软弱围岩光面爆破设计在安远隧道施工中的应用

软弱围岩光面爆破设计在安远隧道施工中的应用刘凯永古项目部提要：光面爆破在隧道硬岩施工中取得了不错的效果，但是，在隧道软弱围岩施工中，由于围岩软弱，围岩裂隙及地下水较为发育，造成光面爆破的效果较差，为了有效的的控制软弱围岩下光面爆破的效果，减少隧道超欠挖，降低工程成本，本文结合甘肃省永古高速公路安远隧道实际情况，介绍隧道围岩受F9断层影响情况下，隧道开挖光面爆破设计采用减轻地震动控制爆破的方法。关健词：软弱围岩光面爆破1概述甘肃省永古高速公路安远隧道地质条件复杂。该隧道位于祁连山高寒亚干旱区，隧道右线全长6868米，左线全长6848米，最大埋深470米，属深埋石质特长公路隧道。隧道地处祁连山——河西走廊地震带，是我国重点监视的主要地震活动区之一，新构造运动非常强烈，地震活动频繁，隧道通过段发育的主要区域性构造是安远拉分盆地西北缘活动断裂带（F9），安远隧道受F9断层的影响，次生断裂发育，形成了大小不一的断层破碎带。开挖揭示F9断层中隧道围岩为呈灰绿色粉末状，局部夹杂角砾岩，呈松散状，地下水较为发育，稳定性极差。次一级的断层由于受F9断层的影响，开挖揭示围岩为志留系变砂岩、安山玢岩夹娟云千枚岩，中薄层状，节理、裂隙发育，较松软，地下水较为发育，围岩稳定性差，隧道成洞条件较差。在安远隧道施工过程中采用减轻地震动控制爆破方法，有效的控制光面爆破效果，减少隧道超欠挖，降低工程成本等方面取得了不错的效果。2开挖高度及开挖进尺的确定2.1开挖高度的确定隧道开挖高度一般按照围岩的级别确定，开挖高度是确定隧道按开挖方法的依据，可根据围岩的物理力学指标确定开挖高度，物理力学指标可通过试验取得，围岩开挖最大稳定高度hmax按照以下经验公式计算得出。（杨威.软岩隧道光面爆破技术.城市道桥与防洪）hmax=c2×0.1×tg（45°+2）式中hmax——掌子面最大稳定垂直高度(m)；c——岩体粘结力(Kpa)；φ——岩体内摩擦角(度)；γ——围岩容重(t/m3)。当hmax≥H(全断面开挖高度)时，表示可以全断面开挖；当hmaxH时，表示全断面开挖掌子面不稳定，应采用半断面台阶法开挖。岩体级别与岩体结构面抗剪强度物理力学参数表表1基本质量级别重力密度γ（t/m3）内摩擦φ（°）粘结力c（Kpa）Ⅰ＞2.65＞37＞220Ⅱ37～29220～120Ⅲ2.65～2.4529～19120～80Ⅳ2.45～2.2519～1380～50Ⅴ＜2.25＜13＜50根据安远隧道Ⅳ级围岩的特性，物理力学参数取值如下：γ=2.4t/m3，φ=16°，c=60Kpa。所以，hmax=c2×0.1×tg（45°+2）=4.2602×0.1×tg（45°+216）=6.64（m）安远隧道全断面开挖高度H=9.392m，由上式计算结果得出H＞hmax，故本隧道开挖采用上下台阶法开挖。因为设计圆心以上最大高度为6.1米，考虑到施工方便，根据以上计算，决定上台阶开挖高度隧道拱顶至边墙圆心高度（即6.1米）。2.2开挖循环进尺的确定安远隧道由于穿越F9断层破碎带，围岩松散、裂隙发育，地下水丰富，隧道开挖后拱顶部位掉块现象比较严重，所以，隧道开挖的循环进尺的长短对于拱顶及掌子面的稳定起着非常至关重要的作用，开挖过短影响施工进度，开挖太长容易造成塌方及掉块产生超挖，增大工程成本，隧道开挖循环进尺可根据以下经验公式确定。Lmax=)1(2）2tg(45hmax8.0tg=)161(2）216tg(456.648.0tg=2.36（m）安远隧道设计钢拱架间距为1m，所以确定每循环最大开挖循环进尺为两榀钢拱架长度（2m）。根据现场实际情况，如围岩情况特别软弱，可按照一榀钢拱架每循环进行施工。通过施工现场实际施工，每循环2m的进尺为最理想的进尺长度。3安远隧道软岩光面爆破设计国际岩石力学讨论会把强度低、破碎、风化的岩层统称为软弱围岩，在这一类围岩中所建造的隧道统称为软岩隧道。如何在开挖后能保持围岩稳定是爆破设计中需考虑的一个重要问题。3.1减轻地震动控制爆破基本原则软岩开挖爆破是按雷管段号分别起爆，爆破震动对软弱围岩的稳定影响很大，为了最大减小开挖爆破对围岩的扰动，因此应采用减轻地震动的控制爆破方法，保证围岩的稳定。方案从以下几点考虑：1）减少装药总量，减少围岩的扰动。采用短进尺，加快工序循环，以及早对围岩进行支护，封闭围岩，最大限度的减少围岩的爆露时间，为保护围岩的自身稳定创造条件。2）隧道地下水较为发育，围岩含水量较大，炸药选用乳化炸药，雷管采用非电毫秒雷管（1～15段）。3）因隧道围岩软弱，为确保隧道施工安全，根据“早封闭”的施工原则，隧道仰拱距掌子面距离较近，为实现多台钻机同时作业，同时减小岩石的抛郑距离，保护施工机械设备不受损坏，采用中空直眼掏槽，设4个中空眼，眼深2.4米，9个掏槽眼，眼深2.2米，5段微差起爆。4）控制同段雷管的用药量，降低爆破振动速度。3.2炮眼深度的确定软弱围岩通常以循环进尺作为眼深，掏槽眼另加10%~20%。由前面计算得知，安远隧道软岩的循环进尺为每循环2m，故周边孔L=2m，掘进主炮孔L=2m，掏槽眼L＝2.1m。3.3炮眼个数的确定炮眼的数目过少会影响开挖效果，炮眼数量过多则会增加钻眼的工作量，造成钻眼时间过长，影响掘进进度。因此，正确确定炮眼数目是取得良好爆破效果和提高掘进速度的重要条件之一。在这里，介绍一个经验公式计算炮眼的数目，以总装药量与单个炮眼装药量之比来计算。N=rnLLSK式中：N——炮眼个数，个K——单位炸药消耗量，kg/m3，见表2S——开挖断面积，m2，上台阶开挖面积为58.45m2。L——炮眼深度，mn——炮眼装药系数，软岩隧道的炮眼平均装药系数取0.2～0.4的范围之内。r——炸药每米质量，kg/m，r=1.0kg/m。台阶爆破单位体积耗药量表2N=rnLLSK=0.12.02245.5845.0=132（个）3.4炮眼的布置原则上先布置掏槽眼、周边眼，然后是底板眼、内圈眼、二台眼，最后布置掘进眼，掘进眼均匀布置，内圈眼间距为周边眼间距的1.5倍左右，抵抗线为间距的0.7倍左右。另外，为了不至于底板越爆越高，底板眼也要有下插角度。3.4.1周边眼间距E可根据钻孔直径d计算，一般可按E=(8~12)d设计。取10d计算，故E=10×42=420mm=42cm，由计算得知，E取值为40cm。3.4.2抵抗线WW是周边眼至二圈眼的距离，根据国内外实践经验，当E/W=0.8时效果很好，一般可按W=1.25E设计。故W=1.25×40=50cm。3.4.3二圈眼(1)间距E′：二圈眼间距可按E′=(1.4~1.5)E设计。故E′=1.5E=1.5×40=60cm。(2)抵抗线W′：二圈眼抵抗线可按W′=(1.0~1.5)E′设计。故W′=0.9E′=1.3×60=80cm。周边眼和二圈眼按弧形布置。3.5安远隧道软岩光面爆破炮眼布置图（如下页图所示）3.6炮眼装药量及每一循环装药量Q的计算3.6.1低振动爆破技术及同段最大允许装药量微动爆破可按下式计算同段允许最大装药量：Qmax=α×R3（Vkp/K）3/2式中：Qmax——同段最大允许装药量(kg)；Vkp——振速安全控制标准，其参考值见表3；K——与爆破技术和地震波介质有关的系数，其值可参照表4选用；R——爆源中心到震速控制点的距离；α——爆破振动衰减系数，其值可参照表4选用。岩石坚固系数f2～345～68101520单位体积耗药量kg/m30.390.450.50.560.62～0.680.730.79振速安全控制标准参考值表3适用条件地质特征振速控制值Vkp（mm/s）软岩Ⅳ、Ⅴ级围岩整体性较好，自稳时间在4h以上5Ⅳ、Ⅴ级围岩整体性差，自稳时间在4h以下3Ⅳ、Ⅴ级围岩整体性较差，自稳时间较短1.5Ⅴ级围岩偏低整体性极差，自稳时间极短＜1α值、K值表表4地质特征α值K值Ⅳ、Ⅴ级围岩、页岩与砂质页岩，呈薄层状，层厚1~2cm1.2916Ⅴ～Ⅵ级围岩，极严重风化破碎的，近似直立片状层理1.6742Ⅴ～Ⅵ级围岩，砂岩：节理裂隙发育，灰岩：风化严重2.40325Ⅴ级围岩，砂岩、灰岩、节理裂隙发育2.11370注：本表为几座隧道的实测资料经过计算得知：Qmax=α×R3（Vkp/K）3/2=1.29×53×(2/16)3/2=7.1kg根据计算的同段最大装药量，对周边眼、内圈眼、底板眼同类炮孔装药量较大，超过同段最大允许装药量时，采用分几段起爆，减少同段炸药量。3.6.2上台阶装药量计算3.6.2.1周边眼装药量计算因采用光面爆破，周边眼每孔装药量根据装药集中度进行计算：光面爆破装药集中度参数表5围岩类别硬岩中硬岩软岩装药集中度（kg/m）0.3～0.350.2～0.30.07～0.12取装药集中度0.1周边眼每孔装药量：q1=0.1×2=0.2kg。周边眼装药总量：Q1=49×0.2=9.8kg。3.6.2.2其他各炮孔装药量：因炮孔所在位置不同，装药量要有所区别。各炮眼装药量可按下式计算：q=Kg×a×W×L×λ式中：q——单孔装药量(kg)；Kg——单位装药量(kg/m3)，可参照表2选用；a——炮眼间距(m)；W——炮眼爆破方向抵抗线(m)；L——炮眼深度(m)；λ——炮眼所在部位系数，其值见表6。根据安远隧道围岩的特性，炮眼部位系数λ取值，各部位炸药量计算如表7所示：考虑到软弱围岩采用减轻地震动的控制爆破方法，所以，爆破作业时，应减少同段炸药量，保证围岩的稳定。4结束语在安远隧道受F9断层破碎带影响的次生断裂岩层光面爆破施工中，采用减轻地震动的控制爆破方法进行软弱围岩光面爆破取得了良好的效果，有效了减少了对周边围岩的扰动，增加了围岩的自稳性，减少了隧道超欠挖，节约了工程成本，炮眼利用率达到95%，炮眼痕迹保存率达到55%，断面轮廓与设计轮廓基本一致。安远隧道软岩光面爆破炮眼布置图炮眼部位系数λ值表6安远隧道软弱围岩爆破炮眼药量分配表表7参考文献[1]齐井岳.隧道爆破现代技术.北京：铁道出版社，1995.[2]杨威.软岩隧道光面爆破技术.城市道桥与防洪，2008年2月第2期.炮眼部位掏槽眼扩槽眼槽下掘进槽侧掘进槽上掘进二台眼内圈眼底板眼λ2～31.5～21～1.21.00.8～11.2～1.50.5～0.81.2～2序号炮眼分类λ值炮眼数(个)雷管段数(段)炮眼深度(cm)炮眼装药量每孔药卷节数(药卷直径)单孔装药量(Kg/孔)合计药量(Kg)上台阶1掏槽眼2112202.65(32)0.530.532422202.65(32)0.532.123442202.65(32)0.532.124掘进眼0.8752003.25(32)0.654.555862003.25(32)0.655.26892003.25(32)0.655.279102003.25(32)0.655.858内圈眼0.614112001.5(32)0.304.2915122001.5(32)0.304.510二台眼1.2472006.5(32)1.35.211382006.5(32)1.33.912底板眼1.25122006.5(32)1.36.5134132006.5(32)1.35.214周边眼24142006.5(32)0.24.81525152006.5(32)0.25.016合计1352718064.87下台阶右侧1掘进眼0.8433007(32)1.45.62453007(32)1.45.63底板眼1.21073003.5(32)0.77.04周边眼593001.5(32)0.31.55合计23690019.7下台阶左侧1掘进眼0.8533007(32)1.47.02553007(32)1.47.03底板眼1.21173003.5(32)0.77.74周边眼593001.5(32)0.31.55合计25750023.2