ge o f ven t il a t io n t ime 爆破块度通常与线装药密度、孔网参数和地质 构造条件有关，相邻炮孔的合理间距影响爆破效果 的好坏⑴］，对于合理的光面爆破孔网参数,线装药 密度和地质构造条件为影响爆破块度的主要因素。 在水垫封光面爆破过程中，水袋总高度影响药包之 间的距离,从而影响线装药密度，改变了块度分布情 况。因此，选取水袋总高度和块度变化值进行分析 得图9。由图9可知，随着水袋总高度的增加，爆破 块度总体呈现增大趋势，而底部水袋高度一定的情 况下,爆破块度变化较小。 m -sw m -sw 力］10 cm .力］15 cm 方］20 cm M方i25 cm 35 45 55 65 水袋总高度/cm 图9水袋总高度和块度变化关系 Fig. 9 The rel a t io n ship bet ween t he t o t a l h随着底部水袋高度的增 加，半孔率总体逐渐减小。 2 当底部水袋高度大于20 c m时，底部水袋 高度一定的情况下,随着水袋总高度增加，炮孔利用 率逐渐降低；总体上来看，随着底部水袋高度的增 加，炮孔利用率总体降低。 3 随着水袋总高度的增加，通风时间先增大 后减小,爆破块度总体呈现增大趋势,而底部水袋高 度一定的情况下,爆破块度变化较小。 当然,对于水垫封光面爆破,不同的孔网参数对 应不同的装药量，造成同一孔底水袋和顶部水袋高 度会产生不同的爆破效果;因此，在水袋高度参数的 选择应根据孔网参数进行优化，方能有效的提高爆 破效果。 参考文献参考文献References [1] 龙勇,朱传贤，王明宽.长龙山抽蓄电站光面爆破技 术的应用[J].工程爆破,2017,234 75-77,81. 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