隧道施工光面爆破參數(shù)的確定

隧道施工光面爆破參數(shù)的確定作者：趙亮來(lái)源：《中國(guó)科技縱橫》2015年第19期【摘要】近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的加快，鐵路、公路、地鐵隧道'數(shù)量多、長(zhǎng)度大、大埋深、大斷面”是21世紀(jì)我國(guó)以及世界隧道工程發(fā)展的總趨勢(shì)［1］。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經(jīng)成為我國(guó)推廣應(yīng)用新奧法中公認(rèn)的三大技術(shù)措施之一。本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)踐，歸納出光面爆破參數(shù)的計(jì)算公式和一些經(jīng)驗(yàn)參考值；目的在于提高確定光面爆破參數(shù)工作的精度和效率?！娟P(guān)鍵詞】隧道施工光面爆破參數(shù)的確定1引言近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的加快，鐵路、公路、地鐵隧道'數(shù)量多、長(zhǎng)度大、大埋深、大斷面”是21世紀(jì)我國(guó)以及世界隧道工程發(fā)展的總趨勢(shì)［1］。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經(jīng)成為我國(guó)推廣應(yīng)用新奧法中公認(rèn)的三大技術(shù)措施之一。如果光爆參數(shù)確定不當(dāng)，爆破中將出現(xiàn)超欠挖情況，所以，精確、合理地確定光爆參數(shù)是控制隧道施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全的關(guān)鍵。2光面爆破參數(shù)的選擇首先，光爆參數(shù)的取值均應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)定的施工及驗(yàn)收規(guī)范為指導(dǎo)。例如：公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中所列的參數(shù)表，規(guī)范中只規(guī)定了參數(shù)的取值范圍，具體數(shù)值可按以下國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法和步驟確定。2.1炮眼直徑因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)小藥卷直徑為32mm；在光面爆破中，進(jìn)行不耦合裝藥，最小藥卷直徑為20mm。所以，隧道開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)常用的炮眼直徑為32?50mm。2.2周邊眼間距E由光面爆破參數(shù)表確定。周邊眼間距等參數(shù)的確定應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)定的施工及驗(yàn)收規(guī)范為指導(dǎo)。例如：公路隧道施工技術(shù)規(guī)范。根據(jù)爆生氣體膨脹作用理論確定。光面爆破的周邊眼間距一般比普通爆破小，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，建議：E=(12?20)db(其中db為炮孔直徑)，日本《新奧法設(shè)計(jì)施工細(xì)則》推薦E=15db。一般認(rèn)為炮孔間的裂縫是應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果，但沖擊波作用的能量只占炸藥爆炸總能量5%?10%，而爆生氣體生成物的作用能量超50%。所以，巖石沿炮孔連線形成貫穿裂縫主要由爆生氣體準(zhǔn)靜壓力控制。根據(jù)此理論推導(dǎo)出公式：E=k1f1/3rb式中f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；k1為調(diào)整系數(shù)，k1=10?16；巖石堅(jiān)硬取大值，巖石較軟取小值。2.3最小抵抗線W最小抵抗線即光面層厚度，W過(guò)大，光面層巖石將得不到適當(dāng)?shù)钠扑?，甚至不能使其沿炮眼底部切割下?lái)；W過(guò)小，在反射波作用下，圍巖內(nèi)產(chǎn)生較多較長(zhǎng)的裂隙，影響圍巖穩(wěn)定，造成超挖和巷道壁面不平整。經(jīng)驗(yàn)表明：最小抵抗線與隧道斷面大小有關(guān)，大斷面隧道拱頂跨度大，周邊眼所受到的夾制作用小，巖體比較容易崩落，光爆層厚度可適當(dāng)放大一些；小斷面周邊眼受到的夾制作用大，其厚度宜小一些。最小抵抗線與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造也有關(guān)，堅(jiān)硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石可大些；頂部應(yīng)比邊墻大些。根據(jù)炸藥單耗確定。根據(jù)下式計(jì)算W：式中：rc為藥卷半徑；k為裝藥系數(shù)；d0為裝藥密度；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；根據(jù)豪柔公式確定。光面層巖石崩落類似于露天臺(tái)階爆破，故可用豪柔公式確定最小抵抗線：式中：QG為光面炮眼的裝藥量；E為炮眼間距；lb炮眼長(zhǎng)度；Cq為爆破系數(shù)，相當(dāng)于單位炸藥消耗量，對(duì)于f=4?10的巖層，Cq值變化范圍為0.2?0.5kg/m3。2.4炮眼密集系數(shù)m炮眼密集系數(shù)也稱炮眼鄰近系數(shù)，它表達(dá)了周邊眼(光爆眼)間距E與光面層厚度(最小抵抗線)W之間的比值，即：m=E/W，這是光面爆破參數(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵值。確定炮眼密集系數(shù)的一般原則：軟巖和層理節(jié)理發(fā)育的巖層上，眼距應(yīng)小而抵抗線應(yīng)大，在堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層上，眼距應(yīng)大些，抵抗線應(yīng)小些。隧道跨度較小時(shí)，眼距適當(dāng)減小，反之適當(dāng)加大。炮眼密集系數(shù)過(guò)大，爆破后可能在光爆眼間留下巖埂，造成欠挖，達(dá)不到光面爆破效果，反之則可能出現(xiàn)超挖。實(shí)踐表明m=0.8?1.0時(shí)較好?？墒狗瓷淅觳◤淖钚〉挚咕€方向折回之前造成貫穿裂縫，隔斷反射拉伸波向圍巖傳播的可能，減少圍巖破壞。2.5炮眼深度L（1）按月進(jìn)度計(jì)劃估算炮眼深度。公式如下：式中L一炮眼平均深度，m。Lj一月進(jìn)度計(jì)劃指標(biāo)，m。N一每月實(shí)際用于掘進(jìn)的作業(yè)天數(shù)。n—每月可能完成的掘進(jìn)循環(huán)數(shù)。W一正循環(huán)率，一般取0.85?0.9。^一炮眼利用率，一般取0.85?0.85。（2）按開(kāi)挖斷面跨度確定。對(duì)于斜孔掏槽，由于巖石的夾制作用，一般最大炮孔深度取斷面寬度（或高度）B的0.5?0.7倍。L=（0.5?0.7）B2.6裝藥量Q12.7裝藥系數(shù)k和不藕合系數(shù)B裝藥系數(shù)k是裝藥總長(zhǎng)度與炮孔長(zhǎng)度的比。即：k=l0/lb。不耦合系數(shù)B是炮眼直徑與藥包直徑的比值。即：B=db/dc不耦合系數(shù)的選擇，既要能克服較大的巖石抵抗，眼壁周圍巖石少受或不受破壞，還要能保證炸藥的穩(wěn)定傳爆，在井巷施工時(shí)，主要采用軸向不偶合裝藥，即空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。軸向不偶合裝藥采用3種不同的裝藥結(jié)構(gòu)：（a）偏心不藕合、（b）中心不藕合、（c）護(hù)壁不藕合。如圖2。圖2光面爆破不同裝藥結(jié)構(gòu)通過(guò)聲波對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)：對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在同等條件下的聲波測(cè)試，測(cè)試爆前爆后聲速的變化，作為評(píng)判巖石損傷程度的依據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明：偏心不藕合裝藥光面爆破除了宏觀上每個(gè)炮孔爆破后均有不同長(zhǎng)度的裂紋外，聲速降低率為11.68%，比護(hù)壁光面爆破聲速降低10倍左右，比普通光面爆破降低3?4倍，沒(méi)有起到光面爆破的實(shí)質(zhì)作用［2］，光面爆破中不宜采用，而宜采用后兩種。通過(guò)理論和試驗(yàn)研究表明：就裝藥結(jié)構(gòu)而言，軸向間隔徑向不藕合裝藥，適用于周邊孔。護(hù)壁光面爆破對(duì)邊坡保留巖體的損傷最小，光爆效果最好，值得推廣。理論公式計(jì)算B馬秉智等人得出計(jì)算公式：1/6式中，n為氣體與孔壁碰撞時(shí)的壓力增大系數(shù)，一般取n=8?11；p0為炸藥密度，g/cm3；DH為炸藥爆速，m/s；kb為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，巖石抗壓增大系數(shù)一般取kb=10；SC為對(duì)應(yīng)f抗壓強(qiáng)度，m/s。研究表明，不耦合系數(shù)的大小與炮壁上的最大切向應(yīng)力之間呈指數(shù)關(guān)系，因此，當(dāng)炮眼直徑為32?45mm時(shí)，不耦合系數(shù)B=1.5?2.0。B值應(yīng)在工程實(shí)踐中應(yīng)不斷調(diào)整，可采用LS-DYNA數(shù)值模擬驗(yàn)證。2.8光面爆破炮眼數(shù)目的計(jì)算（1）分別計(jì)算周邊眼、掏槽眼、輔助眼、底眼數(shù)目，然后相加。由于光面爆破的周邊眼距小，周邊眼裝藥量少，因此，根據(jù)這一特點(diǎn)先求出周邊眼數(shù)目，然后按平均裝藥量原則計(jì)算出其它炮眼數(shù)目。1）周邊眼數(shù)目N1：（1）式（1）中B為隧道掘進(jìn)寬度，m；E為周邊眼平均間距，m；B：為隧道掘進(jìn)周長(zhǎng)，m；BL可按式（6）近似計(jì)算。（2）式（2）中S為隧道掘進(jìn)斷面面積；c為斷面形狀系數(shù)，對(duì)于拱形隧道。C=3.86。2）掏槽眼、輔助眼和底眼數(shù)目N2：N2值按一次爆破所需要的總裝藥量減去周邊眼裝藥量，使剩余的藥量平均分配在N2內(nèi)來(lái)計(jì)算。（3）式（3）中Q為按定額確定的一茬炮所需的總裝藥量，kg；Q=qSLjqL為周邊眼每米裝藥量，kg/m；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；g為炮眼利用率；Q0為除周邊眼外，每個(gè)炮眼內(nèi)的平均裝藥量，kg。（2）根據(jù)隧道掘進(jìn)斷面計(jì)算。式中N：鉆孔數(shù)目，個(gè)；f：巖石堅(jiān)固性系數(shù)；S：掘進(jìn)斷面積，m2。（3）根據(jù)炸藥單耗量計(jì)算。N=q.s/rk式中：q為單位炸藥消耗量；s為開(kāi)挖面積；k為炮眼裝藥系數(shù)；r為每米長(zhǎng)度炸藥的重量。3結(jié)語(yǔ)（1）光爆參數(shù)確定后，爆破效果可能不理想，應(yīng)針對(duì)圍巖變化情況對(duì)光爆參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通常經(jīng)過(guò)二三個(gè)鉆爆循環(huán)作業(yè)參數(shù)的調(diào)整，才能達(dá)到最佳效果。（2）目前光面爆破機(jī)制落后于工程實(shí)踐、爆破參數(shù)受人為因素影響且主要依賴經(jīng)驗(yàn)公式法和工程類比經(jīng)驗(yàn)確定、光面爆破控制管理理論指標(biāo)體系單一等是參數(shù)不當(dāng)?shù)闹饕?。?）今后提高確定光爆參數(shù)工作的精度和效率的主要途徑：模型試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從理論上探討圍巖與光面爆破參數(shù)等因素對(duì)光面爆破效果的影響規(guī)律，理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析各影響因素對(duì)爆破效果的影響，基于試驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，深入探索光面爆破機(jī)制，提出光面爆破參數(shù)優(yōu)化方法。[3]參考文獻(xiàn)：王夢(mèng)恕.準(zhǔn)設(shè)計(jì)，21世紀(jì)山嶺隧道修建的趨勢(shì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004，（9）：38-40.張志呈，蒲傳金，史瑾瑾.不同裝藥結(jié)構(gòu)光面爆破對(duì)巖石的損傷研究[J].爆破，2006,1（23）：37-38.王建秀，鄒寶平，胡力繩.隧道及地下工程光面爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（4）：804.作者簡(jiǎn)介：趙亮（1971—），男，漢族，山東牟平縣人，本科，工程師，國(guó)家一級(jí)建造師，項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人，從事隧道、土石方開(kāi)挖爆破、工民建施工技術(shù)和管理方面的研究。1引言近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的加快，鐵路、公路、地鐵隧道“數(shù)量多、長(zhǎng)度大、大埋深、大斷面”是21世紀(jì)我國(guó)以及世界隧道工程發(fā)展的總趨勢(shì)⑴。目前,隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經(jīng)成為我國(guó)推廣應(yīng)用新奧法中公認(rèn)的三大技術(shù)措施之一。如果光爆參數(shù)確定不當(dāng)，爆破中將出現(xiàn)超欠挖情況，所以，精確、合理地確定光爆參數(shù)是控制隧道施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全的關(guān)鍵。2光面爆破參數(shù)的選擇首先,光爆參數(shù)的取值均應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)定的施工及驗(yàn)收規(guī)范為指導(dǎo)。例如:公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中所列的參數(shù)表，規(guī)范中只規(guī)定了參數(shù)的取值范圍,具體數(shù)值可按以下國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法和步驟確定。2.1炮眼直徑么因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)小藥卷直徑為32mm,在光面爆破中，進(jìn)行不耦合裝藥，最小藥卷直徑為20mm。所以，隧道開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)常用的炮眼直徑為32~50mm。2.2周邊眼間距E⑴由光面爆破參數(shù)表確定。周邊眼間距等參數(shù)的確定應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)定的施工及驗(yàn)收規(guī)范為指導(dǎo)。例如:公路隧道施工技術(shù)規(guī)范。根據(jù)爆生氣體膨脹作用理論確定。光面爆破的周邊眼間距一般比普通爆破小,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，建議:E=(12~20)db(其中q為炮孔直徑)，日本《新奧法設(shè)計(jì)施工細(xì)則》推薦E=15db。一般認(rèn)為炮孔間的裂縫是應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的結(jié)果,但沖擊波作用的能量只占炸藥爆炸總能量5%?10%,而爆生氣體生成物的作用能量超50%。所以，巖石沿炮孔連線形成貫穿裂縫主要由爆生氣體準(zhǔn)靜壓力控制。根據(jù)此理論推導(dǎo)出公式:E=kf/3rb，式中f為巖石堅(jiān)固性系數(shù);加為調(diào)整系數(shù)，虬=10?16；巖石堅(jiān)硬取大值，巖石較軟取小值。2.3最小抵抗線W最小抵抗線即光面層厚度,W過(guò)大,光面層巖石將得不到適當(dāng)?shù)钠扑?，甚至不能使其沿炮眼底部切割下?lái),w過(guò)小,在反射波作用下，圍巖內(nèi)產(chǎn)生較多較長(zhǎng)的裂隙,影響圍巖穩(wěn)定，造成超挖和巷道壁面不平整。經(jīng)驗(yàn)表明:最小抵抗線與隧道斷面大小有關(guān)，大斷面隧道拱頂跨度大，周邊眼所受到的夾制作用小，巖體比較容易崩落，光爆層厚度可適當(dāng)放大一些I小斷面周邊眼受到的夾制作用大，其厚度宜小一些。最小抵抗線與巖石的性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造也有關(guān),堅(jiān)硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石可大些;頂部應(yīng)比邊墻大些。根據(jù)炸藥單耗確定。根據(jù)下式計(jì)算W：prkd0W=rc一有式中：r‘為藥卷半徑，k為裝藥系數(shù);d°為裝藥密度;q為單位炸藥消耗量,kg/in3,(2)根據(jù)豪柔公式確定。光面層巖石崩落類似于露天臺(tái)階爆破，故可用豪柔公式確定最小抵抗線："=話分式中:Qg為光面炮眼的裝藥量;E為炮眼間距;'炮眼長(zhǎng)度；q為爆破系數(shù)，相當(dāng)于單位炸藥消耗量，對(duì)于f=4~10的巖層，Cq值變化范圍為0.2?0.5kg/m3。2.4炮眼密秦系數(shù)m炮眼密集系數(shù)也稱炮眼鄰近系數(shù)，它表達(dá)了周邊眼(光爆眼)間距E與光面層厚度(最小抵抗線)W之間的比值，即：m=E/W,這是光面爆破參數(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵值。確定炮眼密集系數(shù)的一般原則：軟巖和層理節(jié)理發(fā)育的巖層上，眼距應(yīng)小而抵抗線應(yīng)大,在堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層上，眼距應(yīng)大些，抵抗線應(yīng)小些。隧道跨度較小時(shí),眼距適當(dāng)減小，反之適當(dāng)加大。炮眼密集系數(shù)過(guò)大，爆破后可能在光爆眼間留下巖埋，造成欠挖，達(dá)不到光面爆破效果,反之則可能出現(xiàn)超挖。實(shí)踐表明m=0.8?1.0時(shí)較好?？墒狗瓷淅觳◤淖钚〉挚咕€方向折回之前造成貫穿裂縫,隔斷反射拉伸波向圍巖傳播的可能，減少圍巖破壞。2.5炮眼深度L⑴按月進(jìn)度計(jì)劃估算炮眼深度。公式如下：炮孔工業(yè)用塑'料管(a)(b)(C)圖1光面爆破不同裝藥結(jié)構(gòu)Nng式中L一炮眼平均深度,m。%一月進(jìn)度計(jì)劃指標(biāo),m。N一每月實(shí)際用于掘進(jìn)的作業(yè)天數(shù)。n一每月可能完成的掘進(jìn)循環(huán)數(shù)。X]—IE循環(huán)率，一般取0.85~0.9。n一炮眼利用率,一般取0.85~0.85。(2)按開(kāi)挖斷面跨度確定。對(duì)于斜孔掏槽,由于巖石的夾制作用,一般最大炮孔深度取斷面寬度(或高度)B的0.5-0.7倍。L=(0.5~0.7)Bo2.6裝藥量Q1TOC\o"1-5"\h\zQ^k-l^r(1)式⑴中:k炮眼裝藥系數(shù)，取k=0.8虬一炮眼長(zhǎng)度,L=2.0mr一每米長(zhǎng)度炸藥量,r=0.78kg/m光面炮眼的裝藥量可按下式確定:QG=q-a-W-L⑵式⑵中q為單位炸藥消耗fi,kg/m3,L為光面炮眼的平均深度，m,其它符號(hào)同前。裝藥集中度:qpQ'/L-q-a-W,(3)2.7裝藥系數(shù)k和不藕合系數(shù)B裝藥系數(shù)k是裝藥總長(zhǎng)度與炮孔長(zhǎng)度的比0BP：k=l/lb0不耦合系數(shù)B是炮眼直徑與藥包直徑的比值。即：B=d/dc不耦合系數(shù)的選擇,既要能克服較大的巖石抵抗，眼壁周圍巖石少受或不受破壞，還要能保證炸藥的穩(wěn)定傳爆,在井巷施工時(shí)，主要采用軸向不偶合裝藥，即空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)。軸向不偶合裝藥采用3種不同的裝藥結(jié)構(gòu)：(a)偏心不藕合、(b)中心不藕合、(c)護(hù)壁不藕合。如圖1。通過(guò)聲波對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn):對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在同等條件下的聲波測(cè)試，測(cè)試爆前爆后聲速的變化，作為評(píng)判巖石損傷程度的依據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明:偏心不藕合裝藥光面爆破除了宏觀上每個(gè)炮孔爆破后均有不同長(zhǎng)度的裂紋外，聲速降低率為11.68%,比護(hù)壁光面爆破聲速降低10倍左右，比普通光面爆破降低3?4倍，沒(méi)有起到光面爆破的實(shí)質(zhì)作用叫光面爆破中不宜采用，而宜采用后兩種。通過(guò)理論和試驗(yàn)研究表明:就裝藥結(jié)構(gòu)而言，軸向間隔徑向不藕合裝藥，適用于周邊孔。護(hù)壁光面爆破對(duì)邊坡保留巖體的損傷最小，光爆效果最好，值得推廣。理論公式計(jì)算B馬秉智等人得出計(jì)算公式：B=(姿*)說(shuō)式中,n為氣體與孔壁碰撞時(shí)的壓力增大系數(shù)，一般取n=8~ll；p°為炸藥密度,g/cnP；Dh為炸藥爆速,m/s；效為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，巖石抗壓增大系數(shù)一般取kb=10,Sc為對(duì)應(yīng)f抗壓強(qiáng)度,m/s。研究表明，不耦合系數(shù)的大小與炮壁上的最大切向應(yīng)力之間呈指數(shù)關(guān)系，因此，當(dāng)炮眼直徑為32~45mm時(shí),不耦合系數(shù)B=1.5~2.0。B值應(yīng)在工程實(shí)踐中應(yīng)不斷調(diào)整,可采用LS-DYNA數(shù)值模擬驗(yàn)證。2.8光面爆破炮眼數(shù)目的計(jì)算分別計(jì)算周邊眼、掏槽眼、輔助眼、底眼數(shù)目，然后相加。由于光面爆破的周邊眼距小，周邊眼裝藥量少，因此，根據(jù)這一特點(diǎn)先求出周邊眼數(shù)目,然后按平均裝藥量原則計(jì)算出其它炮眼數(shù)目。1)周邊眼數(shù)目N|：TOC\o"1-5"\h\zN]=+1⑴式⑴中B為隧道掘進(jìn)寬度,m；E為周邊眼平均間距,m；B：為隧道掘進(jìn)周長(zhǎng),m】Bl可按式(6)近似計(jì)算。Bl=eVS(2)式(2)中S為隧道掘進(jìn)斷面面積，c為斷面形狀系數(shù)，對(duì)于拱形隧道°C=3.86。2)掏槽眼、輔助眼和底眼數(shù)目N2：N?值按一次爆