隧道快速掘进钻爆技术的改进及其工程应用

隧道快速掘进钻爆技术的改进及其工程应用

王　莹　宋克英　龚建军

(北京科技大学)

　　摘　要:选择与岩石匹配良好的炸药、优化掏槽方案、提高钻孔精度、堵塞炮孔、充分利用初始自由面实现隧道快速、高效钻爆法掘进,并且在实际工程中得到了很好的应用。

关键词:爆破技术;快速掘进;隧道掘进中图分类号:TD23513　　文献标识码:B　　文章编号:100925683(2007)01200902031　前言

慢,深入系统的研究不多,目前常见的文献多是根据现场施工情况进行的经验总结。根据隧道多次爆破试验,认为影响掏槽爆破效果的主要因素有以下几个方面。

(1)空孔的尺寸和数量。理想的空孔尺寸和数量应能容纳第一段炮孔起爆后被爆岩体破碎扩容产生的体积增量。只有足够的空腔体积才能满足岩石充分破碎扩胀,进而被抛出槽外。

(2)第一段炮孔的合理药量。第一段炮孔的理想药量应该能将装药孔至空孔范围内的岩石破碎并迅速抛出槽外。过小的药量不能产生较好的抛掷效果,过多的药量容易将被爆岩体“压死”而形成“再生岩”,不能产生掏槽效果。

(3)微差起爆的时间间隔。在掏槽爆破区内,前一段爆破与后一段爆破应有足够的微差时间,因前一段爆破需使岩体破碎、并将岩块抛掷后才能为后一段爆破创造良好的临空面。根据以往的高速摄影观测露天炮孔爆破抛掷的试验结果和理论推算,在掏槽爆破区虽然最小抵抗线很小,岩石破裂时间短,但要完全破碎并达到较好的抛掷运动状态需时20ms以上,加之一定的抛掷时间,因此掏槽爆破的

近年来,随着隧道施工技术的进步,新奥法施工

的标准化、大型机械化等快速施工技术已被普遍采用,这就要求爆破技术与高效深孔爆破法相配合。笔者从炸药的选型、掏槽方案的优化、炮孔的堵塞和初始自由面的利用4个方面,对隧道爆破技术提出了改进。2　炸药选型

根据炸药和岩石的波阻抗值匹配理论,炸药的波阻抗值(PeVe)与岩石的波阻抗值(PrVr)相等时,爆炸波能量完全传入岩体内,能量利用率最高,从而最大限度地破碎岩石,使爆破效果达到最佳。然而在实际爆破中难以实现炸药和岩石波阻抗的完全匹配。所以在炸药选型时不能过于教条地强调波阻抗匹配系数,而应该综合考虑多方面因素。为此,提出了以下几条炸药选型原则:①遵循炸药和岩石波阻抗匹配理论,如对硬岩爆破应选择高爆速、高密度、高威力炸药;②考虑各种炸药的性价比,选择质优价廉的炸药品种;③由于隧道爆破后炮烟过浓将会给通风造成困难,从而增加通风作业时间。所以考虑炸药品种时应选择爆炸后炮烟少、有毒有害气体含量低的炸药。可先比较各种常用炸药的性能,根据现场试验确定。3　优化掏槽方案

掏槽爆破是隧道掘进爆破工程中的重要技术内容,是决定爆破进尺和炮孔利用率的主要因素。为了提高掘进速度,隧道或井巷爆破中炮孔深度有不断增加的趋势。但由于掏槽爆破机理研究进展缓

　　王　莹(1982-),女,汉族,硕士,100083北京市北京科技大学土374信箱。

宋克英(1981-),男,汉族,硕士,409600重庆市彭水县汉葭镇下塘村二组中铁二十局中国路桥隧道总公司。

内外圈微差间隔时间以50ms较为理想。具体排列雷管段别顺序时应为跳段排列,因普通毫秒雷管前4段的延时差为25ms,跳段延时正好为50ms。由爆

破振动波测试结果反推,可知掏槽爆破跳段排列后,前后段微差时间大多在40～60ms,因此掏槽区跳段排列雷管可以满足微差爆破的时间要求。

(4)钻孔定位精度和平行度。掏槽区炮孔布置密集,设计最小抵抗线由内向外逐渐增大,一旦定位不准,将给后排爆破造成很大困难。另外,钻孔平行度偏差太大,甚至有两孔或多孔打穿,必然会影响掏槽效果。炮孔互交处因药量过大导致“压死”现象,

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　　　王　莹　宋克英等:隧道快速掘进钻爆技术的改进及其工程应用　　　　　　2007年1月第1期而其它位置因炮孔间距过大、药量不足,不能产生较好的破碎和抛掷效果。试验中发现,只要掏槽孔偏斜过大甚至打穿,爆破进尺就会显著减少。所以,尽可能采取多种有效措施保证钻孔精度是取得高效爆破的关键。4　堵塞炮孔

在实际工程爆破中,隧道掘进爆破炮孔的堵塞质量普遍都未受到重视,这是造成炸药能量利用率过低的重要原因之一。大量的实践都证明,爆破炮孔堵与不堵,不仅表现在爆破效果方面,而且还表现在爆破投入方面,有有益的一面,也有有害的一面。

加强炮孔堵塞理论研究和大量的实践都证明,造成炸药能量利用率不高的根本原因之一是炮孔的堵塞不牢。因此,只要加强炮孔堵塞,提高其堵塞质量,就能有效地提高炸药能量的利用率,从而减少爆破的投入,改善爆破的效果。研究表明,要想确实有效地提高炮孔堵塞质量,最重要的是要提高炮孔堵塞体的强度及其与炮孔壁之间的结合力,只有这样,在极高的爆炸气体压力作用下,炮孔堵塞体才既不会沿炮孔壁滑动也不会从内部剪破,在被爆岩石产生与外界连通的裂隙之前始终能发挥其封闭炮孔和传递爆炸气体压力的作用。试验说明,只要能提高炮孔堵塞体的强度及其与炮孔壁之间的抗滑能力,就能使炸药能量的有效利用率得到明显提高。5　充分利用初始自由面自由面的多少,决定着被爆岩石所受的约束数,从而直接决定着爆破的难易程度。其它条件相同时,自由面越多,爆破相对越容易。因此,为了降低单自由面爆破的难度,增加自由面的数量,以减少被爆岩石的约束,便出现了先掏槽后崩落的有槽爆破法,结果反而忽视了初始自由面的充分利用,这是导致隧道掘进爆破过程中炸药能量得不到充分利用的又一重要原因。

爆破过程中,被爆岩石同时受到爆炸力和约束力两类性质不同的力作用。在被爆岩石自身的力学性质及其结构等因素确定的情况下,这两类力的对比关系就成为决定其破坏范围和破坏程度的关键。很明显,只有合理地利用爆炸力而避开强约束,才能用最少的投入获取最佳的爆破效果,这完全取决于最小抵抗线的方向及其大小。增加自由面数之所以能降低爆破的难度,其根本原因就是通过新增加的自由面改变了优势自由面的方向,减小了最小抵抗线的值,降低了约束力。如前所述,由于掏槽时被爆岩石只有一个自由面,岩石只能沿自由面的外法线

方向运动才能形成较高程度的破碎并被抛出,故只有自由面的外法线方向才是被爆岩石的优势破碎方向(即主破方向)和抛掷方向。既然如此,也只有沿自由面的外法线方向作用的爆炸力才是最有效的破坏力,但若不计爆炸所产生的动力和炮孔堵塞体的传力作用,则当炮孔轴线与自由面成α角时(0°),作用在炮孔壁上的爆炸气体压力在自由面≤90°

外法线方向的分量,亦即最有效破坏力的值为:

πrlbcosα)/4=0.5Poπrlbcosα,P1=(2Po

式中,Po为爆炸气体压强峰值,r和l分别为炮孔

半径和装药长度。

将α为60°、90°代入关系式可知,除了炮孔轴线与自由面的夹角较小时外,被爆岩石所受的最有效破坏力都是很小的,有时甚至为零。在此情况下虽然作用在炮孔侧壁上的爆炸气体压力很大,但因其大部甚至全部都与自由面的外法线垂直,因而它在主破方向所起的作用是非常有限的。正因如此,在充临空面时,掏槽所需的炮孔和炸药都很多,尤其是在掏槽炮孔与自由面垂直时,更是如此。有空孔存在时,空孔成为优势自由面,被爆岩石的主破方向因此而发生改变,最小抵抗线的值也因此而大为减小,故其爆破效果一般稍优,但以空孔为补充临空面,其容积是很小的,加上被爆岩石所受的最有效破坏力并未增加,已炸碎的岩石难于及时地抛出,空孔易被已炸碎的岩石填满而失去其临空面的作用。因此,即使有空孔存在,仍需要密集的炮孔和相当高的炸药单耗才能取得较满意的掏槽效果。将周边光爆孔以外的各炮孔(直孔)分数段装药,各段分别用新材料堵塞并分别起爆,使各相邻炮孔同时从孔口段起向孔底方向依次逐段起爆,利用炮孔堵塞体的传力作用将作用在每个堵塞体里端面上的爆炸气体压力都有效地传给岩石,使之成为沿自由面的外法线方向作用的力,这样,每段岩石所受的最有效破坏力都大大增加。而一个炮孔中有n(n为孔内分段数)个堵塞体,能产生n个最有效破坏力,因而,一个炮孔中的最有效破坏力远大于原来的n倍;同时,通过分段的方法使最小抵抗线减小到炮孔长度的1/n,即其约束力降低到原来的1/n,使初始自由面得到了较充分的利用。采用这种方法爆破,每一段炸药都能形成一个爆破漏斗,而各相邻爆破漏斗部分重叠,便使自由面处的岩石向外剥落一层,如此层层剥落,隧道便相应向前推进。根据多处现场试验证明,只要最小抵抗线的值恰当,各爆破漏斗就能成为加强抛掷爆破漏斗,炮孔的间距就能相应增大,达到

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总第453期　　　　　　　　　　　　　　　　矿业快报　　　　　　　　　　　　2007年1月第1期2m左右,炸药的单耗也就因此而相应减少许多。6　工程应用

(1)提高炮孔精确度和加强炮孔堵塞,能明显地

减少所需的炮孔数,降低炸药单耗。

表1　钻爆参数

起爆

顺序

1233445566788某高速公路隧道全长7560m,位于重庆市彭水县内,为上下行分离式隧道,双向4车道,在隧道左线左侧有一通风竖井,竖井距隧道洞口2850m。隧道采用喷锚支护,复合式衬砌。

下塘口一号隧道位于四川盆地东南缘,属乌江侵蚀河谷的峡谷侵蚀、溶洞中低山区,基岩多裸露,地形起伏大,山高坡陡,峡谷深切,山岭总体走向与构造大体一致,与线路呈大角度相交。最高海拔标高972m,最低198m(区内乌江最低水面标高),相对高差770m。自然坡度约25°～45°,区内地形主要由陡峻的坡面山体和山间V型沟谷构成,地表迳流条件好。围岩级别是Ⅲ级,灰岩,属硬质岩,中厚层状,夹泥、页岩,埋深较大,岩体完整,岩溶水较发育。Rc=40MPa,岩体完整性指数Kv为0.9,地下水影炮眼炮孔长度单孔装药量段装药量雷管

孔数

名称/m/kg/kg段数掏槽眼3.562121掏槽眼563183扩槽眼4.963185辅助眼4.332.47.25辅助眼4.762.615.67辅助眼4.372.416.87辅助眼4.562.414.49辅助眼4.392.421.69辅助眼4.462.414.411辅助眼4.3112.426.411辅助眼4.3212.450.413周边眼4.3380.622.815底板眼4.3143.04215

139279.6

合计响修正系数K1=0.2,围岩基本质量指标修正值[BQ]为415。

隧道采用YT28凿岩机钻眼,附以台架全断面开挖,2台L50的装载机装碴,20t自卸汽车运碴。隧道爆破采用斜眼掏槽爆破技术。

隧道爆破采用非电毫秒雷管、2号岩石硝铵炸药进行隧道爆破施工。周边眼采用小药卷、导爆索间隔装药形式,以提高光面爆破效果。掏槽眼采用斜眼掏槽,并且合理的利用了初始自有面,减少了炮眼数量、装药量,提高爆破效果,同时减少开挖钻眼工序的时间。钻爆设计见表1。7　结论

　　(2)依据正确的力学原理,合理地确定最小抵抗

线的方向并减小最小抵抗线的值,以充分利用初始自由面,是使隧道的开挖爆破实现多快好省的一种有效方法。

参　考　文　献:

[1]　汪传松.隧道掘进爆破的改进[J].三峡大学学报,2001,23(6).[2]　汪传松.炮孔堵塞体的作用[J].武汉水利电力大学(宜昌)学

报,1999,21(1).

[3]　汪传松.隧道无槽爆破破法研究[J].岩石工程学报,2000,22

(5):555～558.

[4]　杨年华,张志毅等.硬岩隧道快速掘进的钻爆技术[J].工程爆

破,2003,9(1).

[5]　刘正雄.隧道爆破新技术[M].北京:铁道出版社,1975.[6]　孙向远.直眼掏槽爆破在生产中的应用[J].矿业快报,2005111

(收稿日期2006210219)

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安徽省矿山等涉危行业须存储安全生产风险抵押金

　　安徽省十届人大常委会第二十七次会议日前审议通过的《安徽省安全生产条例》规定,矿山、建筑施工、交通运输及危险品的生产经营单位应当按照国家规定存储安全生产风险抵押,用于本单位生产安全事故的抢险救灾和善后处理。

《安徽省安全生产条例》明确规定,安全生产风险抵押金被用于事故抢险救灾和善后处理后,生产经营单位应当按照国家有关规定补存。生产经营单位的决策机构、主要负责人或者个人经营的投资人应当保证本单位安全生产所必需的资金投入。矿92

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山、建筑施工单位和危险品的生产经营单位应当按照国家和安徽省有关规定提取安全费用,计入生产成本,专户存储,并依法接受安全生产监督管理部门和其他有关部门的监督检查,安全生产资金投入和安全费用的使用应当符合国家和安徽省有关规定。任何单位和个人不得挪用安全生产风险抵押金。违反规定未按时、足额存储安全生产风险抵押金的,由县级以上人民政府安全生产监督管理部门责令限期存储;逾期未存储的,处未存储金额5%～10%的罚款。