隧道无掏槽掘进爆破技术的试验研究(2000.08)
邓志勇 刘 慧
1.前 言
隧道无掏槽掘进爆破是一种与常规隧道爆破----掏槽爆破根本不同的爆破技术,它是利用多个垂直于掘进掌子面的柱状药包同时爆破作用,实现隧道的掘进。
由于直眼掏槽爆破往往需要在掏槽部位钻凿大直径空孔,为槽腔的形成提供自由面和岩石补偿空间,并且钻孔精度要求高、使用多段雷管延迟爆破。相比较而言,无掏槽爆破则无需钻凿大直径空孔,并且雷管布置简单,雷管段数要求少,是一种钻爆功效高的隧道掘进方法。
2.爆破机理分析
隧道无掏槽掘进爆破技术主要是采用同时爆破技术起爆多个彼此平行、垂直于掘进掌子面的炮眼,利用柱状药包在岩石中的爆炸应力波相互叠加,爆轰气体的同时作用下,达到破岩、抛石的目的。有关文献通过数值模拟计算得到了多个柱状药包同时爆破应力场的演变过程,研究表明,炮孔区岩石破坏机理存在相似的特点。在起爆初期孔底炸药爆后在岩石内击起的应力波波前与条形药包的波前非常相似;随着爆轰传播,岩石内应力波波阵面发展为蘑菇形,在中央炮孔区形成应力水平相对较高的应力叠加区;应力波在掌子面反射后,在药柱上部与掌子面间形成了较强的反射拉伸区,中心也在中央炮孔轴线方向上,结合相应的孔腔变形特征可以判断,炮孔上部的岩石破坏与抛掷主要是反射拉应力和炮孔药柱上部孔腔扩胀共同作用的结果;下部岩石反射拉伸应力波强度较弱,但压应力水平很高且持续时间较长,衰减较慢,结合下部炮孔腔体的扩胀时间及运动场的特点可以判断,炮孔下部岩石的破坏是在下部腔体二次扩胀的过程中变形、破坏的,主要是由下部孔腔内爆轰气体挤压作用的结果。这样在同时爆破区域形成槽腔,以达到隧道掘进的目的。
3.试验方案
隧道无掏槽掘进爆破的技术关键是多柱状药包同时爆破技术,它直接影响掌子面槽腔的形成,因此试验研究的主要任务是同时爆破区域的钻爆参数的选取。试验分别在铁路、公路新线隧道开挖6个工点进行,共实施11次试验。试验中同时爆破区域布孔形式采用方形、正六边形,如图1所示,钻爆参数选取见表1。
表1同时爆破区域钻爆参数统计
试验地点 |
委金沟泄水洞 |
恭沙隧道 |
铁山坪隧道 |
华蓥山隧道 |
秦岭Ⅱ线平导 | ||||
试验次数 |
3 |
避车洞 |
下导坑 |
试验l |
试验2 |
试验1 |
试验2 |
试验1 |
试验2 |
岩石种类 |
石灰岩 |
石英砂岩 |
石英砂岩 |
岩溶性角砾岩 |
花岗岩、片麻岩 | ||||
围岩类型 |
Ⅳ |
V |
Ⅳ~V |
Ⅳ |
V | ||||
尺寸(m) |
2.6×2.4 |
2.4×2.4 |
4.0×3.4 |
1.8×1.8 |
2.1×2.1 |
2.4×2.4 |
4.5×3.9 |
2.6×2.6 |
3.25×3.25 |
比例深度 |
0.54 |
0.54 |
0.68 |
1.39 |
1.19 |
1.17 |
0.72 |
1.73 |
1.38 |
孔数(个) |
23 |
15 |
30 |
16 |
16 |
25 |
37 |
25 |
36 |
孔径(mm) |
42 |
42 |
42 |
42 |
42 |
42 |
42 |
48 |
48 |
孔深(m) |
1.3 |
1.3 |
2.3 |
2.5 |
2.5 |
2.8 |
2.8 |
4.5 |
4.5 |
孔距(m) |
0.65 |
0.80 |
0.80 |
O.60 |
0.70 |
0.60 |
0.75 |
0.65 |
O.65 |
排距(m) |
0.65 |
O.80 |
0.85 |
0.60 |
O.70 |
0.60 |
0.65 |
O.65 |
O.65 |
堵塞长度(m) |
0.70 |
O.70 |
O.80 |
0.70 |
O.70 |
0.80 |
1.O |
1.O+0.6 |
1.0+O.6 |
起爆段别(段) |
l |
3 |
3 |
2 |
1 |
l |
l |
l.3 |
l.4 |
爆破段数 |
l |
1 |
l |
6 |
5 |
8 |
5 |
7 |
5 |
布孔形式 |
方形 |
方形 |
方形 |
方形 |
方形 |
方形 |
正六边形 |
方形 |
方形 |
装药形式 |
连续 |
连续 |
连续 |
连续 |
连续 |
连续 |
连续 |
间隔 |
间隔 |
炸药种类 |
管状乳化炸药 |
2号岩石硝铵炸药 |
管状乳化炸药 |
管状乳化炸药 |
水胶炸药 | ||||
单孔药量(kg) |
O.60 |
0.60 |
1.5 |
1.8 |
1.8 |
2.0 |
1.8 |
2.25+2.1 |
2.25+2.1 |
总药量(kg) |
13.8 |
9.00 |
45.0 |
28.8 |
28.8 |
50.0 |
66.6 |
56.3+52.5 |
81.0+75.6 |
平均单耗(kg/m3) |
2.09 |
1.11 |
1.44 |
3.55 |
2.61 |
3.10 |
1.81 |
3.57 |
3.29 |
4.试验结果分析
分析表2中的数据,可以得出以下结论:
(1)无掏槽掘进爆破技术可以通过全断面钻孔同时爆破、掌子面选择同时爆破区域等方式实现掘进,它主要是利用同时爆破区域在掌子面爆破形成槽腔,为其他炮孔提供爆破f临空面。
(2)试验证明,同时爆破区域的比例深度K’值是无掏槽掘进爆破技术关键参数。K’值在0.5~1.2之间是比较合理的。
(3)试验中,孔距、排距取值范围为14~20F(F为钻孔直径)是合理的,爆破炮孔利用率在90%以上。另外布孔形式不影响爆破效果。
(4)钻孔深度L= K’B,式中B为炮孔布置宽度,同时L存在极限值,试验表明L<
图1 同时爆破区域分布孔形式示意图
(5)同时爆破区域多炮孔同段雷管起爆,减少了掘进爆破雷管的使用段数,华蓥山隧道试验2爆破过程采用了5段雷管,爆破延迟时间为105ms±15 ms,实现了130 ms内隧道全断面爆破掘进。
(6)无掏槽爆破破碎效果好,爆破块度小而均匀,便于清碴,并且爆破堆积体不高,抛散距
离远。
由于该技术是一种新的隧道掘进爆破方式的尝试,目前还存在一些问题,比如爆破地震对围岩的影响作用和爆破空气冲击波比较大,飞石距离远等。为此还需进一步深入研究,使之逐步完善,推广应用。
表2 实验结果统计资料
试验地点 |
委金沟泄水洞 |
恭沙隧道 |
铁山坪隧道 |
华蓥山隧道 |
秦岭Ⅱ线平导 | ||||
试验次数 |
3 |
避车洞 |
下导坑 |
试验l |
试验2 |
试验1 |
试验2 |
试验1 |
试验2 |
岩石种类 |
石灰岩 |
石英砂岩 |
石英砂岩 |
岩溶性角砾岩 |
花岗岩、片麻岩 | ||||
围岩类型 |
Ⅳ |
V |
Ⅳ~V |
Ⅳ |
V | ||||
掌子面形状 |
基本平整 |
圆弧形 |
平整 |
锅底形 |
比较平整 |
平整、炮根清晰 |
掌子面平整,残眼扩孔 | ||
残眼深度(cm) |
lO以内 |
个别孔10~20 |
周边孔20~30 |
60~80.最深达100 |
25左右 |
平均残眼在15.30 |
| ||
开挖边界 |
超炸10~20 cm |
超炸O.7~ |
平整 |
平整 |
平整 |
平整 |
平整 | ||
爆堆高度(m) |
0.5左右 |
1.0 |
1.2 |
|
|
平均高度在3.O左右 |
|
| |
抛碴距离(m) |
20左右 |
|
30.5 |
|
|
30左右 |
|
| |
岩石块度 |
块度小 |
小、均匀 |
破碎充分 |
|
块度小 |
块度小而均匀 |
|
| |
爆破振动 |
|
|
较大 |
|
|
大 |
大 | ||
爆破冲击波 |
|
|
较大 |
|
|
大 |
大 | ||
平均进尺(m) |
1.20 |
1.24 |
2.15 |
1.5 |
2.35 |
2.5以上 |
不到2.5 | ||
炮孔利用率% |
92.3 |
96 |
93.5 |
60 |
94 |
92以上 |
56左右 | ||
(参加试验研究人员还有:郭峰、丁希平等,在此一并致谢。)
发表刊物:铁道工程爆破文集----第六届全路工程爆破学术会议。北京:中国铁道出版社,2000年8月。