地铁区间隧道不同装药结构光面爆破应用研究.pdf

第3 0 卷第2 期 2 0 1 3 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 0N o ．2 J u n ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 1 8 地铁区间隧道不同装药结构光面爆破应用研究术 杨仁树h 岫，车玉龙h 岫，孙强h ，杨国梁h ，白晓生h ，廖正彪2 1 ．中国矿业大学 北京 a ．力学与建筑T 程学院；b ．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．天津水泥工业设计研究院有限公司，天津3 0 0 4 0 0 摘要为了提高光面爆破效果，以青岛地铁为工程背景，进行了周边孔不同装药结构的光面爆破试验研 究。理论分析了连续装药和间隔装药2 种装药结构爆破对孔壁的压力情况，从切缝药包爆破裂纹的成缝机 理上，解释了切缝药包定向断裂控制爆破技术改善光面爆破效果的原因。通过现场应用得出当进尺为1m 且岩性较好时，采用连续装药结构，岩性较差时．采用切缝药包连续装药结构；当进尺在l 一2m 且岩性较好 时。采用轴向空气间隔装药结构，岩性较差时．采用切缝药包轴向空气间隔装药。施工中取得了理想的爆破 效果，施工经验被青岛其它2 条地铁线及相关隧道所吸纳。 关键词装药结构；爆炸压力；切缝药包；光面爆破 中图分类号T D 2 3 S ．3 7 4文献标识码A 文章编号 1 0 0 l 一4 8 7 x 2 0 1 3 0 2 0 0 9 0 一0 5 A p p l i e dR e s e a r c ho nS m o o t hB l a s t i n gw i t hD i f f e r e n t C h a r g eS t r u c t u r ei nM e t r oR u n I l i n gT u n n e l M 鹏尺似s “8 m ，c 嬲玩勘增1 4 ，1 b ，s 洲Q 玩增1 l ，M ⅣGG ∞．如耐‘，鲋J 『胁o ．s k 昭’丑，埘。砒n g - 6 洳2 1 ．a ．S c h o o lo fM e c h a n i c s C i v i lE n g i n e e r i n g ；b ．S t a t eK e yL a bo fG e o M e c h a n i c sa n dD e e pU n d e I g m u n d E n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i V e r s i t yo fM i n i n g T b c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．T i a n j i nC e m e n tI n d u s t r yD e s i g na n dR e s e 剖．c hI n s t i t u t eC oL t d ，T i a n j i n3 0 0 4 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oi m p m v e 出e 胡＆t0 fs m 0 0 t hb l 鼬t i n g ，t a k i l l gt I I eQ i n g d ∞s u b w a y 鹪e n 画n ∞r i n gb ∞k - g m u n d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e 鸵a r c hw 踮p e d - 0 m e d 诵t } ld i Ⅱ．e 陀mc h a r g es 仇l c t u r ∞i ns u r m u n d i n gh o l 鹤．T h eb l a 8 t h o l ep r e s s u 诧u n d e rd e c k e dc h a r g e 曲dc o n t i n u 伽sc h a r g ew 够a n a l y z e dt h e o 他t i c a l l y ．n ec a u 舱0 fi m p m v i l l gs m o o t h b l a s t j n ge f 五e c tb yc 明t m l l e db l 踮t i r I gt e c h n i q I I ew 船e x p l a i n e dw i t } l ∞w i I l gm e c h 粕i c so fc u t t i I l gB 姗c a 晡d g eb I a s t i I l g ．，n l e6 e l dt e s ts h o w e dt h t 山ec ∞t i n u 加sc h a r g es t n I c t u 陀c 卸b e 印p l i e dw h e nt 1 1 ef 曲屯a g ew 船lm 蚰dt 1 1 el i t h o I o g yw 鹪i d e a l ，b u tw h e nt } 地l i t h o I o g yw 鹪p ∞r ，t } I ec u n i n g ∞蛐c 砌d g ec o n t i n u 伽8c h 盯g es t n J c t u 陀s h o u l db e u s e d ．W h e nt h e ‰t a g ew 曲l 一2m 锄dI i n l o l o g yw 鹅i d e a l ，t I 地a 】【i a la i rs p a c e dc h a 日g ec o u l db eu s e d ．W h e nt l I e J i t h o l o g yw 砸p o o r ，t h e “j a la j rs p a c e dc h a r g e 丽t hc u H i n gs 湖c a r t r i d g es h o u l db eu s e d ． K e yw o r d s c h a r g es t m c t u r e ；e x p l ∞i o np r e s s u 陀；c u t t i n gs 锄c 毗r i d g e ；s m ∞t I Ib l a s t i I I g 光面爆破是通过科学设计爆破参数、合理布置 炮孔位置、有效控制装药量、采用合理的装药结构， 收稿日期2 0 1 3 一0 4 0 4 作者简介杨f 树 1 9 6 3 一 ．男，安徽和县人，教授、博士生导师，从 事岩土工程方面的研究， E r n a i l c y J 9 8 0 8 y a l I ∞． C o m ．C n o 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 1 3 4 0 2 5 ；国家自然科学 基金面上项目 5 1 2 7 4 2 0 3 使得爆破后留下的开挖轮廓较为平滑，半眼痕残留 率较高⋯。光面爆破施工，有助于减少对围岩的扰 动，有利于围岩的稳定，使区间隧道成型规整，尺寸 符合设计要求，减少超挖或欠挖现象，达到优质安全 的目的。光面爆破同时还具有施工速度快、节约材 料、降低造价等一系列优点。．目前，光面爆破在隧道 工程施工中得到了广泛应用，从小跨度发展到中、大 万方数据 第3 0 卷第2 期杨仁树，车玉龙，孙强，等地铁区间隧道不同装药结构光面爆破应用研究 9 l 跨度，从坚硬岩石发展到松软围岩，从浅埋发展到深 埋【2 4 ] 。影响光面爆破的因素很多，近年来，研究装 药结构对光面爆破的影响成为了人们关注的重点并 进行了大量的研究”剖。通过以上研究得出，目前 较为理想的装药结构为不耦合装药结构，结合现场 实际施工，不耦合装药结构多指以空气作为介质的 径向不耦合轴向连续装药和间段装药结构。上述2 种装药结构在青岛地铁隧道施工中得到了广泛的应 用，但是当围岩节理裂隙较发育，风化程度较高时， 光爆效果得不到保证。近年来中国矿业大学 北 京 在实验室试验、数值模拟及现场应用等方面对 定向断裂控制爆破技术方面做了大量的研究工 作p d 2 1 ，研究成果表明运用定向断裂控制爆破能够 实现周边精确成型，保护围岩的稳定性，提高周边眼 炮眼利用率及半眼痕残留率。将切缝药包定向断裂 控制爆破技术应用到城市地铁光面爆破施工成为了 一种新的控制手段。以青岛地铁3 号线为工程背 景，对不同环境下的地铁爆破施工采用不同装药结 构进行光面爆破，分析爆破效果和总结爆破经验。 l 爆炸压力的理论分析 目前关于光面爆破的成缝机理归纳起来有3 种 解释第一种是应力波波峰的干涉；第二种是爆炸气 体高压静力作用；第三种是应力波与爆炸气体的综 合作用，具有一定代表性，即认为相邻装药的贯穿裂 缝往往不是靠应力波的叠加所形成，而是各装药激 起应力波先在各自炮眼壁产生初始裂缝，然后在爆 炸气体静压力作用下使之扩展贯穿。 文献[ 1 3 ] 根据爆轰气体动力学和应力波理论， 研究径向不耦合装药方式下，间隔装药和连续装药 2 种结构的爆炸压力对孔壁的影响，得出2 种装药 结构下的爆炸压力计算公式 当采用空气间隔分段装药时的爆炸压力【l 剐 p ． 隽 譬 【手 差毫1 ’ 当采用连续装药结构时的爆炸压力 p 等 譬 争 3 2 式中厶为装药分段长度；肌为炸药密度，移为爆轰 波稳定爆轰的速度；X 为传爆距离；t 为传爆时间；P 为爆炸压力。当x 厶时，可以得出间隔装药时的 孔壁压力为连续装药时的l ／8 。进一步分析原因可 知采用空气间隔装药爆破技术，炸药爆炸后，首先 将炸药能量传递给空气，再由空气传递给岩石，利用 空气柱降低爆破产物的初始压力，增加爆轰波与围 岩相互作用的时间，由于爆破作用时间的增加，对岩 石破碎作用时间相应增加，被爆岩石得到较为充分 的破坏。同时由于峰值压力的降低，减少了对炮孔 周围岩体的破坏。 2 切缝药包爆破裂纹形成机理 切缝药包定向断裂爆破技术时上世纪7 0 年代 由美国F O U R N E YWL 等人提出的【l4 1 。定向断裂 控制爆破的爆破机理是采用切缝药卷控制炸药能量 的释放方向，在切缝方向上形成强大的应力集中，加 强了预定方向的爆破作用，沿预定方向形成了光滑 的定向断裂裂缝。利用切缝药包周边定向断裂控制 爆破，即在周边眼装药时将炸药放在利用A B S 塑料 制成的切缝管内，对炮孔实行耦合装药或者不耦合． 装药，使切缝管本身对爆轰力产生瞬时抑制和导向 作用，并通过切缝提供瞬态卸压空间，使爆轰压力在 切缝处形成高能流，集中在隧道轮廓线方向上传导， 使其沿轮廓线方向优先产生裂隙并定向扩展；同时 炸药爆轰产物充满整个炮孔空间，对整个炮孔孔壁 岩石施加准静态荷载，炮孔壁初始裂缝尖端在这一 准静态荷载作用下产生裂纹并扩展，最终形成贯穿 裂纹[ I5 | 。切缝药包周边定向断裂控制爆破的特点 是巧妙利用率炸药的动作用和静作用，在爆炸能量 利用上更趋合理。切缝药包爆破原理如图l 所示。 炮 管 图l 切缝药包爆破原理 F i g ．1舳n c i p l ∞o fs l o n e d 伽矗d g eb l a s t i I I g 3 工程应用 3 ．1 工程背景 青岛地铁3 号线西起青岛市南区的青岛火车 站，终点铁路青岛北站，全长约2 5 ．9 2 5k m ，全部为 万方数据 爆破 地下线，采用钻爆法施工。沿线穿越岩体总体上可 分为散体状、碎裂块状、块状～整体块状3 种结构岩 体。沿线穿越的围岩以花岗岩为主，强度等级范围 约为Ⅱ级一V 级，包含强风化、中风化和微风化花 岗岩。施工中严格要求光面爆破效果，I I 级和Ⅲ级 围岩要求半眼痕率至少应大于8 0 ％，I v 级和V 级 围岩要求开挖轮廓规整。 3 ．2 爆破方案 1 周边眼间距E 。周边孔通常布置在开挖轮 廓线上，外插角为3 0 一5 0 。周边孔取值一般在 1 0 一1 6 D 之间，青岛地铁施工，周边眼间距取 3 5 0 一4 5 0 咖之间，现场根据围岩情况进行调整。 2 光爆层厚度矾指的是周边眼的最小抵抗 线，对周边眼的最终成型起到很大作用，与岩石性 质、断面大小等因素有关，通常当岩石较硬时，驴应 - 适当减小，反之当岩石较软时，应适当加大。青岛地 铁光爆层厚度w 取值范围为5 0 0 一6 ∞m m 。 3 炮孔密集系数K 。是指周边眼间距与光爆 层厚度的比值，即K ∥形，K 值小于l ，这里取O ．7 。 4 装药结构。影响光爆效果最重要的因素之 一。施工中采用径向不耦合装药，不耦合系数大约 在1 ．3 1 ．6 中间。青岛地铁施工中根据不同进尺、 不同岩性采用不同装药结构，当进尺为1m ，且岩性 较好时，周边孔采用连续装药 见图2 ，当岩性较差 时，采用切缝药包连续装药控制周边成型 见图3 ； 当进尺在l 一2m 之间时，且岩性较好时，采用轴向 空气间隔分段装药，使用导爆索连接 见图4 ，当岩 性较差时，采用切缝药包轴向空气间隔分段装药，使 用导爆索连接 见图5 。试验采用切缝药包的结构 如图6 所示，套管采用硬质P v C 管，内径3 8 姗，外 径4 2 眦，壁厚2 m m 。炸药采用2 号岩石乳化炸药， 规格为妒2 咖3 0 0g 。使用切缝药包时炮孔直径 为5 0 啪，普通装药时采用4 2 姗。现场装药结构 如图7 所示。根据以上参数，确定如下爆破方案 见如图8 。 图2 连续装药 F i g ．2 C o n t i n u o u sc h a r g e 钐导爆管雷管 炮泥炸药雷管 臣 乙乙乙2 配z z [ z z z z z z k z z z z k 幺 厂1 三三三j ■■i ●至萝髟 ’眵乃刃≮7 7 7 7 7 7 ，7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 刃 眨 ＼切缝篮 r 图3 切缝药包连续装药 F i g ．3 S e a mc a r t r i d g ec o n t i n u o u sc h a r g e 图4 轴向空气间隔装药 F i g ．4 A x i a la i ri n t e r v a lc h 嶝 图5 切缝药包轴向空气间隔装药 F i g ．5C u n i n gs e 砌c a r t r i d g ei n t e r V a lc h a r g e 炮孔 炸药。 图6 切缝药包结构图 F i g ．6n es 咖c t u r eo fc u n j n gs e 锄c a 州d g e 图7 现场装药图 F 噜．7C h a I g e 砒岫咖 3 ．3 爆破效果 针对上述爆破方案设计，考虑围岩实际情况及 循环进尺等因素，周边孔采用不同装药结构进行爆 破施工，不同装药结构的爆破效果如图9 一图1 2 所示。 万方数据 第3 0 卷第2 期杨仁树，车玉龙，孙强，等地铁区间隧道不同装药结构光面爆破应用研究 9 3 图8 爆破方案图 单位删 F i g ．8B I 鹪t i I l g ∞h e m e u l l i t 衄 图9 采用连续装药 F i g ．9 C o n t i n u o u sc h a r g e 图l O 采用切缝药包连续装约 F 培．1 0 S e a I nc 8 r t r i d g e ∞I n i n u o 鹏c I m g e 通过不同装药结构在现场中的应用，可以得出 当孔深为lm 时，由于炮孔较浅，采用间隔装药不易 施工操作．故采用集中装药，爆破效果见图9 。岩性 较差时，采用切缝药包集中装药结构，周边孔爆破效 果得到改善 见图1 0 。分析原因是由于切缝药包 使得爆炸能量沿着切缝方向，即开挖轮廓方向优先 释放，爆炸能量得到均匀有效利用。当孔深大于 1m 时，采用集中装药爆破效果不理想，出现孔底超 挖、孔口欠挖的现象，分析原因是由于炸药爆炸能量 不均匀利用，集中在孔底释放导致。此时，应选择轴 向空气间隔装药，保证了周边成型效果，半眼痕率大 幅提高 见图1 1 。分析原因是由于轴向空气间隔 装药炸药均匀布置，能量均匀释放，炮眼利用率高。 岩性较差时，采用切缝药包轴向空气装药，将改善周 边成型效果 见图1 2 ，分析原因同上所述，采用切 缝药包使得爆炸能量沿着切缝方向，即开挖轮廓方 向优先释放，爆炸能量得到均匀有效利用。 图1 1轴向空气间隔装药 F i g ．1 l A x i a la i ri n t e r v a lc h a J l 驴 图1 2 切缝药包间隔装药 F i g ．1 2C u l 土i n g8 e 锄c a n r i d g ei I l t e r v a lc h a r g e 4 结论 结合青岛地铁3 号线区间隧道工程背景，分析 了连续装药、间隔装药2 种不同装药结构以及切缝 药包定向断裂控制爆破技术的光面爆破效果。并对 不同进尺、不同岩性的应用条件进行了现场应用分 析，得出了取得良好光爆效果的如下结论 1 进尺为lm 且岩性较好时，采用连续装药 万方数据 爆破 2 0 1 3 年6 月 结构；岩性较差时，采用切缝药包连续装药结构。 2 进尺在l 一2m 且岩性较好时，采用轴向空 气间隔装药结构，岩性较差时，采用切缝药包轴向空 [ 8 ] 气间隔装药。对类似工程具有参考价值。 参考文献 R e f e 弛n c 签 汪学清，单仁亮，黄宝龙．光面爆破技术在破碎的软岩 巷道掘进中的应用研究[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 3 1 2 1 6 ． W A N GX u e - q i n g ，S H A NR e n - l i 肌g ，H U A N GB ∞- l o n g ． A p p l i c a t i ∞r e 鸵甜c h 佣s m o o t hb l a s t i n gf 缸c 珀c k 耐tr o c k t u 肌e l s [ J ] ．B I 鹪t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 3 1 2 - 1 6 ． i nc h i n e 跎 彭云，杨尉涛．硖门隧道掘进光面爆破及施工技术 应用探讨[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 2 3 5 ．4 7 ． P E N GY u n ，Y A N GW e i t ∞．I n q u i r yo fs m 0 0 t hb l 聃t i n g 舳dc o n s t m c t i o nt e c h n i q I l ef o rx i 锄e nt u n n e l se x c a v a t i 咖 [ J ] ．B I 聃t i I l g ，2 0 0 9 ，2 6 2 3 5 4 7 ． i nc h i n e ∞ 陈晓波．光面爆破参数选择与质量控制措施[ J ] ．爆 破，2 0 0 6 ，2 3 1 3 9 - 4 1 ． C H E Nx i ∞- b 0 ．，1 1 l e8 e l e c t i ∞o fs m 0 0 t hb l 鹊t i n gp a 姗e ． t e 硌a n dq I I a l i 哆c 明呐l [ J ] ．B l 鹅t i | l g ，2 0 0 6 ，2 3 1 3 9 - 4 1 ． i nC h i n 船e 顾义磊，李晓红，杜云贵，等．隧道光面爆破合理爆破 参数的确定[ J ] ．重庆大学学报 自然科学版 ，2 0 0 5 ， 2 8 3 9 5 - 9 7 ． G UY i - l e i ，UX i ∞- h o I I g ，D UY u n - g I l i ，e ta 1 ．R 朋舯n a b l e B m ∞t l lb l a 8 t i I l gf 如t o ru 8 e di nt I l n r I l e [ J ] ．J o 岫1 a l C h o n 鹊i n gU n i v e 玛竹 N 咖r a lS c i 即c eE d i t i ∞ ，2 0 0 5 ， 2 8 3 9 5 - 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