连载 隧道爆破设计与施工(简读本)【2】)

  隧道爆破设计与施工

  (简读本)

  这是一篇欠了大家很长时间的文章,很多隧道工程师在后台留言咨询隧道爆破的问题,这一次从爆破器材、爆破设计以及爆破施工等全方位的对隧道爆破设计与施工进行详细的阐述,希望能够帮到大家。

  常用钻孔机械和装药机械

  1、凿岩机:

  ⑴.风动、手持式凿岩机,钻孔φ34—φ45mm;钻孔深一般为3m以内。用于浅孔爆破钻孔。

  ⑵.液压、手持式凿岩机,钻孔φ34—φ45mm;钻孔深一般为3-5m。用于浅孔—中深—深孔钻孔。

  2、潜孔钻机:

  履带式、轮胎式行走,钻孔直径φ80—250mm,水平钻孔一般为φ80mm。深孔15—30m。用于露天深孔爆破钻孔。同时可用于隧道钻大中空孔。

  3、钻孔台车(履带式、轮胎式、轨行式、液压臂)

  ①风动凿岩机φ34—φ45mm,钻孔深3-5m,用于隧道爆破钻孔。

  ②液压钻孔台车,钻孔φ48、φ102mm,钻孔深5m-15m,用于隧道爆破钻孔深一般为5m-8m。

  4、其它钻孔机械

  内燃凿岩机,钻孔φ34-φ45mm,钻孔深1-2m,浅孔爆破钻孔;电钻(电动)钻孔φ32-φ41mm、1-3m钻孔深,用于软岩浅孔爆破。

  5、装药机

  ⑴.散装炸药装药器,主要装粉状与粒状铵油炸药,压动、压气式。瑞典制造及国产。隧道局曾经使用过,主要用于地下工程与隧道。国产BQ20A、BQ50A筹。

  ⑵.药卷装药器,风动、压气式,主要用于隧道钻爆装药卷。瑞典制造与国产均有。国产ZYK—1型、FT—28型、D29型等。瑞典TA—4、TA—32及TA—42型等。

  ⑶.露天混装机是将炸药原材料或半成品置于混装车上,在爆破工作面或其附近混制炸药成品后就地或移动一定距离后装入炮孔。国产BCJ—1型乳化炸药混装车,瑞典S—753型等。一般用于露天深孔爆破装药。日本也有使用类似混装机于隧道与地下工程的工程实例。

  6、炮泥机

  专门用来做炮泥,以代替人工操作由西科所生产的PNJ系列炮泥机,使用得较多,主要制造隧道钻爆用的炮泥φ34—φ45mm。

  工程爆破分类

  工程爆破分为四大类:

  1、岩土爆破

  1。1井巷掘进爆破

  ⑴。平巷掘进爆破(采矿用)

  ⑵。井筒掘进爆破(竖井)

  ⑶.隧道掘进爆破

  ⑷.地下工程爆破(洞室、洞库、地下厂房等)

  1.2台阶爆破

  ⑴.露天深孔台阶爆破(通常孔径大于75mm,孔深大于5m)。

  ⑵。露天浅孔台阶爆破,(孔径φ34—φ45mm,孔深小于5m)。

  ⑶.地下采场深孔爆破。

  ⑷。地下采场浅眼爆破。

  1.3洞室爆破(洞室大爆破或药室爆破)(利用洞室装药、而不是钻孔装药)

  1.4药壶爆破及二次爆破(解炮等)

  2、拆除爆破

  2.1建筑物拆除爆破

  2.2大型块体和基础类构筑物的爆破拆除

  2.3挡水围堰拆除爆破

  2.4水压爆破拆除

  3、水下爆破

  3.1水下岩塞爆破

  3.2水下软土地基爆破处理技术

  3。3水下暗礁爆破(钻孔与裸露两种爆破方式)

  4、特种爆破

  4。1地震勘探爆破

  4。2爆炸加工(成形、复合、硬化三种)

  4.3金属破碎切割爆破

  4.4其它

  隧道爆破技术与施工

  01

  隧道爆破常识

  1.1隧道爆破的特点

  ⑴。只有一个自由面(临空面);

  ⑵。炮眼深度受到一定限制,这是与隧道围岩条件、打眼机械工具、爆破技术等有关系;

  ⑶。受隧道围岩条件的控制,爆破参数主要取决于围岩级别;还取决于开挖方法与断面大小;

  ⑷.钻孔、装药、引爆都在较恶劣的条件下进行;

  ⑸.隧道爆破、炮眼比较集中,1.5-2个/㎡;

  ⑹.多采用类比法设计,计算简单。不象洞室爆破、拆除爆破等要进行较复杂的计算和药包的布置。

  1.2炮眼直径与炮眼深度

  ⑴.炮眼直径:常采用φ32—φ45mm钻孔,采用液压台车液压钻机时,钻孔一般为φ48mm、φ63mm、φ76mm和大中空孔φ102mm、φ152mm。

  ⑵。炮眼深度

  浅孔——1-3m;手持式风钻、液压钻;

  深孔——3-5m;钻孔台车、液压钻;

  5m;钻孔台车、液压钻。

  1.3隧道爆破设计所依据的围岩分级,即是通用的“铁路隧道围岩分级”,而不是按岩土可爆性分级分类的。一般Ⅴ、Ⅵ级围岩不用钻爆法。

  1.4炮眼的种类和作用

  隧道开挖爆破的炮眼数目与隧道断面、围岩级别、爆破方法等有关,多在几十至几百范围内。

  炮眼按其在开挖断面所在位置、爆破作用、布置方式和有关参数的不同可大致分为如下几种:

  ⑴.掏槽眼

  针对隧道爆破只有一个临空面的特点,为提高爆破效果,先在开挖断面的适当位置,布置一些装药量较多的炮眼,先行爆破,炸出一个槽腔,为后续炮眼的爆破创造新的“临空面”。

  ⑵。辅助眼

  位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼,统称为辅助眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔,为后续和周边眼爆破创造“临空面”。常把靠近掏槽眼的炮眼并有扩大掏槽作用的炮眼,又称为“辅助掏槽眼”或“扩槽眼”;常把靠近周边眼的一排炮眼,称为“内圈眼”。

  ⑶.周边眼

  沿隧道周边布置的炮眼,称为周边眼。其作用是炸出较平整光滑的隧道断面轮廓。按其所在不同位置,又可分为“帮眼”、“顶拱眼”、“底板眼”。

  1.5隧道钻眼机械设备与装药设备,前面已介绍。

  我们集团公司施工工点,仍多使用手持式风钻,或将风钻设置于台架上。手持液压钻机在三处快乐赛车开始推广应用,这是一个方向,节能、省去管道敷设、扭矩和冲击力都大于一般风钻,可以打更深更大的炮眼。

  自大瑶山隧道施工引进全液压凿岩台车以来,我集团公司在少数重点工程中,仍使用全液压凿孔岩台车,有二臂、三臂和四臂台车,在轮式和轨行式两种走行方式可打3.9m、5.15m炮眼,眼径φ48mm,大中空孔眼径φ102mm。国外台车,也在不断发展,多臂有5、6个臂;炮孔直径φ48、φ63、φ76、φ102、φ152mm不等,可在不同位置打起不同作用的炮眼,变得更先进。同时,使用电子计算机控制的全自动钻孔台车(凿岩台车)也在欧洲和经济发达地区使用。

  目前,工地装药仍以手工操作为主,很少使用装药机。装药机应该提倡使用,也是应该大力推广的操作方法。

  1。6炮眼布置测量设备

  在掌子面布孔,是钻爆作业的第一道工序,以前完全是靠已有的中线、水平点,采用人工操作,用红油漆画出隧道轮廓线的方法。

  采用激光指向仪控制隧道轮廓的方法较为先进,可以利用激光光斑,再画出炮眼位置。目前此法已广泛应用。

  采用“断面仪”布炮眼的方法最为先进,现在已经在少数工点应用。

  使用激光指向仪和断面仪布眼,控制轮廓线准确,为隧道爆破取得良好效果的第一道工序的保证。这样才能减少超、欠挖。

  1.7常用的隧道爆破器材

  ⑴。药卷:

  ①二号岩石炸药卷φ32、φ25mm;并可以根据使用单位的要求,做成φ20mm、φ40mm。

  ②二号岩石乳化炸药卷φ32、φ25mm,并可根据使用单位的要求,做出φ40mm。

  ③低爆速光面爆破炸药卷,由化工厂特制,φ20、φ15mm的低爆速药卷,其爆速为1,500m~2,000m/s。

  ⑵.雷管:

  ①火雷管;

  ②导爆管毫秒雷管;

  ③导爆管1/4秒和半秒级雷管。

  应注意有瓦斯或矿尘爆炸危险场所禁止使用。

  ★起爆药卷——装有雷管的药卷叫做起爆药卷

  1。7隧道爆破有害效应

  与所有工程爆破一样,隧道爆破同样会产生有害效应

  ①爆破冲击波,应注意其对人对物的伤害。

  ②爆破振动,应注意其对建筑物、对隧道衬砌的破坏。

  ③爆破飞石,应注意其对人对物的伤害。

  ④爆破有害气体,应注意其对人的伤害。

  ⑤爆破噪音,应注意对人的伤害。

  ⑥爆破粉尘,应注意其对人的伤害。

  对上列有害效应,都可以采取技术措施降低的。可以而且应该采取技术措施预防有害效应对人对物的伤害与破坏。

  02

  隧道爆破设计

  隧道开挖前应做好隧道爆破设计,这也是隧道实施性施组的一项内容,也是计划进度、工期、材料等的依据。

  隧道爆破设计应做到“有图、有表、有计算、有说明”,并应绘制出大比例尺交底图对作业工人进行交底,付诸实施。

  2.1隧道爆破设计的依据

  ⑴。工程地质条件、围岩级别;

  ⑵。开挖方法;

  ⑶.开挖断面;

  ⑷.掘进循环进尺;

  ⑸。钻眼机具;

  ⑹。爆破器材;

  ⑺.施工队伍的操作技术;

  ⑻.周围环境,尤其是城市隧道,更要考虑环境因素。

  2。2隧道爆破设计的方法与内容

  ⑴。利用经验参数,利用数理统计出来的参数,作为设计参数。

  ⑵。工程类比方法:

  ①工程地质条件;

  ②断面大小;

  ③使用的爆破器材,尤其是炸药种类与药径;

  ④爆破效果。

  ⑶.作一些简单的计算

  ①炮眼个数;

  ②装药量与单耗、装药集中度等。

  ⑷.要有炮眼布置图:包括掏槽眼、辅助眼、周边眼。掏槽眼较复杂时,应绘制大样图。图中要标明起爆先后顺序和雷管的安排布置。一般有正面图与剖面图即可。

  ⑸。要有钻孔、装药表,标明和表达出钻孔名称、钻孔直径、钻孔深度、角度、装药量、延时雷管段数(段别)、开挖断面、开挖进尺、炮眼利用率、炸药总重、单耗(1kg/m3)、雷管单耗(个/m3)。

  ⑹。要有简单扼要的说明,包括工程地质条件、钻孔、装药、堵塞要求、安全技术措施以及经济技术指标等。

  2.3隧道掏槽形式和主要参数

  掏槽效果的好坏,直接影响整个隧道爆破效果,明显的是对炮眼利用率和周边光爆炮眼的影响。

  根据掏槽炮眼与开挖面的关系、掏槽眼的布置方式、掏槽深度以及装药起爆顺序的不同,可将掏槽方式分为如下几类。

  2.3.1斜眼掏槽

  斜眼掏槽的特点是掏槽眼与开挖面斜交。它的种类很多,如锥形掏槽、爬眼掏槽、各种楔形掏槽、单斜式掏槽等。

  隧道爆破中常用的是水平楔形掏槽,其中深孔爆破采用大间距多对水平深孔楔形掏槽,一段为3。5m-5。0m深,使用于坚硬岩石较多。

  ⑴.水平楔形掏槽

  掏槽眼水平成对布置(两对以上),爆破后形成楔形槽口。炮眼与开挖面的夹角、上下两对炮眼的间距a与同一平面上一对掏槽眼眼底的距离b,是影响此种掏槽爆破效果的重要因素。此种掏槽形式的主要参数,随围岩级别不同而不同,列出一些经验数据作为设计参照。

  ⑵.锥形掏槽

  这种炮眼呈角锥形布置,各掏槽眼以相等或近似相等的角度向开挖面中心轴线倾斜,眼底趋于集中,但互相并不贯通,爆破后形成锥形槽。根据掏槽炮眼数目的不同分为三角锥、四角锥、五角锥等。四角锥形掏槽常用于受岩层层理、节理、裂隙影响较大的围岩。由于毫秒雷管的应用,此种较难操作的角锥形掏槽也很少使用了。因为毫秒雷管的应用,改善了掏槽效果。

  斜眼掏槽具有操作简单,打眼精度要求较直眼掏槽低,能按岩层的实际状况选择掏槽方式和掏槽角度,易把岩石抛出、掏槽炮眼的数量少且炸药耗量低等优点。但是,炮眼深度易受开挖断面尺寸的控制,不易提高循环进尺,也不便于多台凿岩机同时作业和开挖断面小时,进尺受限制。

  2.3.2直眼掏槽

  直眼掏槽由若干个垂直于开挖面的炮眼所组成,掏槽炮眼形式多样,掏槽深度不受围岩软硬和开挖面断面大小的限制,可以实现多台钻机同时作业,深孔爆破和钻眼机械化,从而为提高掘进速度提供了有利条件。由于直眼掏槽凿岩作业较方便,不需随循环进展的改变而变化掏槽形式,仅需改变炮眼深度,且石碴抛掷距离也可近些,受到工地欢迎。但直眼掏槽的炮眼数目和单位用药量较多,对眼距、装药等要求严格一些,如果设计不当,可能使槽内岩石不易抛掷或重新固结而降低炮眼利用率。

  ⑴。直眼掏槽形式

  过去常用的有龟裂掏槽、五眼梅花掏槽(五眼中空)和螺旋掏槽。近十多年来,由于重型凿岩机械的使用,尤其是钻孔台车的使用,能钻大于102mm直径炮孔的液压钻机投入施工之后,直眼掏槽的布置形式有了新的发展。目前常见的形式有:

  ①柱状掏槽(或称筒形掏槽),这是隧道局在1979年研究成功并投入使用的非常成功的掏槽形式。它是充分利用大直径中空眼作为“临空孔”(隧道局定的“术语”)和岩石破碎后的膨胀空间,使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。作为“临空孔”(一般为φ102mm和φ153mm)的空眼数目,视炮眼深度而定。一般当孔眼深度小于3.0m时,采用1个;当孔眼深度为3.0-3.5m时,采用双临空孔;当孔眼深度为3.5-5.0m时,采用3临空孔。经验:第一起爆装药孔离开临空孔的净距离不大于1.5倍。并应注意炮眼平行,不能相交(打穿)。大中空孔直眼掏槽区一般为1.0m×1.0m。

  ②螺旋形掏槽,它是由柱状掏槽发展而来,其特点是中心眼为空眼(不装药),邻近空眼的各装药孔至空眼之间的距离逐渐增大,其联线呈螺旋状。其主要参数:

  装药眼与空眼之间的距离分别为a=(1.0-1.5)D,b=(1.2-2.5)D,C=(3.0-4.0)D,d=(4.0-5.0)D。D为空眼直径,一般不小于φ63mm,可用φ102mm钻头,φ63mm钻头、φ76mm钻头。也可以使用φ63mm钻头钻成8字形空孔,爆破按1、2、3、4由近及远顺序起爆,以充分利用自由面,扩大掏槽效果。

  ⑵.影响直眼掏槽效果的因素

  直眼掏槽以空眼作为增加的临空面,利用炸药爆炸的能量将槽内岩石破碎,并借助爆破产生的气体的余能将已破碎的岩块从槽腔内抛出。在直眼掏槽中,应注意以下几点:

  ①眼距。空眼与装药眼之间的距离。当使用等直径炮孔时,此距离一般随岩石不同而变动,变动范围为炮眼直径的2-4倍;当采用大直径空眼时(≥φ63mm),眼距不宜超过空眼直径的2倍。由于掏槽效果对眼距变化很敏感,往往眼距稍大就会造成掏槽效果降低或失败,而眼距过小不仅钻眼困难,还会发生槽内岩石被挤实现象,不能形成槽腔。

  ②空眼。中空眼不仅起着临空面和破碎岩石的发展导向作用(即使岩石破碎后向空孔方向运动),同时为槽内岩石破碎提供一个膨胀的空间。所以,增加空眼数目能获得良好的效果,一般随眼深加大,空眼数目也相应增加。

  ③装药。直眼掏槽装药眼一般要“过量过药”,装药长度占炮眼长度的85%-90%,如果装药长度不够,会发生“留门坎”和“挂门帘”现象。当深度大于3。0m时,可能发生“管道效应”(即大炮眼装小药卷,爆破时,可能存在药卷爆熄现象),应采取相应措施防止爆轰中断。措施:一是加大药卷直径,做到偶合装药。二是使用导爆索串装药卷;三是采用高威力炸药等。

  ④辅助抛掷。采用辅助药卷,置于空眼底部(底部加深20cm),在掏槽眼全部起爆后接着起爆,帮助把槽内已破碎岩石抛出槽腔,达到确保掏槽效果的目的。

  ⑤钻眼质量。要保证钻眼的准确,使各炮眼之间保持等距、平行极为重要。如果两眼打穿,易造成殉爆,降低槽内岩石抛掷,使岩石再挤紧,不能形成自由面。如果距离过大,或钻眼偏斜,易发生单个炮眼直径扩大或单个炮眼爆炸,炮眼间的岩石不易崩落,形成“岩梗”。

  2.3.3混合掏槽与特种掏槽

  ⑴.混合掏槽是指两种以上的掏槽方式的混合使用,一般在岩石特别坚硬或隧道开挖断面、较大时使用。

  ①直眼与斜眼结合成的掏槽。

  ②角锥与直眼结合的掏槽。

  ③楔形与直眼结合的掏槽形式。

  ①~③混合掏槽一般用在比较坚硬岩中。

  ④此外,还有升级掏槽,它是采用逐级加深的炮眼布置,按掘进方向平行钻孔,把全部掏槽深度分阶段达到爆破的目的。见附录。

  这种掏槽可适用于各类不同条件与岩石状况。

  ⑵.特种掏槽

  ①复式掏槽

  严格地说,复式掏槽也属于斜眼掏槽。在大断面隧道掘进中,为加大掏槽深度,可采用两重、三重或四重楔形掏槽眼,每对掏槽眼呈对称布置,深度一层一层加深,与工作面夹角由小到大。复式掏槽也叫多重楔形掏槽或V型掏槽。复式掏槽的爆破角(掏槽眼与工作面的夹角)与掏槽眼深度的相互关系,应使从每个眼底所作的垂线恰好落在开挖断面两壁与开挖面相交的临空面上;最深掏槽眼眼底的垂线也必须落在隧道内,即与已爆出的工作面相交;复式掏槽根据开挖断面的大小及进尺常分为二级复式掏槽和三级复式掏槽。如附录所示。复式掏槽在一般情况下,上、下排距为50-90cm,硬岩取小值,中硬取大值。在坚硬岩层中爆破时,最好使用高威力炸药,一般布置上、下两排即可。如果断面特别大,岩石十分坚硬,同时大于3m时,可用三排或四排,更有甚者特大断面达到8~10排。

  ②二次掏槽

  我们在南昆线米花岭隧道创造了一种叫做直眼二次掏槽,见附录。

  为了克服深眼爆破中装药底部仅产生挤压破碎作用和弱抛掷,可将掏槽炮眼分段起爆,这样有利于槽腔的形成,提高掏槽槽腔的有效深度,在小断面——中断面10-15m2中,深孔3.0-5.0m,可采用台车打眼,直眼二次掏槽,达到炮眼利用率在90%以上。现在此种方法,已推广到斜眼掏槽中,也达到炮眼利用率95%。这种掏槽叫斜眼二次掏槽。

  二次掏槽的关键是一、二次起爆雷管的间隔延期时间,应在50ms;二是里、外起爆药卷之间要堵塞足够长度的炮泥,而且要堵塞密实,避免因殉爆引起两段装药同时起爆,达不到分段起爆的目的。

  总之,掏槽形式多种多样,在理解掏槽的意义与作用时,可以根据打眼工具与岩层情况在实践中进一步创新,以达到提高炮眼利用率的目的。

  2.4隧道爆破参数设计

  2.4.1炮眼直径

  炮眼直径对凿岩生产率、炮眼数目、单位耗药量和岩壁平整度均有影响。

  一般隧道的炮眼直径在φ32-φ50mm之间,大型液压钻机可打φ102mm、φ75mm、φ63mm炮眼,作为中空孔。药卷与眼壁之间的空隙一般为炮眼直径的10%-15%。

  加大炮眼直径以及相应装药量可使炸药能量相对集中,爆炸效果得以提高,也可以减少炮眼数目。但炮眼直径大于φ45mm,则需要重型凿岩机。因此,一般还是以φ32mm~φ45mm作为装药孔与中空孔。重型凿岩机钻装药孔φ48mm、φ63mm,作为中空孔可钻φ75mm、φ102mm、最大φ152mm。设计时,必须根据岩性、凿岩设备和工具,钻头直径、炸药性能等作综合分析,合理选用孔径。

  2。4。2炮眼数量

  炮眼数量主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药品种(性能)有关,炮眼的多少直接影响凿岩工作量。

  炮眼数量的计算很简单,炮眼数量按照其能装完设计的炸药量来计算。通常按各炮眼平均分配炸药量的原则进行计算。

  按公式计算出的N值,还应根据光面爆破、预裂爆破周边眼需增加一些来做调整。下面列出炮眼数量参考值。

  上表也应考虑光爆与预裂爆破需要增加一些炮眼。

  2.4.3炮眼深度

  考虑炮眼深度的因素:围岩级别、打眼机械及工具、循环进尺要求、炮眼利用率高、作业循环时间最省、超挖小等技术经济指标。

  目前较多采用的是浅孔1.0-1.8m,中深孔2.5-2.3m,深孔3.5-5.15m,当岩石坚硬,断面大,又有深孔钻机时,在采用台阶法开挖时,下台阶可以采用超深孔爆破,深度可达15m。

  2.4.4装药量的计算及分配

  炮眼装药量的多少是影响爆破效果的重要因素。药量不足,会炸不开,炮眼利用率低和爆落石碴块度过大;装药量过多,则会破坏围岩稳定,崩坏支撑和抛碴过散过远,对装碴不利,增加洞内有害气体,相应地增加排烟时间和供风量等。合理的药量应根据所使用的炸药的性能和质量、地质条件、开挖断面尺寸、临空面数目(如台阶法下台阶开挖临空面有2个)、炮眼直径和深度及爆破的质量与安全控制要求来确定。

  目前多采取先用体积公式计算出一个循环的总用药量,然后按各种类型炮眼的爆破特征进行分配,再在I点爆破实践中加以检验与修正,直到取得良好的爆破效果为止的方法。

  ①当开挖断面大于50㎡时,单位耗药量还要低一些。

  ②当单位长度药卷重量大时,药量也要适当增加。也就是药卷比重大时,单位耗药量需适当增加。

  2。4。5炮眼布置

  按照围岩类别和开挖断面、掏槽型式等在断面图上作图布置炮帽。

  按下列原则布置炮眼:

  ⑴.先布置掏槽眼,其次是周边眼,最后是辅助眼。

  掏槽眼位置一般应布置在断面中央偏下部位,其深度应比其它眼加深20cm-30cm。为爆出平整开挖面,除掏槽与底板眼外,所有掘进炮眼眼底应基本落在一平面上。底部炮眼深度一般与掏槽眼相同。之所以要加深掏槽眼、底板眼深度,是因为要确保掏槽的掏槽效果和深度,要确保底板不留台阶(不留“门坎”),同时因为这两部的爆破,岩层对其的夹制作用特别大。

  ⑵。周边眼沿隧道轮廓布置,基本上取等距离布眼,断面拐角拐弯处应布眼,应考虑周边眼有一定的外插角,外插斜率为0。03-0。05,使前后两排(两槽)炮眼的街接台阶为最小,一般在10-15cm,即不影响风钻操作为宜。深孔爆破其台阶会大些,一般为25-35cm。应尽量控制超挖。

  周边眼间距E,可根据围岩级别、光面爆破、炮眼直径、药卷种类或预裂爆破、装药结构、断面形式等,结合工程类比加以确定。并应在现场爆破中实践,并加以修正改善。E值一般都能找到参考数值,设计时即可使用参考值。预裂爆破的E值要比光面爆破的E值取得小一些。

  此处“抵抗线”W为内圈眼到轮廓线的距离。

  同时,底板眼比拱、墙周边眼间距可以大一些。炮孔直径≥φ48mm时,周边眼E可适当加大。

  教科书上对光面爆破周边炮眼间距,E有一套计算公式,抄录如下。一般认为工程类比,比计算结果好。我们认为,还是以参考值加上试爆,不断修正为好。E公式太理论化了!

  ⑶.辅助眼的布置也同样采用类比方法和已有参考值进行。原则在掏槽炮眼与周边炮眼之间,均匀分布布置。按照一圈一圈或一排一排地布置,需确定同一圈的炮眼间距和圈与圈之间的距离(一般为抵抗线W)。这里应注意拱部炮眼可稀一些,因为,拱部爆破,岩石有自重的作用。

  施工经验证明,一般抵抗线约为炮眼间距的60—80%。

  炮眼间距也同样取决于围岩级别、炮眼直径、炸药种类。一般在采用2号岩石铵梯药卷时,抵抗线(圈距或排距)W取0.8-1.0m,硬岩取小值,软岩取大值。这样炮眼间距约为1.0-1.2m。拱部范围的距离可取大一些1.2-1.4m。底板以上第一排炮眼与底板距离即底板眼抵抗线W要取小些,取0.8m为合适。

  ⑷.在图上按上述原则与参考值布置后,根据爆破方量核算总的炮眼数,并计算出单耗炮眼数(个/m3),并与计算公式计算结果相比较,然后可作适当调整。

  ⑸。当炮眼深度超过2。5m时,靠近周边眼的内圈眼应与周边眼有相同的倾角(外插角角度)。

  ⑹。当岩层层理明显时,炮眼方向应尽量垂直于层理面,这样爆破效果较好。

  ⑺。隧道开挖面炮眼,在上述原则基础上。有以下几种布置方式,见附录。

  ①直线形布眼:将炮眼按垂直方向或水平方向围绕掏槽开口呈直线形逐层排列。

  ②多边形布眼:围绕掏槽部位由里向外逐层,布置成多边形。

  ③弧形布眼:顺着拱部轮廓线逐圈布眼。

  ④圆形布眼:当开挖面为圆形时,炮孔围绕断面中心逐层布置成圆形。

  2.4.6起爆顺序的安排

  起爆顺序的正确设计是隧道实施光面爆破与预裂爆破的关键。爆破时,炮眼起爆先后顺序正确才能达到理想的爆破效果。

  正确的起爆顺序:先爆破的炮眼为后续爆破的炮眼减小岩石的夹制作用和增大临空面,创造更好的爆破条件。同时起爆的一组炮眼,能共同作用,爆炸力更强。

  为了保证准确地按设计顺序起爆,应使用毫秒雷管和1/4秒级雷管起爆。这样,爆破就能由里向外,一层一层地准确剥离、破碎,达到高的炮眼利用率和平整的开挖轮廓。

  正确的起爆顺序是先掏槽,后辅助眼,由里向外分层起爆,然后是底板眼、侧壁眼和压顶眼。

  根据现场已有和可能购进的毫秒雷管和1/4秒级雷管系列来设计起爆顺序和安排起爆雷管的段数。一般毫秒雷管有1-15段系列和1-20段系列。一般1/4秒级雷管有1~10段。

  应根据雷管的延期时间(ms或1/4s)的长短来安排起爆雷管。

  起爆延期时间:每一段雷管“内存”有“时间”(比喻),起爆是同时点火起爆的,用不同段的雷管装在炮孔中,则起爆时间“有先有后”,只要正确安排,就达到有顺序地起爆的目的。

  起爆延期时间安排的主要原则:

  ①前后时间时隔最好为50ms~100ms。

  ②预裂爆破和光面爆破周边和底板尽量使用“同段雷管”(同时起爆有共同作用效果)。

  ③掏槽炮眼起爆尽量安排炮眼能逐一起爆,掏出更好的槽腔,形成新的临空面。

  ④为了减少爆破振动,又要求每次同段雷管起爆总药量(同一段雷管引爆的装药量之和)要控制在允许范围内,同一段雷管起爆的炮眼数目要控制在允许范围内。

  2.4.6堵塞炮泥

  隧道内所用的炮眼堵塞材料一般为砂子和粘土混合物,比例大致为砂子50%-40%,粘土50%—60%,堵塞长度视炮眼直径和孔深而定。当炮眼直径在φ32和φ45mm时,堵塞长度不能小于20cm和45cm。深孔爆破堵塞长度应在45cm以上。

  2。4。7起爆网路

  起爆网路是隧道爆破成败的关键,它直接影响爆破效果和爆破质量,起爆网路必须保证每个药卷按设计起爆顺序和起爆时间起爆。

  在无瓦斯与煤尘爆炸危险的隧道中进行爆破一般都采用导爆管起爆系统起爆。网路设计简单,一般不采用孔内延期方法起爆。只要求联结牢固,簇联时一来导爆管数不超过15根。

  采用电雷管起爆网路则需要作详细计算与设计。

  在隧道工地常使用的是并串联网路,把所有导爆管联结成网路后,用火雷管(即发雷管)引爆,注意,使用火雷管引爆,设计导火索长度应大于5m,即点火作业人员能有足够时间撤离到安全地点躲避。

  03

  光面爆破和预裂爆破

  在隧道爆破施工中,首要要求是开挖轮廓与尺寸准确,对围岩扰动小。过去采用的普通爆破方法不仅对围岩的扰动大,而且造成大量超、欠挖。采用光面爆破和预裂爆破能使开挖轮廓与尺寸准确,对围岩扰动小,大大地减少了超欠挖,安全、经济。隧道局早在1979年就在衡广复线坪乐段大瑶山等11座隧道开挖施工中全面推广应用光面爆破和预裂爆破技术,取得很大成功,并创造了大断面深孔掏槽技术和全断面深孔光面爆破和预裂爆破技术,并在全国进行推广应用。

  3。1隧道光面爆破方法

  3.1.1隧道光面爆破的特点与标准

  光面爆破是通过正确确定爆破参数和施工方法,尤其是正确选择周边眼的钻爆参数与装药结构,周边孔爆破是在设计断面主爆体爆破之后最后同时起爆,使爆破后的围岩断面轮廓整齐,最大限度地减轻爆破对围岩的扰动和破坏,尽可能地保持围岩的完整性和稳定性的爆破技术(或称“方法”)。其主要标准为:开挖轮廓成形规则,岩面平整;围岩岩壁上保持50%以上的半边炮眼痕迹(亦称“炮眼痕迹保存率”),无明显的爆破裂缝;超欠挖符合规定要求,围岩无危石、无坍塌等现象。“铁路隧道施工规范”提出了具体标准。

  光面爆破的优越性:对围岩的扰动小,又尽可能保存围岩自身原有的承载能力,这正是实施NATM的基本原则之一,从而改善了初期支护和衬砌结构的受力状况,可以减小初期支护强度。由于围岩岩壁圆顺平整,减少了应力集中和局部落石现象,是隧道防坍的有力措施,从而增加了施工安全度,减少了超挖和回填量,能节省大量混凝土,降低工程成本,加快施工进度。光面爆破可减轻振动和保护围岩,所以它是山岭隧道、城市市政隧道、地铁隧道等有效的开挖爆破方法。

  3.1.2隧道光面爆破的主要参数

  隧道光面爆破主要参数包括:周边眼的间距(E),周边眼的抵抗线(W)(即周边眼至内圈眼的距离)、周边眼密集系数(K=E/W)和装药集中度(线装药密度)等。

  同时,应根据爆破器材,选择周边装药结构和安排起爆雷管。

  影响光面爆破参数的因素很多,主要有岩石的可爆性、炸药品种、一次爆破的断面大小、断面形状、凿岩设备、钻孔直径和深度等,其中影响最大的是地质条件。光面爆破参数的选择,通常采用简单的计算并结合工程类比法加以确定,在初步确定后,一般可在现场爆破实践中加以修正改善。

  有条件的工点或有必要时,可做“爆破成缝试验”,其方法在“铁路隧道施工规范”附录中有详细介绍。同时,“规范”也提出了“光面爆破参数”、“可供选用的光面爆破药卷规格”、“周边眼装药结构参考图”等供设计时选用。

  ⑴.周边炮眼间距E

  在不偶合装药的前提下,光面爆破应满足炮孔内静压力小于爆破体的极限抗压强度,而大于岩体的极限抗强度的条件。“此据理论”,按以下公式确定E值。

  实施施工中,取得经验数据作为设计参数,一般Ki=10-18,即E=(10-18)d;当炮眼直径为φ32mm-φ40mm时,E=35cm~70cm。

  也可以在两个炮眼间增加导向空眼,导向眼到装药眼间的距离一般控制在40cm以内,才能取得效果。

  此外,还应注意炸药品种与药卷直径对E值也有影响。

  ⑵.周边眼抵抗线W与装药密集系数K。

  周边眼的间距E与周边眼的最小抵抗线W有着密切关系,通常以周边眼的密集系数K表示,K=E/W,其大小对光面爆破效果有较大影响。必须使应力波在两期相邻炮眼间的传播距离小于应力波到临空面的传播距离,即E

  ⑶。周边眼装药量

  周边眼装药量通常以线装药密度表示。恰当的装药量应是既具有破岩所需的能量(不留残眼),又不造成围岩的过度破坏。设计时应根据孔距、抵抗线、石质和炸药种类、装药结构综合考虑确定装药量(装药集中度q,kg/m)。下面提供“光面爆破参数表”,可供设计选用之。

  ⑷.装药种类、装药集中度与装药结构

  ①使用低爆速、低猛度、低密度、高威力传爆性能好的炸药。

  ②采用不偶合装药结构。不偶合装药系数(为炮孔直径与药卷直径之比),不偶合装药系数最好大于2。但应注意药卷直径不小于该炸药的临界直径,以保证传爆。小于时,会拒爆。当采用不偶合装药时,一般使用小药卷连续装药或也有使用间隔装药的。当采用标准药卷时,不偶合系数小于2,往往采用间隔装药。此时,相邻炮眼所用的药卷位置应错开,以充分利用炸药效能。不偶合装药与间隔装药,见附录。

  ③严格掌握与周边眼相邻的内圈眼的爆破效果,为周边眼爆破创造良好的临空面。周边眼应尽量做到同时起爆。

  ④严格控制装药集中度,间隔装药与小直径药卷都是为此目的而采用的。为克服眼底岩石的夹制作用,通常在眼底需加强装药,尤其是深孔爆破。但总的装药量不变。

  3。2隧道预裂爆破方法

  预裂爆破是首先起爆周边眼,在开挖断面内其它炮眼爆破之前,先沿着开挖轮廓线预裂爆出一条裂缝,即各周边眼形成相互贯通的裂缝,与原岩体分割开来,这条裂缝用以反射爆破地震应力波。同光面爆破一样,预裂爆破是合理选择爆破参数与施工方法,尤其需要正确选择周边眼钻爆参数与装药结构,起爆顺序是首先引爆周边眼,使沿周边眼的连心线炸出平顺的预裂面,然后起爆掏槽炮眼,再起爆辅助眼。

  由于预裂面的存在,对后起爆的掏槽眼、辅助眼的爆轰波能起缓冲作用,从而减轻爆轰波对围岩的破坏影响,使围岩保持完整,使开挖面整齐规则。

  由于爆破过程和破岩条件不同,在减轻对围岩的扰动程度上,预裂爆破较光面爆破的效果更好一些。所以,预裂爆破很适用于稳定性较差而又要求控制开挖轮廓的软弱围岩,但预裂爆破的周边眼间距和最小抵抗线都要比光面爆破小,相应地要增加炮眼数量,钻眼工作量增大。同时装药集中度较光面爆破大一些。

  理想的预裂效果会形成光滑的岩壁。但预裂爆破受到只有一个临空面条件的制约,影响预裂爆破效果的因素很多,如钻孔直径、孔距、装药量、岩石性质、地质构造、炸药品种、装药结构及施工操作因素等,而这些因素又是相互影响的。

  目前,确定预裂爆破主要参数的方法有理论计算法、经验公式法和经验类比法三种。就现状来说,预裂爆破的理论研究还很欠缺,设计计算方法也很不完善,现在大多数普遍采用经验类比初步确定爆破参数,再由现场试验调整,逐步得到满意结果。

  同光面爆破方法一样,在有条件的工点和必要时,可做“成缝试验”。其方法亦见于“铁路隧道施工规范”附录。

  下面列出隧道预裂爆破参数值,可供选用。

  04

  钻爆施工

  钻爆施工是把钻爆设计付诸实施的重要环节,包括钻孔、装药、堵塞和爆破后可能出现的问题处理等。

  隧道爆破通常都要求每一循环进展尽可能大,但在很多情况下,往往由于过高地估计爆破效果而带来一些困难。因此,在施工设计中,不但要了解实际掘进速度的可能性,而且还要注意开挖方法。

  4.1开挖方法

  隧道施工方法的选用,应根据工程地质和水文地质资料,结合设计断面大小、支护类型、隧道长度、工期要求等因素综合研究确定。当采用钻爆法施工时,一般选用全断面法、台阶法和导坑法等。

  铁路隧道的高度一般在8.0~8.5m左右,从施工进度考虑,在岩层完整、岩石较坚硬时,即围岩为Ⅰ~Ⅱ级,部分为Ⅱ~Ⅲ级,以采用全断面爆破掘进为宜。这种方法施工工作面空间大,能充分发挥机械效能,适合于大型机械作业;工序少、便于施工管理与施工组织;开挖断面大且一次成型,有利于采用深孔爆破。在大瑶山双线铁路隧道中,隧道局创造了钻孔深达5.15m,循环进展可达4.5~5.0m。该法要求机械化程度高,各工序紧密配合。目前,公路隧道也多采用全断面开挖,2车道、3车道和4车道断面,都采用大型机械化作业,无轨运输与大瑶山隧道全断面开挖、运输、喷锚和二次衬砌作业线一样,效果很好。

  当隧道高度较大而又无大型凿岩台车时,或者围岩不允许全断面开挖时,可用台阶法开挖施工。一般是正台阶法施工。只有围岩特别好,隧道高度较大而无大型凿岩台车,才采用反台阶法施工。

  在围岩Ⅱ~Ⅲ级岩层中采用正台阶法施工,相当安全,且效率较高,平均日进可达8~10m。

  由于台阶法对地质适当性较高,变更容易,目前我国大多数隧道都采用此法开挖。

  当地质条件比较软弱,涌水量较大或缺乏全断面开挖机具时,可采用导坑法开挖。有下导坑法、中导坑法和侧壁导坑法。

  全断面开挖法,爆破只有一个临空面。分部开挖(或称“分步开挖”),扩大刷帮、挖底、挖墙部(挖马口等)这些部位的开挖爆破要充分利用导坑和已挖上台阶的临空面。起爆顺序:靠临空面的炮眼先起爆,依次由下向上,由里向外爆破。

  4.2钻眼

  目前,在隧道开挖施工中,广泛采用的钻孔设备为凿岩机(手持式风钻、液压钻)和钻孔台车全液压钻机或风动钻机。土办法是台架打眼。也有采用“人机套打”开挖大断面隧道。“人机套打”,在地质条件好,台车开挖与人工手持式风钻台架相配合,长短炮眼结合,达到更好的光面爆破效果。

  施钻前由专门测量人员根据设计在,掌子面布孔,必须标出掏槽眼和周边轮廓,严格按照炮眼的设计位置、深度、角度和孔径,分工定点、定位进行,多台钻机作业。应注意防止炮眼交叉打穿,炮眼总数不小于设计的90%,掏槽炮眼位置误差不大于5cm。如果出现大的偏差,应废弃重钻,切实保证钻孔质量。

  注意掌握周边眼的外插角,太大超挖大。太小造成欠挖或造成下一循环“作业净空”不够。“作业净空”指无论手持式风钻,还是液压重型钻机,其在作业时,打眼工具要占一定的位置。

  还要注意,平行打眼,同时注意掌子面明显不平整时,应调整炮眼的孔深,使炮眼底在一个平面上。

  4.3装药

  在装药之前,应清孔,将炮眼残碴,积水清除,并检查炮眼位置、深度、角度是否满足操作要求(按设计与打眼误差一并考虑),装药时严格按照设计装药量进行装药,“起爆药卷”(装有起爆雷管的药卷)按设计起爆顺序和雷管段别安排,“对号入座”。

  隧道爆破中,常采用的装药结构:

  ①掏槽炮眼:连续装药,尽可能采用接近于1的不偶合系数,即偶合装药。

  ②辅助炮眼:连续装药,不偶合系数采用1。3~1。5。

  ③周边炮眼:小直径药卷连续装药,不偶合系数宜为2;间隔装药,不偶合装药系数1.5~2.0之间。当岩石很软时,围岩Ⅲ~Ⅲ需要爆破时,也可以用导爆索装药结构代替炸药药卷进行装药。

  目前,还是人工装药为主,机械装药卷机装药正在推广。

  连续装药结构按照雷管在炮孔中的位置不同又可分为正向起爆、反向起爆和双向起爆三种起爆方式。

  实践表明,将起爆雷管装在孔底部位,反向起爆,有利于克服岩石的夹制作用,能提高炮眼利用率,减小岩石破碎块度,减小大块率。现在一般都采取这种方式起爆。

  隧道周边眼间隔装药时,往往常用正向起爆方式,即从孔口向孔底方向起爆。

  4.4堵塞

  隧道爆破所使用的炮眼堵塞材料一般为砂子和粘土混合物,其比例大致为砂子50%~40%,粘土50%~60%,堵塞长度视炮眼直径为定,一般不能小于20cm,炮眼直径在45cm以上时,不小于45cm。堵塞可采用分层人工捣实法进行。

  炮泥机应广泛使用。国外,也有使用聚乙烯塑料块做堵塞材料的。

  4.5起爆

  起爆网路必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间起爆。

  采用导爆管起爆法,联结方法必须正确,簇联每束不起过15根导爆管,为了“准爆”可以使用双雷管起爆。所有联结雷管都必须使用即发雷段(即毫秒管Oms)或用火雷管加装导爆管,联结必须牢靠。

  起爆网路的雷管,可采用火雷管,引线(导火索)必须大于5米,以确保点火人员有足够时间撤离到安全地点(一般300m以远)。如采用电雷管引爆网路时,电力起爆地点必须在安全地点(一般300m以远)。最安全的起爆方法是采用长导爆管300m,用击发枪起爆网路。但太费导爆管,成本太高,一般不使用。只适合露天或洞室爆破。

  4。6瞎炮的预防与处理

  放炮时,炮眼内的装药未发生爆炸,雷管未爆炸,俗称“瞎炮”。

  4.6.1瞎炮的预防

  ⑴.爆破器材要妥善保管,严格检验,禁止使用技术性能不符合要求的爆破器材。

  ⑵.不同燃速的导火索(“引线”)应分批使用,不应在同一循环中使用。

  ⑶.防止导爆管破裂或拉断,防止油、水、泥砂进入导爆管口段。

  ⑷。防止爆破器材在有水的工作面被水浸泡,避免爆破器材受潮。

  ⑸.同一串联支路上使用的电雷管,其电阻差不应大于0.8欧姆,重要网路不超过0.3欧姆。

  ⑹.提高爆破设计质量。设计内容包括炮孔布置、起爆方式、延期时间、网路敷设、起爆电流、网路检测。网路检测指电力起爆电雷管网路。

  ⑺.提高操作质量。火雷管起爆要保证导火索与雷管紧密连接,雷管与药包不能脱离;电力起爆要防止漏接、错接和折断脚线,网路接地电阻不得小于1×105欧姆,并要经常检查开头和线路接头是否处于良好状态。要防止炸药卷连续装药时,药卷之间有堵塞物如泥砂、岩屑等;药卷之间要“紧接”,其间隔超过殉爆距离时,会产生瞎炮。

  4。6。2瞎炮的处理(指隧道爆破)

  ⑴。经检查确认炮眼的起爆线路完好时,可重新起爆。

  ⑵。打平行眼装药起爆。平行眼距瞎炮孔口不得小于0。3m。为确保平行眼的方向允许从瞎炮口取出长度不超过20cm的填塞物。深孔与超深孔,不宜采用此法处理瞎炮。

  ⑶。用木制、竹制或其它不发生火星的材料制成的工具,轻轻将炮眼内大部分填塞物掏出,用聚能药包诱爆。

  ⑷。瞎炮应在当班处理。当班不能处理或未处理完毕,应将瞎炮做上记号,在现场交接清楚,由下一班继续处理。

  ⑸。导爆管起爆法,若导爆管在孔外被打断,可以掏出仍在孔内的部分导爆管,长度25cm~30cm,接上导爆管雷管重新起爆。

  4.7隧道爆破质量检验标准

  隧道爆破质量直接影响隧道施工安全、掘进进度和经济与环境效益。爆破时,围岩的破坏范围过大,将造成坍方,将威胁到施工安全;石块块度过大,将影响装运速度,甚至还需二次爆破处理装运不走的巨石;眼底不平,炮眼利用率不高,会影响掘进速度;光爆效果不好,超挖过大,则是造成经济效果不好的直接原因。根据长期的经验,考虑到铁路隧道施工机械设备与施工技术和管理现状,一般采用下列质量检验标准来检验隧道爆破效果。

  上表注:以上标准系浅孔1m~3m炮孔深的隧道爆破质量标准。对于3m-5m炮孔深的深孔爆破,其质量标准要求有所不同,主要是平均和最大线性超挖允许大一些,两炮衔接台阶尺寸也允许大一些。如5m深孔爆破,两炮衔接台阶尺寸允许在35cm范围内。

  隧道光面爆破和预裂爆破有许多被实践证明了的优越性,如果真正把光面和预裂爆破实施起来,效果肯定好,设计简单,操作并不复杂,安全性好,经济性好,环保性好。但是,理解起来容易,讲起来容易,真正做到就不容易了,关键在于管理!

  隧道工程师应该有决心、有信心把隧道光面爆破和预裂爆破搞好,并且从理论和实践上将隧道爆破技术水平提高一步,有所作为,有所创新,为修建更多更好的隧道作出自己的努力。

  ???本文由中国著名隧道专家中铁隧道局李桧祥老人执笔撰写,文章从爆破器材、原理、机具、设计及施工共分为六大章对隧道爆破设计与施工进行了详细的阐述,是隧道工程师不可多得的随身资料!感谢李老的倾情奉献,以及李老对【思考隧道】的大力支持!

  我们对隧道的爱,是因为懂它深沉厚重的苦楚。关注【思考隧道】,参与【隧道思考】,让一线人员找到组织,让黑暗的探索有思考陪伴,让前进的方向洒满阳光!将【思考隧道】分享给我们的同事、我们的战友,分享给你期望的每一个人,即使大山深处,你也会永不孤独。欢迎回家,回到“隧道人”的精神乐园。欢迎社会各界创新团队在【思考隧道】展示风采,也欢迎各路英雄与【思考隧道】展开多种形式的创新交流、合作!

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