泥巖隧道光面爆破的技術(shù)參數(shù)研究及應(yīng)用

安 靜

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030619）

摘要：針對(duì)泥巖隧道的特殊性,，通過(guò)優(yōu)化光面爆破的爆破參數(shù),，討論泥巖隧道掘進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性、安全性,。采用預(yù)埋振速傳感器監(jiān)測(cè)的方式,，分析光面爆破對(duì)隧道周圍巖體的擾動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)光爆技術(shù)應(yīng)用效果顯著,，隧道開(kāi)挖輪廓線內(nèi)基本未出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象,，半孔率達(dá)86%以上，爆破進(jìn)尺提升約15%,，孔痕長(zhǎng)度基本均勻分布一般都在孔長(zhǎng)的66%以上,；薩道夫斯基公式的系數(shù)K衰減明顯、α基本穩(wěn)定,，光爆的振動(dòng)速度和圍巖擾動(dòng)都得到了有效控制,。

關(guān)鍵詞：泥巖隧道；光面爆破,；爆破參數(shù),；圍巖擾動(dòng)

隨著高等級(jí)公路與高速鐵路的建設(shè)，穿越砂質(zhì)泥巖地段的隧道逐漸增多,，砂質(zhì)泥巖屬于極軟巖類,、地質(zhì)條件復(fù)雜、分布廣泛,，是我國(guó)比較常見(jiàn)的一種軟弱巖體,。目前，光面爆破技術(shù)是山嶺隧道建設(shè)過(guò)程中采用較多的掘進(jìn)方式，光爆技術(shù)理論也得到了廣泛而深入的研究,，顧義磊等［1］對(duì)超欠挖量,、炮痕率及圍巖損傷程度對(duì)隧道光面爆破質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究；黃寶龍等［2］通過(guò)分析計(jì)算和工程類比了光面爆破參數(shù),，獲得了適合軟巖隧道的光面爆破參數(shù)及技術(shù)措施,；王立功［3］討論了普通硝銨藥卷用于光面爆破的條件下的參數(shù)計(jì)算方法；李強(qiáng)［4］提出了在泥巖,、砂巖平互層中成功實(shí)施光面爆破,、改善爆破效果的建議；楊勇［5］基于巷道光面爆破掘進(jìn)技術(shù)對(duì)爆破參數(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化進(jìn)行了研究,，尤其是如何在圍巖爆破過(guò)程中使得松動(dòng)圈受到振動(dòng)影響最小的問(wèn)題上進(jìn)行優(yōu)化,，為光爆技術(shù)在隧道建設(shè)工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了有力的支撐,。但是泥巖因其自身組成成分復(fù)雜性,、地質(zhì)條件的差異性大，導(dǎo)致光面爆破技術(shù)的應(yīng)用不夠廣泛,，筆者以某泥巖隧道光面爆破技術(shù)參數(shù)及其應(yīng)用效果進(jìn)行研究,。

1 依托工程地質(zhì)特征

某隧道最大凈寬4.6 m，有效凈寬4.5 m,，其采用的是曲墻圓拱型結(jié)構(gòu)的斷面,，其最大凈高為6.2 m，而有效凈高為5.0 m,，具體的工程地質(zhì)條件見(jiàn)圖1,，泥巖的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 工程地質(zhì)縱剖面

表1 泥巖的主要物理力學(xué)參數(shù)

巖性彈性模量／GPa飽和單軸抗壓強(qiáng)度／MPa變形模量E／MPac／MPaφ／（°）泥巖4.83～4.9615.8～17.97.58～7.62 2.99～3.20 30.0～32.8

泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)其可爆破性有很大的影響,，而泥巖的層理特征使得泥巖的物性與其層理間的夾角關(guān)系密切,。泥巖是一種致密的黏土礦物，多呈厚層狀,，多數(shù)情況下節(jié)理不發(fā)育,；過(guò)度的擾動(dòng)易引起巖石體積膨脹，強(qiáng)度降低甚至崩解,。泥巖中常常存在砂性?shī)A層,，多呈相互交錯(cuò)的現(xiàn)象，而且節(jié)理發(fā)育不明顯,、黏結(jié)性能較差,，爆破后會(huì)出現(xiàn)明顯的裂縫［4］。

2 光面爆破的基本原理

光面爆破是應(yīng)用于隧道等對(duì)周邊輪廓要求較高的隱蔽結(jié)構(gòu)物的控制爆破方法,，不但能控制周邊輪廓而且能很好的維持圍巖穩(wěn)定,，減少對(duì)周邊巖體的擾動(dòng)。所謂光面爆破，首先是炮眼的布置相互平行且間距較小,，同時(shí)滿足布置的線是在設(shè)計(jì)斷面的輪廓線上,，為了滿足炸藥爆炸在期望的貫穿裂縫處發(fā)生，需要選用低爆速和低密度的炸藥,，并對(duì)每個(gè)炮眼的裝藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制［1］,。目前來(lái)看，在光面爆破理論研究過(guò)程中,，應(yīng)力波與爆炸氣體共同作用原理基本得到認(rèn)可,，同時(shí)由于爆破過(guò)程中鉆孔、裝藥量,、裝藥結(jié)構(gòu),、起爆時(shí)間以及地質(zhì)條件的影響，難以保證應(yīng)力波在連心線中點(diǎn)的疊加,，初始裂縫便在應(yīng)力波的作用下產(chǎn)生,，同時(shí)裂縫會(huì)在爆炸氣體的靜壓下持續(xù)擴(kuò)展并最終形成貫穿裂縫（見(jiàn)圖2）。

整體上講,，光面爆破可以在施工安全性和圍巖的自身承載能力方面有所提高,。這種爆破方法可以按照設(shè)計(jì)要求控制爆破后裂縫的位置，同時(shí)可以將圍巖損傷控制在一定范圍內(nèi),，這樣就可以避免過(guò)爆情況,，進(jìn)而減少圍巖在爆破過(guò)程中受到擾動(dòng)的程度。

3 光面爆破技術(shù)參數(shù)的制定

夾層以及水平節(jié)理對(duì)光面爆破有比較顯著的影響,，然而砂質(zhì)泥巖隧道圍巖的整體性較好,、但穩(wěn)定性較差。所以如何有效的減少對(duì)周圍巖體的擾動(dòng),、控制超欠挖,、減少對(duì)爆破材料的浪費(fèi)以及加快隧道的掘進(jìn)速度成為工程關(guān)注的重點(diǎn)［2］。根據(jù)鉆爆法施工的實(shí)際情況及爆破效果的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,，對(duì)光面爆破參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),。

圖2 爆破過(guò)程中裂隙的發(fā)展過(guò)程

3.1 炮眼直徑及不耦合系數(shù)

根據(jù)地質(zhì)與圍巖條件的特殊性，綜合考慮鑿巖機(jī)性能,、鉆孔數(shù)目,、鉆孔效率以及單位炸藥的消耗量等爆破器材，以及隧道斷面大小,、塊度要求等圍巖條件的影響,，在保證周邊圍巖穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，總結(jié)工程及研究經(jīng)驗(yàn)［6］,，選擇炮眼直徑D＝42 mm,，藥卷直徑d＝28 mm,，不耦合系數(shù)r＝1.5。

3.2 炮眼的深度

全斷面一次爆破炮眼深度與隧道開(kāi)挖段面的寬度關(guān)系密切,，一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)獲取［7］,，取用L＝（0.5～0.7）B，其中B為開(kāi)挖段面的寬度（B＝4.6 m）,。為了提升隧道的掘進(jìn)進(jìn)度,、保證循環(huán)班次，根據(jù)鑿巖臺(tái)車配備重型鑿巖機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具,，并保證取得較高的炮眼利用率,，選擇炮眼深度L＝3.0 m。

3.3 炮眼的數(shù)量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,，再加上相關(guān)理論研究［8］和施工經(jīng)驗(yàn),，最終選擇的炸藥為巖石粉狀乳化炸藥，炸藥單耗：q＝1.0 kg／m3,、炸藥密度ρ0＝0.9 g／cm3,、炸藥爆速度v＝3400 m／s。在計(jì)算炮孔數(shù)目時(shí),，需要知道在爆破工程中的具體情況,，按照平均分配炸藥量的原則進(jìn)行計(jì)算，具體的公式如下：

式中：s為開(kāi)挖段面面積,；ls為裝藥系數(shù)，取ls＝0.65,。

計(jì)算得炮孔數(shù)：N＝135

3.4 光面爆破炮孔的布置

隧道光面爆破炮孔分為掏槽孔（3段）,、周邊孔（15段）、輔助孔（5／7／9／13段）和底板孔（11段）（見(jiàn)圖3）,。

圖3 炮孔的布置全斷面圖

采用楔形掏槽進(jìn)行孔布置,，與其他炮孔相比，該槽孔深30 cm～50 cm,，由于鑿巖臺(tái)車限制了掏槽孔的數(shù)量,，最終設(shè)置12個(gè)掏槽孔且分布為兩列（見(jiàn)圖4）。

圖4 掏槽孔布置的剖面圖

3.5 周邊孔的布置

確定周邊孔和掏槽孔后,，需要布置底板孔和輔助孔,，通常底板孔和輔助孔的設(shè)置要根據(jù)炮孔數(shù)目的設(shè)計(jì)情況盡量使其均勻分布在周邊孔和掏槽孔之間。

斷面圍巖抗壓強(qiáng)度取σc＝23.48 MPa,，抗拉強(qiáng)度取σt＝1.63 MPa,，泊松比μ＝0.33，根據(jù)光面爆破作用的原理［8］,，距離炮孔中心處徑向,、切向應(yīng)力為：

其中：n＝10壓力增大系數(shù)

通過(guò)計(jì)算得到，周邊孔間距E＝0.51 m，為了施工的方便取E＝0.50 m,。

巖石塊度和光面爆破成型效果很大程度上會(huì)受到最小抵抗線的影響,，而對(duì)于最終爆破形成預(yù)期的設(shè)計(jì)輪廓線，需要綜合考慮最小抵抗線和周邊孔間距這兩個(gè)因素,。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)知［8］：

其中m＝0.8～1.0則有：W＝0.6 m,。

雷管段是爆破過(guò)程中來(lái)控制起爆順序的關(guān)鍵，通常采取簇聯(lián)方式鏈接導(dǎo)爆管,，且雷管段之間爆炸的時(shí)間差應(yīng)該在20 ms以內(nèi),，具體的起爆順序如下：掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔。

3.6 光爆效果的檢查

斷面周邊基本未出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象,、開(kāi)挖輪廓比較圓順,、開(kāi)挖面平整度較高，半孔率達(dá)86%以上,。爆破進(jìn)尺及爆出石碴塊度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，隧道施工進(jìn)度和隧道安全得到了保證。輪廓面上的孔痕長(zhǎng)度一般都在孔長(zhǎng)的66%以上,，并在開(kāi)挖輪廓面上基本均勻分布,。

4 爆破對(duì)周圍巖體的擾動(dòng)測(cè)試

為了進(jìn)一步了解光面爆破對(duì)周圍巖體的影響，需對(duì)爆破時(shí)周圍圍巖的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,，采用爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀（NUBOX－6016）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)振范圍為±300 mm／s,，f＞50 kHz,。在隧道掌子面后方拱圈范圍內(nèi)對(duì)圍巖正上方及側(cè)面的振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù),，對(duì)振動(dòng)在圍巖中的傳播及衰減進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,，從而判斷光面爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響［9－10］，依據(jù)安全性及易于操作性,，設(shè)計(jì)傳感器的布置方案,，如圖5、圖6所示,。

圖5 傳感器的剖面布置方案（單位：m）

圖6 傳感器的橫斷面布置

爆破過(guò)程中振速傳感器采集縱向及橫向振動(dòng)速度數(shù)據(jù)各6組（見(jiàn)表2）,。通過(guò)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)爆破情況知，各觀測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度滿足規(guī)范［11］要求,。

根據(jù)薩道夫斯基公式［11］描述采集到的振動(dòng)速度為：

式中：R?Q－1／3為比例距離,；K為與爆破方法、爆破參數(shù)有關(guān)的爆破場(chǎng)地系數(shù),；α為與地質(zhì)因素有關(guān)的系數(shù),。

由表2擬合的振速曲線見(jiàn)圖7,、圖8。

表2 爆破數(shù)據(jù)采集

注：表中標(biāo)距為爆破中心點(diǎn)與振動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)距離,。

部位標(biāo)距／m雷管段位藥量／kg比例距離／（m?kg－1／3）振動(dòng)速度／（cm?s－1）正上方3.6掏槽孔9.61.6921.43.6輔助孔5.62.0311.14.2掏槽孔9.61.9816.74.2輔助孔5.62.378.85.0掏槽孔9.62.3512.75.0輔助孔5.62.826.8側(cè)面3.6掏槽孔9.61.6922.93.6輔助孔5.62.0310.44.2掏槽孔9.61.9818.04.2輔助孔5.62.378.25.0掏槽孔9.62.3513.75.0輔助孔5.62.826.3

圖7 正上方振速擬合線

圖8 側(cè)面振速擬合線

從圖7～圖8可知,，根據(jù)擬合曲線得到薩道夫斯基公式的系數(shù)K、α如表3所示,。

表3中的K值出現(xiàn)了明顯的減小,，分別從50、52降到32,、30,。分析認(rèn)為，K值反映了爆破方法與參數(shù)的信息,，在當(dāng)前爆破藥量和參數(shù)下,，隧道周圍巖體的擾動(dòng)深度較淺，隧道圍巖穩(wěn)定性得到了保證,。另外,，α值主要與圍巖地質(zhì)情況相關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)分析可知α值基本在1.4～1.6之間,，α值良好的穩(wěn)定性反映了隧道圍巖條件的穩(wěn)定,。

表3 薩道夫斯基系數(shù)值

部位雷管段數(shù)Kα正上方側(cè)面掏槽孔501.606輔助孔321.495掏槽孔521.558輔助孔301.502

雖然表2中的采集數(shù)據(jù)也存在異常的情況，比如掏槽段振速大于20 cm／s,，主要是由于掏槽段段爆破對(duì)振動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)受到余波干擾的可能性較大,。但掏槽段的橫向和縱向振動(dòng)速度波動(dòng)較小且數(shù)值控制在安全范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,，也反映出振動(dòng)速度得到了有效的控制,。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)光面爆破技術(shù)在泥巖隧道建設(shè)過(guò)程中的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：實(shí)施光面爆破的半孔炮痕率為86%,，孔痕長(zhǎng)度為孔長(zhǎng)的66%。爆破參數(shù)設(shè)計(jì)有效保證了施工進(jìn)度及隧道安全,。

（2）通過(guò)爆破擾動(dòng)測(cè)試,，薩道夫斯基系數(shù)K衰減明顯，反映了當(dāng)前爆破參數(shù)下,，隧道周圍巖體的擾動(dòng)深度較淺,，隧道圍巖穩(wěn)定性得到了保證。進(jìn)而有效控制了炮震裂縫和節(jié)理,，在減少圍巖承載能力降低的同時(shí)保持了圍巖的完整性,。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，當(dāng)前爆破參數(shù)設(shè)計(jì)方法,，開(kāi)挖輪廓圓順,、開(kāi)挖面平整,、未出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，隧道施工進(jìn)度和隧道安全得到了保證,。同時(shí)振動(dòng)在圍巖中的傳播及衰減明顯,，保證了周圍巖體的穩(wěn)定，減小了危險(xiǎn)面產(chǎn)生的概率,。

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Research and Application of Smooth Blasting Technical Parameters in Mudstone Tunnel

AN Jing
（Shanxi Traffic Vocational and Technical College,，Taiyuan,，Shanxi030619，China）

Abstract：Focusing on the smooth blasting technical parameters of mudstone tunnel,，this paper optimized the smooth blasting parameters and discussed the economy and safety of mudstone tunnel excavation.The embedded velocity sensor monitoring method was adopted to analyze the perturbation of smooth blasting to surrounding rock.Application of this technology is successful and has significant effects,，which means the contour basically does not appear the overbreak phenomenon,，half hole rate is above 86%，the blasting footage increased by about 15%,，the length of the hole marks a substantially uniform distribution which is more than 66%long holes,，Kandαcoefficient calculation formula of the attenuation was obvious，αis stable,，vibration velocity and rock burst light disturbance have been effectively controlled.

Keywords：mudstone tunnel,；smooth blasting；blasting parameters,；surrounding rock disturbance

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：：A

文章編號(hào)：：1672—1144（2017）01—0210—04

DOI：10.3969／j.issn.1672－1144.2017.01.040

收稿日期：2016－04－24

修稿日期：：2016－06－21

作者簡(jiǎn)介：安 靜（1983—）,，男，山西太原人,，講師,，主要從事路橋工程教學(xué)工作。E－mail：anjing1026＠126.com