搜索
2.1隧道光面爆破机理2.1.1隧道光面爆破作用原理光面爆破是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术，通过采取一系列措施对开挖工程的周边部位实行正确钻孔和爆破，先是爆除主体开挖部位的岩体，然后起爆布置在设计轮廓线上的周孔边药包，将光爆层炸除，从而形成一个平整的开挖面，是通过正确的选择爆破参数和合理施工方法，以达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计的要求并且减少对保留岩体破坏的一种有效的爆破方法。它与传统的爆破法相比，最显著的优点是能够有效的控制周边眼炸药的爆破作用，来达到减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，确保施工安全的目的，同时，又能减少超挖、欠挖，提高工程质量和进度。隧道光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题，目前仍在探索之中。尽管在理论上还不甚成熟，但在定性分析方面已有共识。一般认为，炸药起爆时，对岩体产生两种效应；二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后，爆炸产物的膨胀作用使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。炸药爆炸后产生的爆炸应力波由炮孔向四周传播，在孔壁及炮孔连线方向出现裂缝，随后在爆炸气体的作用下，使原裂缝延伸扩大，最后形成平整的开裂面。也就是说，该机理分为两个过程，即应力波的作用过程和高压气体的作用过程，它们有先后，但又是连续的不可分割的。第一个过程是应力波的作用,当它从孔壁向四周传开后，产生的切向拉应力超过岩石的抗拉强度而使岩石破裂，最初的裂缝出现在炮孔壁向外的短距离内，如果应力波在两孔之间能够发生叠加，那么，在此区段内，合成的拉应力也能使岩石产生裂缝;第二个过程是爆炸高压气体紧接着应力波作用到孔壁上，它作用时间比应力波要长得多，孔周围便形成准静态应力场，相邻炮孔相互作用，并互位于应力场中，在孔中连线方向产生很大的应力，孔壁两侧产生拉应力集中，最终拉断岩石。图2-1光面爆破周边炮孔作用机理用图2-1为例来说明隧道光面爆破周边孔的爆破原理。A、B为设计轮廓线上两个相邻的炮孔，同时起爆，每个炮孔分别产生的爆炸应力波以圆柱状向四周扩散，当应力波相遇时会产生应力波的叠加，同时产生切向的拉伸应力，最大拉应力在两炮孔中心连线的中点处，先在此处产生裂纹并向孔壁扩展。当相邻两个炮孔之间的孔距、最小抵抗线、装药量合适时，两炮孔连线中点处的岩石所受到的拉应力刚好克服岩石的抗拉强度，裂纹沿着两炮孔中心的连线扩展，可以满足隧道设计轮廓线并且岩体能够光滑而平整的断裂。两炮孔连线下方的岩石受到斜向下压力的作用，此处的岩石受到多向应力的作用，不会被破坏。两个炮孔连线上方的岩石受到斜向上的应力的作用，这个作用力可以分解为水平方向的压力和向自由面方向的压力，向自由面方向的应力与从自由面反射回来的应力共同作用，使岩体沿着自由面破裂并将裂解下来的岩石抛离原岩体。2.1.2隧道光面爆破的流程隧道光面爆破的流程是：测量放线→钻孔→钻孔质量的检查→装药与堵塞→连接起爆网络→通风和检查起爆效果。测量放线是确定开挖的轮廓线，布置炮孔。在这个过程中要注意，隧道开挖后围岩因为失去部分约束而产生向隧道方向的收缩变形，所以开挖轮廓线应该在设计轮廓线的基础上预留一定的变形量。钻孔是按照测量放线确定的钻孔的位置进行钻孔，经常使用的钻孔机械是气腿式风动凿岩机，孔径一般为40㎜。钻孔质量检查的内容一方面是钻孔的平直度，另一方面是是否有孔壁塌落的现象，如果出现孔壁塌落就要清孔，如果孔壁没有塌落就可以装药了。装药与堵塞，掏槽孔、辅助孔、底板孔采用连续装药结构，周边孔采用间隔装药结构。因为炸药爆破岩体是利用炸药爆炸后产生的爆轰气体将岩石炸开，如果不堵塞炮孔那么炸药爆炸产生的爆轰气体将沿着炮孔逸散出去、影响爆破效果、降低炸药利用率、增加修建隧道的经济成本。连接起爆网络时要注意设置警戒，防止工作人员进入爆破场地发生安全事故。通风，炸药爆炸后会产生大量的浓烟和粉尘，只有通风后工作人员才能够进入工作场地进行后续的清渣作业等。检查爆破效果的主要内容是检查是否有超挖、欠挖的现象以及产生超挖、欠挖现象的原因，为后续爆破参数的调整提供依据。2.1.3光面爆破技术特点要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点：1）根据围岩特点，合理选定周边眼的间距和最小抵抗线，尽最大努力提高钻的质量。2）严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布。3）周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。为满足装药结构要求，可借助导爆索（传爆线）来实现空气间隔装药。4）采用毫秒微差有序起爆。要安排好开挖程序，使光面爆破具有良好的临空面。5）边孔直径小于等于50mm。2.1.4光面爆破质量控制标准1）开挖壁面岩石的完整性用岩壁上炮孔痕迹率来衡量，炮孔痕迹率也称半孔率，为开挖壁面上的炮孔痕迹总长与炮孔总长的百分比率。在水电部门，对节理裂隙极发育的岩体，一般应使炮孔痕迹率达到10%～50%；节理裂隙中等发育者应达50%～80%；节理裂隙不发育者应达80%以上。围岩壁面不应有明显的爆生裂隙。2）围岩壁面不平整度（又称起伏差）的允许值为±15cm。3）在临空面上，预裂缝宽度一般不宜小于1cm。实践表明，对软岩（如葛洲坝工程的粉砂岩），预裂缝宽度可达2cm以上，而且只有达到2cm以上时，才能起到有效的隔震作用；但对坚硬岩石，预裂缝宽度难以达到1cm。东江工程的花岗岩预裂缝宽仅6mm，仍可起到有效隔震作用。地下工程预裂缝宽度比露天工程小得多，一般仅达0.3～0.5cm。因此，预裂缝的宽度标准与岩性及工程部位有关，应通过现场试验最终确定。影响轮廓爆破质量的因素，除爆破参数外，主要依赖于地质条件和钻孔精度。这是因为爆生裂缝极易沿岩体原生裂隙、节理发展，而钻孔精度则是保证周边控爆质量的先决条件。2.1.5各种传统光爆孔装药结构根据查阅各类规范资料得知，周边光面爆破孔的装药结构主要有间隔不耦合装药结构和连续不耦合装药结构两种。其中连续不耦合这种装药结构的药卷主要采用的是威力低的小药卷，由于该装药结构需针对各类不同围岩定制不同的药卷，因此在铁路爆破中该装药结构不常使用。而间隔不耦合装药结构一般有两种情况，一种情况是在光爆孔内部采用导爆索进行连接，通过导爆索来起爆孔内其它的炸药，这种情况称为混合起爆装药结构(见图2-2)；另一种情况是在孔内不用导爆索连接，而是改为在各药卷中设置了同段别毫秒延期雷管进行起爆，这种情况被称为毫秒延期雷管起爆装药结构(见图2-3)。图2-2混合起爆装药结构图2-3毫秒延期雷管起爆装药结构还有一种是在孔内外连接都采用导爆索，同时也将导爆索作为起爆体来起爆炸药，这种称为导爆索起爆装药结构(见图2-4)图2-4导爆索起爆装药结构2.1.6不同装药结构对周边孔光爆质量的影响影响周边孔光爆质量的因素有最小抵抗线、周边孔间距、装药结构、成孔质量和线装药密度。其中周边线装药密度、孔间距、最小抵抗线主要和围岩类别的性质相关，根据经验进行选取;而成孔质量主要是由施工操作来决定的;除了以上因素，在操作水平相同以及围岩状况一样的情况之下，不同的装药结构会引起爆破质量效果的不同。根据查阅资料与图片得到如下:混合起爆装药结构:在Ⅱ级围岩中光面爆破效果比较好;而在Ⅲ级围岩中周边光爆效果就一般，现场进行统计半孔残留率达到76%左右，在节理、裂隙发育等地带极易发生大规模的超欠挖现象;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中光面爆破效果比较差，在节理、裂隙发育等地带超挖现象尤其明显。见图2-5。图2-5混合起爆装药结构爆破效果图毫秒延期雷管起爆装药结构:在Ⅱ级、Ⅲ级围岩中光面爆破效果也不太好，现场统计的半孔残留率达到了60%左右，在节理、裂隙发育等地带超欠挖现象尤其明显;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中周边光爆效果尤其差，超欠挖现象十分严重，几乎无法形成轮廓面，爆破对于节理、裂隙发育等地带的影响深度深达50～70cm。见图2-6。图2-6毫秒延期雷管起爆装药结构爆破效果图导爆索起爆装药结构:在Ⅱ级、Ⅲ级围岩中扥光面爆破效果很好，半孔残留率基本达到95%以上，特别是在节理、裂隙发育等地带基本上不会发生超欠挖等现象，能够顺利地形成较好轮廓面;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中也能够形成比较好的轮廓面，光面爆破对于节理、裂隙发育等地带的影响深度一般在20～30cm。见图2-7。图2-7软弱围岩中导爆索起爆装药结构爆破效果图