浅谈高速铁路隧道爆破施工

-1-浅谈高速铁路隧道爆破施工中铁十六局集团二处(太中银铁路工程SJS-1标指挥部)摘要：本文主要介绍了高速铁路隧道爆破施工及各参数的确定方法和钻爆要求及注意事项。关键词：高速铁路隧道爆破施工1、概述钻爆法目前仍是我国隧道施工中开挖的主要方法，与机械开挖相比，适用地质条件广、费用低、设备简单，但对围岩的扰动大、开挖面成形质量差，主要表现在超欠挖量上。1、1超欠挖的定义：以设计的隧道开挖轮廓线为基准，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分称为欠挖。1、2严重的超欠挖会造成资源浪费和增大施工难度，主要表现在以下几方面：⑴弃渣量增加，需多装多运；⑵超挖空间回填，增加混凝土材料的消耗；⑶欠挖清除，造成人工、器材的超额消耗；⑷超欠挖形成的凹凸不平，对喷射混凝土、张挂防水板造成困难。1、3严重的超欠挖会影响施工质量，主要从以下几方面认识：⑴超欠挖造成开挖轮廓（形状和尺寸）与设计相差很大时，围岩应力重分布也会相差很大，使支护受力状态与设计不符；⑵超挖形成的凹角处存在应力集中，岩块易损坏；⑶欠挖形成的凸部，在高地应力的作用下，岩块易挤出；1、4对隧道轮廓控制爆破的初步评价⑴隧道轮廓控制爆破两种技术——光面爆破与预裂爆破的比较。英国人认为在有显著节理裂隙的地层中，岩体经常沿节理面破碎爆落，不完全按预裂方向开裂，应普遍采用光面爆破；我国隧道工程实践也表明，裂隙发育程度及倾角对预裂爆破后形成平滑壁面有很大影响，当裂隙与裂面斜交或几组裂隙相交，则易于造成岩石沿节理面脱落。应根据不同地质条件采取不同的爆破方法及相应的钻爆参数。⑵隧道轮廓控制爆破的经济价值。瑞士经验表明，光面爆破减少20cm超挖，节省各种费用是爆破成本的4倍；前苏联资料显示，光面爆破可使超挖减少到5～10cm，使圬工消耗量降低30～50％，减少装载、运输费用5～7％；日本试验表明，采用光面爆破后，超挖率由23.77％降低到8.46％，混凝土超灌量由77.25％减少到27.5％。国内对光面爆破的经济评价，概括为：超挖量由20％降低到10％，衬砌速度加快30％，开挖进度提高12.6％，炸药消耗量减少19.5％。⑶隧道轮廓控制爆破的技术价值。主要表现在：围岩炮震裂缝减少，保护了围岩自身的承载能力，为锚喷支护提供有利的基础。特别在软弱岩层更显示出这一作用；避免围岩裂隙扩大，提高了坑道的稳定性，减少落石伤人事故；极大减少超挖量，减少出渣量，节约衬砌材料，提高施工进度；隧道成形规整，凹凸减小，-2-有利于围岩稳定，喷层易平顺，有利于防水板铺挂。2、岩石爆破机理与地质影响作用2、1炸药的爆炸作用(1)炸药的爆炸反应极为迅速，瞬间产生大量的高温、高压的爆生气体。1kg炸药爆炸，爆温可达2000～4000℃，爆压可达数十万个大气压，反应时间为十万～百万分之一秒。(2)药包爆炸的瞬间，在周围岩石中激起一个强烈的冲击波，较高的波头压力具有很大的摧毁力，向外传递，随传播距离增加而逐渐衰减，称为冲击作用。属于动力作用，表现为炸药的猛度作功形式，其大小主要取决于炸药的爆炸速度。(3)同时爆生气体的膨胀也对周围岩石施加巨大压力，但传播速度较低，随传播距离增加而脱离冲击波，称为爆生气体的膨胀作用。被视为静力作用，表现为炸药的暴力作功形式，其大小主要取决于炸药的爆热。(4)一般工程爆破，冲击作用与爆生气体的膨胀作用是同时存在的，只是气体膨胀作功的时间比冲击作用长。从岩石致碎原因讲，岩性不同，两种作用占的地位也有所不同。在松软的岩层，爆生气体起主要破坏作用；在坚硬的岩层，冲击作用起主要破坏作用。为充分利用炸药的能量应根据岩性选用不同品种的炸药。2、2爆破破岩过程(1)从破岩的角度考虑，将爆破后由药包中心向外，分成爆破粉碎区和爆破破碎区。(2)靠近药包周围的岩石直接受到巨大爆轰压力的作用，被击的粉碎，形成粉碎区。(3)破损区的形成是两个过程：在爆轰压力作用下，岩石质点向外做径向位移，产生径向压缩应力，在切向引起拉应力，因岩石的抗拉强度远小于抗压强度，岩石被拉裂，在药包周围断产生一系列放射状的径向裂缝，直到拉应力小于岩石抗拉强度处为止，被压缩的岩石内储存了弹性能；当爆生气体的温度和压力迅速下降，导致岩石的弹性能释放，岩石质点向内做径向位移，产生切向压缩应力，在径向引起拉应力，岩石被拉裂，在药包周围断产生环-3-状的裂缝。2、3爆破漏斗当药包处于临空面附近（其最短距离称为最小抵抗线），压缩应力波到达临空面，被反射成拉伸波，当拉伸应力大于岩石抗拉强度，在临空面附近形成一系列张拉裂缝，当最小抵抗线合适时，与药包周围的裂缝贯通，在爆生气体膨胀作功的作用下，将破碎的岩石抛出，形成爆破漏斗。2、4地质条件对隧道爆破作用的影响(1)岩体层理的影响层厚﹥0.5m，节理不发育的完整岩体对爆破作用的影响不大。层厚﹤0.5m，节理裂隙极为发育的岩体，爆破易引起垂直层理方向的掉块或塌方。在易坍塌之处均采用密钻眼、弱装药的爆破技术。(2)破碎岩体的影响断层破碎带的岩体破碎、有时软硬间隔，处理不当会引起严重塌方。除采用隧道减轻振动控制爆破技术外，还应采取台阶法或分部法开挖，并严格控制循环进尺在1～2m内。(3)非均质岩体的影响非均质岩体对爆破作用的影响十分明显。分部开挖时应将石质差的一侧先开挖或掏槽区设在该侧；爆破参数应根据两种岩体的特性分别采用。为防止掉块、坍塌，开挖后及时支护。(4)人字形节理的影响节理发育、成人字形，隧道拱部易出现坍塌，爆破时应控制药量，加密炮眼。3、隧道爆破的掏槽技术影响隧道爆破开挖的质量，关键在掏槽爆破技术和周边成型控制爆破技术。掏槽爆破的目的在于为后续炮眼爆破提供新的、足够的临空面和空间。3、1半断面开挖中深眼掏槽爆破技术半断面的开挖面积约20～50m2，中深炮眼深度为1.5~3.5m。有以下几种掏槽类型。(1)V形掏槽，适用于中硬岩、硬岩的中深眼隧道爆破。只要钻眼精确（达到深度、保证角度），按设计装药，一般均能取得良好的效果。复式楔形掏槽：上下排距用50～90cm，硬岩取小值、中硬岩取中值、软岩取大值。硬岩爆破时最好全部采用高威力炸药；排数通常上下两排即可，十分坚硬岩石可用三排或四排。几个关键技术：开挖断面较宽时，尽量缩小掏槽角，因而要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。-4-掏槽炮眼深度﹥2.5m，其底部加强装药应占1/3炮眼长度，前部装药集中度可减为底部装药集中度的40～50％，留出20％的炮眼程度不装药，并装填不少于40cm长的炮泥。掏槽眼应每级均尽量同时起爆，级间间隔时差以25～50ms为宜，以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。(2)大直径中空直眼掏槽由中空眼逐步扩大形成槽腔。常用的有单螺旋、双螺旋掏槽，对称掏槽。要求钻孔方向精确；减少眼位偏差值；使用毫秒雷管按设计起爆顺序起爆；控制掏槽眼间距，防止殉爆；控制掏槽眼的炸药用量，防止拒爆。3、2全断面深眼掏槽爆破技术在掌子面中下部钻大直径中空炮眼，周围配合一些逐渐最大间距的小炮眼进行掏槽。一般有菱形、螺旋、对称等掏槽。设计时要考虑以下几个问题：(1)影响直眼掏槽的最重要的因素是岩石特性。主要有三个方面：在塑性岩石中直眼掏槽比脆性岩石直眼掏槽困难的多；岩石结构是中空直眼掏槽必须考虑的因素；岩体的结构面或不均质性是设计时的特殊问题。(2)空眼的直径与数量构成的容积至少满足破碎岩石的膨胀余量要求，否则爆碎抛不出，导致掏槽失败。目前国内采用空眼直径75～100mm，空眼个数2～4个。(3)在装药眼条件及装药密度一定时，根据装药眼与空眼间距，其间岩石可发生四种情况：①塑性变形。眼间岩石被剪切到空眼，大部分岩石密实、变质固结在空眼中，不增加槽口。②破碎。岩石被破碎，大部分残留或挂在槽腔内。对脆性岩石大多可达到掏槽；但塑性岩石的碎屑在槽腔内重新固结，掏槽失败。③完全抛出。理想的间距必须处于完全抛出带，不仅岩石破碎，且抛出槽腔之外。④两眼贯穿。槽口并无增大。实践证明，空眼直径102mm，装药眼直径40mm，空眼到装药眼岩壁间距18～20mm，掏槽-5-爆破效果非常好。(4)炸药的性质和装药量对掏槽影响很大，其中爆速最具决定性。中硬岩选用爆速3000m/s，硝铵类炸药；坚硬岩选用爆速4000m/s，乳胶、乳化类炸药。装药量往往采用把炮眼基本填满，浅眼留出10～20cm的炮眼，深眼留出20～40cm的炮眼装填炮泥。(5)起爆顺序和段间隔时差。距空眼最近的炮眼最先起爆、后续炮按此确定。段间隔时间50～100ms，效果较好，开始几段一定要跳段使用，以免串段。(6)除第一段顺向起爆外，其余眼均反向起爆，以便破碎岩石、抛出槽外。4、光面爆破效果的提高途经4、1影响光面爆破效果的主要因素根据对276各开挖循环的统计、研究和调查的结果分析，将影响超欠挖的因素和影响程度列于下表出。这种分析与当前的施工实际是符合的。钻孔精度爆破技术施工管理测量放样地质变化其他发生次数1225649211711发生频率0.4420.2030.1760.0760.0610.040累计频率0.4420.6450.8220.8990.9601.000上述六个影响因素中，钻孔精度、爆破技术、施工管理对超欠挖的影响占82％，因此这三项影响因素应作为对超欠挖的控制重点。4、2降低超欠挖的方法与途径⑴改变“宁超勿欠”的观念，树立“少欠少超”的观点。日本隧道施工中，在断面上取100个点，有不超过16个点的欠挖就可以，避免开挖轮廓线无谓扩大，使超挖得以减少。我国铁路隧道施工规范规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于10cm；对喷锚衬砌应不大于5cm。⑵提高钻孔技术。周边炮孔的外插角、开口位置和钻孔深度,与超挖高度有关。①开口位置取正值（在设计线以外），超挖高度随增加而增大；开口位置取负值（在设计线以内），超挖高度随减小而减少。如容许一定欠挖，对减少超挖是有效的。再者，要解决开眼位置误差，采用掌子面标出炮眼位置，或设炮眼排距标尺，或实行领杆工制度。②钻孔深度是一个设计指标，在其他条件一定时，采用较浅孔爆破对减少超挖是有利的。一般情况下采用3.5m左右的孔深即可。但施工中应注意检查每循环的各炮孔底在同一-6-平面上，使下一循环开眼有一整齐的掌子面。③炮孔的外插角的最小值受钻孔机具的外缘高度控制，凿岩台车为5～7cm，故最小平均超挖约为7cm。如取钻孔深度为3m，则外插角为1.34°,一般人工操作水平难以达到。需培训熟练的司钻工，或先钻一个标准眼插入炮棍，其他眼平行钻进；最好采用有控制钻眼角度装置的凿岩台车钻眼。(3)提高爆破技术。这里的爆破技术包括光面爆破方式以及各种爆破参数。不同爆破方式及减少超挖效果的比较，见下表。爆破方式超挖值(cm)欠挖值(cm)炮孔残留率(%)全断面或台阶法10.8~14.53~1360~80预留光面法12.882~775导洞先行扩大法7.2~10.50.3~0.681~86②影响光面爆破效果的主要技术参数：炮眼间距、最小抵抗线、周边孔密集系数、周边眼装药集中度、不耦合系数。光面爆破参数岩石类别周边眼间距E（cm）周边眼抵抗线W(cm)相对距离E/W装药集中度q(kg/m)极硬岩50～6055～750.8～0.850.25～0.30硬岩40～5050～600.8～0.850.15～0.25软质岩35～4545～600.75～0.80.07～0.12预裂爆破参数岩石类别周边眼间距E（cm）至内排崩落眼间距（cm）装药集中度q(kg/m)极硬岩40～50400.30～0.40硬岩40～45400.20～0.25软质岩35～40350.07～0.12上述两表所列参数适用于炮眼深度1.0～4.0m，炮眼直径40～50mm，药卷直径20～25mm。当断面较小或围岩软弱、破碎或对曲线、折线开挖成形要求较高时，周边眼间距E应取较小值。周边眼抵抗线W值在一般情况下均应大于周边眼间距E值。软岩在取较小E值时，W值应适当增大。E/W软岩取小值，硬岩及断面小时取大值。装药集中度q为2号岩石硝铵炸药，选用其他类型炸药时，应修正