特大型岩溶地段隧道爆破施工技术.pdf

特大型岩溶地段隧道爆破施工技术 ① 沙 策１，２， 王少辉３， 梅松华１， 蒋 冲２， 田 涛３， 光 明３， 李因富３ （１．水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 ４１００１４； ２．中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ３．中交一公局第一工程有限 公司，北京 １０２２０５） 摘 要 以那丘隧道 ３ 种特殊岩溶断面为例，从炮孔布置、装药结构和起爆网络等 ３ 个方面提出了爆破设计方案，同时对钻孔、装药 填塞、超欠挖控制等施工要点进行了阐述。 现场施工效果证明了针对特殊岩溶断面所提出的爆破设计方案和施工方法合理，可为 类似特大岩溶隧道爆破施工提供依据和指导。 关键词 隧道工程； 溶洞； 爆破设计； 施工方法 中图分类号 Ｕ４５５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０１７．０３．００９ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０１７）０３-００３４-０４ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ Ｌａｒｇｅ Ｋａｒｓｔ Ａｒｅａ ＳＨＡ Ｃｅ１，２， ＷＡＮＧ Ｓｈａｏ-ｈｕｉ３， ＭＥＩ Ｓｏｎｇ-ｈｕａ１， ＪＩＡＮＧ Ｃｈｏｎｇ２， ＴＩＡＮ Ｔａｏ３， ＧＵＡＮＧ Ｍｉｎｇ３， ＬＩ Ｙｉｎ-ｆｕ３ （１．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３． №１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ ｏｆ ＦＨＥＣ ｏｆ ＣＣＣＣ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｋａｒｓｔ ａｒｅａ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙ， ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅｍ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｂｌａｓｔｈｏｌｅｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ， ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｔｏｎａｔｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ， ｗｉｔｈ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｈｏｌｅ， ｃｈａｒｇｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｏｖｅｒ-ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｎｄｅｒ-ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ． Ｏｎ-ｓｉｔｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂｅｉｎｇ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｕｃｈ ｔｕｎｎｅｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｋａｒｓｔ ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｓ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｋａｒｓｔ ａｒｅａ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ； ｂｌａｓｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ； ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ 随着我国高等级公路在西南部的拓展建设，隧道 工程将不可避免地遇到岩溶地段。 在罕见的特大型岩 溶地区，由于隧道所穿过的岩溶区域地质条件异常复 杂，导致隧道施工开挖断面也各不相同［１-４］。 因此在 面对复杂岩溶区隧道断面开挖时，如何针对不同断面 选择合理的爆破参数，完善爆破施工技术，控制隧道轮 廓，减少爆破施工对隧道和岩溶区产生的扰动，以保证 工程建设经济、安全地进行，已成为岩溶段公路隧道建 设中一项重要的研究课题［５-６］。 本文以那丘隧道为研 究对象，依据 ３ 种不同岩溶断面提出了爆破设计与施 工方法，并结合现场实际施工效果，验证了方案的合理 性与可行性。 １ 工程概况 那丘隧道位于湖南省湘西州永顺县芙蓉镇，左线 Ｋ１２０６０～Ｋ１４９３５，长 ２ ８７５ ｍ，右线 Ｋ１２０６０～ＹＫ１４ ９２０，长 ２ ８６０ ｍ，左右洞测设线间距 ２．９８～２９．８ ｍ。 廊道厅堂式大型溶洞位于左线 Ｋ１４３５０～５２０ 段， 溶洞的走向与隧道走向基本重合，长 １７０ ｍ，溶洞东西 两端各发育有过水通道，雨季时水流各自流向两端。 溶洞与隧道方位如图 １ 所示。 490 m 470 m 450 m 430 m K14350K14400K14450K14500 图 １ 溶洞方位示意 隧道区未发现地表水系，地下水类型主要为孔隙 ①收稿日期 ２０１６-１２-１３ 基金项目 国家自然科学基金（５１４７８４７９，５１６７８５７０）；水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放研究基金（ＰＫＬＨＤ２０１４０４） 作者简介 沙 策（１９９２-），男，浙江人，硕士研究生，主要研究方向为隧道工程与岩土工程。 通讯作者 蒋 冲（１９７７-），男（苗族），湖南城步人，副教授，博士（后），主要研究方向为桩基工程理论与应用、特殊岩土地基处治。 第 ３７ 卷第 ３ 期 ２０１７ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №３ Ｊｕｎｅ ２０１７ 万方数据 水、岩溶地下水，水量较少，基本无法形成稳定的地下 水面；岩溶水主要赋存于灰岩的岩溶裂隙、岩溶管道 中，稳定的地下水位埋深低于隧道底板，难以对隧道产 生影响与危害。 隧道围岩由微风化灰岩组成，呈中厚层状结构，属 Ⅲ级围岩，其破坏形式以掉块为主。 溶洞基本发育成 型，局部存在稳定性较差的围岩结构，可能产生小范围 落石，且易受到地下水影响，属Ⅳ级围岩。 ２ 爆破设计 由于那丘隧道地质条件复杂，且隧道服务年限较 长，质量要求高，在隧道爆破掘进中要尽可能地减少对 隧道结构的破坏和溶洞的扰动，保证完整性。 基于以 上特点，从经济效益和安全性考虑，隧道施工应采用光 面爆破技术。 根据那丘隧道左洞岩溶段断面特点，基于全断面 开挖法对 Ｋ１４３９０、Ｋ１４４００、Ｋ１４４０６ 这 ３ 个典型岩 溶断面进行爆破设计。 结合那丘隧道实际情况，遵循 短进尺、多循环、少装药的原则，控制单循环进尺 ３．０ ｍ， 实际施工视震动效果动态调整爆破进尺和相关爆破 参数。 ２．１ 爆破参数选择 那丘隧道岩溶段设计断面存在较大空区自由面， 在爆破施工中考虑到施工效率和成本，无需再对掏槽 孔进行布置，通过辅助眼和周边眼布置即可达到预期 爆破效果。 ３ 个典型岩溶断面均采用不耦合装药，爆破参数 见表 １，炮眼布置见图 ２。 表 １ 爆破参数 断面 结构 形式 周边 眼间距 ／ ｃｍ 最小 抵抗线 ／ ｃｍ 密集 系数 周边 眼深 ／ ｍ 辅助眼与 底板眼深 ／ ｍ Ｋ１４３９０挂壁式围岩５０６２．５０．８２．７２．９ Ｋ１４４００半围岩５０６２．５０．８２．７３．０ Ｋ１４４０６底部悬空围岩６０７５．００．８２．８３．０ ２．２ 装药结构及炮孔封装 辅助眼与周边眼均采用不耦合方式进行装药，通 过小药量多段爆破的方法降低爆破产生的地震波对隧 道以及围岩的扰动及损害。 钻孔采用手持式凿岩机， 炮眼孔径为４０ ｍｍ，采用２＃岩石硝铵炸药，药卷规格为 Φ３２ ｍｍ ２００ ｍｍ ，爆速 ２ ６００～３ ０００ ｍ／ ｓ，密度 ０．８５～ １．０５ ｇ／ ｃｍ３，２００ ｇ／ 卷。 为了保证所有的周边孔同时起 爆，在现有爆破设备条件下，周边孔采用导爆索传爆， 将炸药和导爆索用胶带固定在片竹上，非电毫秒雷管 固定在顺数的第 ２ 节炸药上，用竹竿送入炮孔内，起爆 形式为反向起爆。 ３ 个设计断面装药参数如表 ２ 所示。 119 7 100 90 90 5 3 1 a 50 90 62.5 溶洞空区 1 b 9 3 5 7 100 100 90 50 50 62.5 溶洞空区 c 1 3 5 7 9 11 13 15 60 90 60 75 100 溶洞空区 图 ２ 断面炮眼布置 （ａ） Ｋ１４３９０； （ｂ） Ｋ１４４００； （ｃ） Ｋ１４４０６ 表 ２ 断面炮孔装药参数 断 面 眼 别 段 别 眼深 ／ ｍ 眼数 ／ 个 装药 集中度 ／ （ｋｇｍ -１ ） 单孔 装药量 ／ ｋｇ 单段 总装药量 ／ ｋｇ 辅助眼１２．９２０．４１．１６２．３２ 辅助眼３２．９４０．４１．１６４．６４ 辅助眼５２．９８０．３０．８７６．９６ Ｋ１４３９０ 辅助眼７２．９９０．３０．８７７．８３ 辅助眼９２．９９０．３０．８７７．８３ 周边眼 １１２．７１５０．２０．５４８．１０ 合计４７３７．６８ 辅助眼１３．０７０．３０．９０６．３ 辅助眼３３．０８０．３０．９０７．２ Ｋ１４４００ 辅助眼５３．０１３０．３０．９０１１．７ 周边眼７２．７２００．２０．５４１０．８ 底板眼９３．０５０．２０．６０３．０ 合计５３３９．０ 辅助眼１３．０２０．３０．９０１．８０ 辅助眼３３．０４０．３０．９０３．６０ 辅助眼５３．０４０．３０．９０３．６０ 辅助眼７３．０１００．３０．９０９．００ Ｋ１４４０６ 辅助眼９３．０１３０．３０．９０１１．７０ 辅助眼 １１３．０１７０．３０．９０１５．３０ 周边眼 １３２．８２６０．２０．５６１４．５６ 底板眼 １５３．０４０．３０．９０３．６０ 合计８０６３．１６ ５３第 ３ 期沙 策等 特大型岩溶地段隧道爆破施工技术 万方数据 炮眼堵塞可直接选用黏性好的黏土材料进行封 装，当所选黏土材料无法达到性能标准时，可选用砂子 和黏土的混合物材料，其比例为细砂 ３０％～４０％、黏土 ６０％～７０％，填塞长度小于 ２０ ｃｍ。 具体装药结构如图 ３ 所示。 炮泥导爆管 导爆素 雷管2岩石硝按炸药 图 ３ 装药结构示意 ２．３ 起爆网络 爆破时，炮眼起爆的先后顺序很大程度上决定了 爆破效果。 此岩溶段爆破施工均使用导爆管非电并联 起爆网络，由导爆管进行起爆、传爆，且雷管段别严格 满足各排炮孔的设计微差时间。 断面设计爆破掘进的起爆顺序为由里向外，按照 先辅助眼后周边眼的分层顺序逐排微差起爆。 同段别 炮眼用同段雷管同时起爆，辅助眼相邻两排微差起爆时 间为５０ ｍｓ，辅助眼与光爆眼的微差起爆时间为１００ ｍｓ， 尽可能降低爆破震动对围岩溶洞的影响。 ３ 施工方法 根据爆破设计，按照图 ４ 所示施工工序流程，在保 证爆破施工达到预设轮廓线的同时控制爆破地震波对 隧道结构产生较大扰动。 超前地质预报 起爆网络布设 测量放线 爆破效果 下一循环 处理欠挖 钻孔 装药处理超挖 超挖欠挖 图 ４ 施工工序流程 ３．１ 定 位 隧道开挖轮廓线是衡量爆破施工效果优劣的基本 指标，为了保证轮廓线的精确度，每一段爆破循环的测 量定位必须由专业测绘人员进行测量作业，使用高精 度全站仪定位标记所需开挖轮廓线和设计炮孔。 在一 次测量完成后由专人进行精度复查，有效降低因测量 误差造成的施工问题。 ３．２ 钻 孔 根据隧道实际施工条件，严格按照炮眼设计及测 量定位使用气腿式凿岩设备进行钻孔。 各炮孔均应垂 直于掌子面且互相平行，实际施工中，由于人工操作与 凿岩设备震动，周边眼无法完全与掌子面保持垂直，根 据炮眼深度将外插角控制在 ３～５。 每个钻孔位置要 保证精确，偏差值应小于 ３０ ｍｍ。 周边眼尤为关键，钻 孔位置均应位于施工断面的轮廓线，不允许出现偏向 轮廓线内的误差，做到“准、直、平、齐”，如果出现大的 偏差，应废弃重钻，确保钻孔质量。 ３．３ 装 药 在进行装药前须对残留在炮孔里的碎石屑、积水 等杂质进行清理，将药卷按设计要求加工好，严格按照 设计装药量对炮眼进行有序分片、分组不耦合间隔装 药，并用片竹固定，最后确保所有雷管段别都一一对 应。 炮眼装药完成后使用竹竿用炮泥进行堵塞，确保 炸药的间隔，避免在捣实过程中对炸药过分挤压。 炮 泥长度不小于 ２５ ｃｍ。 ３．４ 起爆网络 起爆网络直接影响到爆破效果和质量，是隧道爆 破成败的关键，因此需要着重注意。 起爆网络为并联复式网络， 以保证起爆的可靠性 和准确性，同一起爆网中必须保证雷管的一致性，包括 生产商、型号及出厂指标等。 连接时，严禁打结、拉紧 等破损导爆管行为。 起爆网络的联结，需在全部炮眼 装填检查完成、非爆破作业人员撤至安全区后，由施工 断面向起爆点依次进行。 网络联结完毕后，由专人负 责检查，确保各炮眼均无遗漏。 爆破完成后，由专人检查爆破效果，确保安全并且 达到爆破效果后解除警戒，进入下一个循环作业。 ３．５ 超欠挖控制要点 隧道爆破施工中超欠挖范围超标会引起许多问 题，例如隧道施工成本增加和长期安全稳定性降低。 然而，超欠挖现象在钻爆法隧道掘进施工中不可避免， 因此要严格控制欠挖，与此同时最大程度减少超挖。 因此，在爆破施工中需严格执行以下控制要点。 １） 提高炮眼精度，加强钻孔工人培训，派专人监 督指挥钻孔。 ２） 调整开挖循环进尺，在施工进度、成本和超欠 挖上找到一个平衡点，动态化调整进尺。 ３） 根据围岩参数和实际施工条件，不断优化爆破 参数，保证周边眼的爆破达到最优。 ４） 提高装药质量，通过试爆选用合适的炸药品 种，优化不耦合间隔装药量。 ６３矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 ５） 提高测量技术，精确定位轮廓线和炮孔位置， 将误差控制在可接受范围，从而减少人为超挖。 ６） 加强监控量测，不间断地汇报拱顶沉降与周边 收敛情况，有效控制因沉降收敛引起的超欠挖量。 ４ 安全控制及爆破效果 ４．１ 爆破震动速度安全控制 岩溶隧道爆破施工过程中，为了既充分发挥爆破 技术的效果，又最大程度降低爆破震动对隧道和溶洞 结构带来的危害，必须重视爆破震动安全。 对于那丘隧道的爆破安全检算， 采用萨式公 式［７-１０］ Ｖ ＝ ｋ Ｑ １ ３ Ｒ ａ （１） 式中 Ｖ 为质点峰值震动速度，ｃｍ／ ｓ；Ｑ 为最大分段装药 量，ｋｇ；Ｒ 为爆心距离，ｍ；ｋ 为场地系数；ａ 为衰减系数。 根据现场实际监测情况，取参数 ｋ＝ ３５．１，ａ＝ １．６， Ｑ＝１５．３ ｋｇ，单次爆破产生的地震波对周边溶洞引起 的最大震动速度值为 １１．４５ ｃｍ／ ｓ，符合爆破安全规 程（ＧＢ６７２２-２０１６） ［１１］中交通隧道质点震动速度 １０～ ２０ ｃｍ／ ｓ 的规定。 ４．２ 爆破实际效果分析 １） 炮眼附近无明显裂痕，炮孔轮廓清晰，隧道开 挖轮廓尺寸达标，满足超欠挖控制水平，降低了施工成 本和初支时间。 ２） 现场实际爆破后，循环进尺达到 ２．８５ ｍ，炮眼 利用率达到 ９５％，基本达到预期设计水平。 ５ 结 论 １） 针对那丘隧道廊道厅堂型特大溶洞断面特点， 建立了挂壁式、半围岩型、底部悬空型等 ３ 种不同断面 的爆破设计。 ２） 基于特大岩溶隧道工程特性，提出了控制超欠 挖、降低爆破地震效应的钻爆施工方法。 ３） 结合隧道现场施工，通过本文爆破设计与施工 方法，爆破施工达到预期效果，验证了本文所提出的设 计方案与施工方法的合理性与可行性，同时为今后同 类型特大岩溶隧道爆破施工提供了依据和指导。 参考文献 ［１］ 中国公路学报编辑部． 中国隧道工程学术研究综述２０１５［Ｊ］． 中国公路学报， ２０１５，２８（５）１-６５． ［２］ 洪开荣． 我国隧道及地下工程发展现状与展望［Ｊ］． 隧道建设， ２０１５（２）９５-１０７． ［３］ 鄢定媛，傅鹤林． 高速公路隧道廊道厅堂式溶洞处治技术研究 ［Ｊ］． 公路工程， ２０１５，４０（３）１８５-１９１． ［４］ 罗 琼． 岩溶隧道施工技术［Ｊ］． 隧道建设， ２００４，２４（５）５７-６０． ［５］ 陈先国，张雪金，康海波，等． 大断面岩溶隧道爆破设计与施工技 术［Ｊ］． 施工技术， ２０１４（ｓ２）１９２-１９６． ［６］ 迟明杰，赵成刚，杨小林，等． 岩溶区隧道爆破开挖地震危害控制 的研究［Ｊ］． 中国安全科学学报， ２００４，１４（９）６８-７１． ［７］ 张运良，曹 伟，王 剑，等． 水平层状岩体隧道超欠挖控制爆破 技术［Ｊ］． 铁道科学与工程学报， ２０１０，７（５）７０-７４． ［８］ 刘 辉，李 波，吴从师，等． 岩溶隧道掘进爆破震动效应分析 ［Ｊ］． 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