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软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用_官黎明.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20210325基金项目:新疆 G575 线巴哈公路土建一标项目(BHGL-TJ-01)作者简介:官黎明(1983),男,陕西咸阳人,高级工程师.(53528176 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.018软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用官黎明1,危皓1,冯志谦1,陈鹏高1,魏新傲2(1 中交一公局桥隧工程有限公司,湖南长沙4100
2、83;2 中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083)摘要:为了发挥机械设备进步的优势,进一步提高软弱围岩隧道爆破施工速度,解决支护封闭成环慢、工序步距超标等问题,提高软弱围岩隧道施工安全,以东天山特长隧道斜井为工程背景,探讨了软弱围岩隧道大断面爆破开挖的施工方案。首先比较了隧道大断面开挖工法与传统台阶法施工的优缺点。然后基于光面爆破结合预裂爆破的综合爆破技术,分别从起爆顺序、装药结构、爆破规模确定等方面优化了大断面爆破方案,最大限度减少大断面爆破对围岩的扰动。结果表明:优化后的大断面爆破方案取得了良好的轮廓爆破效果,超欠挖值得到有效控制,平均线性超欠挖控制在 0.25 m 以内;分析方
3、案优化前后的连续 3 个断面桩号的拱顶沉降及周边收敛累计,拱顶沉降最大值降低了约 34%,周边净空收敛最大值降低了约 65%,斜井隧道内拱顶沉降值、周边收敛值均有了大幅降低,采用优化的大断面爆破方案,减小了爆破扰动,缩短了封闭成环时间,在连续施工过程中隧道围岩稳定,无异常情况;单位循环时间得到了大幅缩短,平均工效提高了约 25%,月进尺 91.5 m 提升至 113.7 m,大断面施工比原有三台阶施工减小了循环进尺,提升了开挖过程的安全性。故所采取爆破参数优化设计是可行的,可为类似工程提供借鉴。关键词:隧道工程;软弱围岩;大断面爆破;生产进度;超欠挖中图分类号:U455.6文献标识码:A文章编
4、号:10020268(2023)02014508Study and Application of Large Section Blasting Excavation ofInclined Shaft in Soft ock TunnelGUAN Li-ming1,WEI Hao1,FENG Zhi-qian1,CHEN Peng-gao1,WEI Xin-ao2(1 Bridge Tunnel Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Highway Engineering Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410083;2 School of esou
5、rces and Safety Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410083)Abstract:In order to give full play to the advantages of mechanical equipment progress,further improve thespeed of blasting construction in soft rock tunnel,solve the problems of slow ring formation of support closureand proc
6、ess step overrun,and improve the safety of soft rock tunnel construction,on the project backgroundof the inclined shaft of East Tianshan extra-long tunnel,the construction scheme of large section blastingexcavation in soft rock tunnel is discussed.First,the advantages and disadvantages of large sect
7、ionexcavation method and traditional bench method are compared.Then,based on the comprehensive blastingtechnology of smooth blasting and presplitting blasting,the large section blasting scheme is optimized from theaspects of blasting sequence,charging structure,determination of blasting scale etc.to
8、 minimize thedisturbance of large section blasting to surrounding rock.The result shows that(1)The optimized largesection blasting scheme achieved good contour blasting effect,the overbreak and underbreak values areeffectively controlled,and the average linear overbreak and underbreak are controlled
9、 within 0.25 m.(2)The analysis of the arch crown settlement and peripheral convergence accumulation of 3 consecutive sectionpiles before and after scheme optimization shows that the maximum value of the arch crown settlement is公路交通科技第 40 卷reduced by about 34%,the maximum value of peripheral clearanc
10、e convergence is reduced by about 65%.The arch crown settlement value and peripheral convergence value in the inclined shaft tunnel are greatlyreduced.The optimized large section blasting scheme reduced the blasting disturbance,shortened the time ofclosing and looping,and the surrounding rock of the
11、 tunnel is stable during the continuous constructionprocess,without abnormal condition.(2)The unit cycle time is greatly shortened,the average workefficiency is improved by about 25%,and the monthly footage is increased from 91.5 m to 113.7 m.Thelarge section construction reduced the cycle footage c
12、ompared with the original 3-bench construction,improved the safety of the excavation process.Therefore,the adopted optimized design of blasting parametersis feasible,which can provide a reference for similar projects.Key words:tunnel engineering;soft rock;large section blasting;production schedule;o
13、verbreakand underbreak0引言在任何隧道爆破施工中,主要有两个目标:达到较快的掘进速度和最大限度地减少对周围岩体的损伤1。传统的软弱围岩条件下大断面隧道爆破开挖方式,要求将隧道断面分成若干部分,在施工过程中导坑先进再逐步扩挖至全断面,例如三台阶七步开挖法,然而大量的工程实践表明,这种方法并非总是安全的。一方面,因大型机械设备作业空间狭窄,工序间相互干扰大,存在施工进度慢,造成支护封闭成环滞后、工序步距超标等诸多安全隐患;另一方面,分步爆破开挖的作业方式间接增加了对围岩的爆破扰动次数,易对已施工的初支造成破坏,从而形成新的安全隐患。随着社会经济技术的发展,对隧道施工安全保障水
14、平以及施工作业进度提出了更高的要求。大断面爆破开挖能够充分发挥隧道机械化配套加快施工进度的优势,具有工序简单、对围岩扰动次数少、施工效率高等优点,因此,研究软弱围岩隧道大断面爆破开挖,实现更安全、更精确、更快速的爆破工程具有重要的工程实践意义24。众多学者已对软弱围岩隧道爆破开展研究。宗琦5 通过分析研究软弱岩石的爆破破坏特征,构建了软岩光爆参数的理论计算模型;李启月等6 分析了级围岩隧道全断面一次爆破可行性,优化了级围岩隧道全断面爆破参数,并展开现场试验,光面爆破效果良好;姚洪瑞7 提出了采用短进尺的浅孔弱爆破方案来降低爆破施工对围岩造成的扰动和提高围岩稳定性,从而保证施工安全性;陈洁金等8
15、 针对软弱地层大断面隧道,对比了三台阶七步法和三台阶临时仰拱法两种施工工法,研究结果认为软弱围岩隧道中三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法;马辉等9 对精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架进行了研究,将其用于 IV,V 级石质软弱围岩隧道,以解决安全步距保持、进度保障等施工问题;陈亮等10 分别从开挖方法、预支护、爆破参数、监测技术的应用等 4 个方面对高地应力大断面软岩隧道的开挖技术进行了研究。综上,目前尚缺乏针对软弱围岩隧道大断面开挖爆破施工参数的优化研究,相关研究成果比较少。随着隧道机械化大断面法的大量应用,急需研究和改善爆破技术,最大程度减小爆破对围岩的扰动,以保护围岩原有的稳定性。本研究以
16、东天山特长隧道斜井为工程背景,通过对施工方案进行比选,分析隧道软弱围岩稳定性,选择采用大断面法进行施工,并优化了软弱围岩大断面开挖爆破方案,最后统计分析爆后监控量测数据,论证了现场轮廓控制及围岩沉降收敛情况,以期为类似隧道的安全快速施工提供借鉴。1工程概况东天 山 特 长 高 速 公 路 隧 道 单 洞 设 计 总 长11.78 km,在隧道右线右侧设置 1#通风斜井,其长2 130 m,中部纵坡为13.083%,每隔650 m 设置长60 m 的缓坡,缓坡坡度为 3%。开挖断面积达到70 m2。斜井掘进面处于 F2 断层影响带,围岩以中风化凝灰质粉砂岩以及强风化凝灰质砂岩为主,节理裂隙发育,
17、地质评价为,VI 级围岩。考虑到掌子面稳定性较差,需对围岩进行加固,施做超前支护方案为:拱顶 120范围布置超前小导管,环向间距40 cm,搭接长度不小于 2 m,外插角 610。斜井断面轮廓图如图 1 所示。2软弱围岩隧道大断面开挖法隧道开挖方法尤其是钻爆法开挖,取决于岩石641第 2 期官黎明,等:软弱围岩斜井大断面爆破开挖研究与应用图 1东天山隧道 1#斜井超前支护轮廓(单位:m)Fig.1Profile of advance support for inclined shaft 1#ofEast Tianshan Tunnel(unit:m)的质量,如表 1 所示。然而这些开挖方法与围
18、岩级别的关系,只能做出大致的判断,因为开挖方法的选择,同样受到施工单位的经验和设备条件、隧道周边的环境条件、埋深、开挖尺寸和形状等诸多因素的影响1112。当前,软弱围岩隧道多采用台阶法、CD 法等分部开挖方法,难以充分发挥隧道机械化进步的优势,存在施工效率低、对围岩扰动次数多、围岩封闭时间长等问题。随着社会经济技术的发展,光面爆破、预裂爆破技术,以及新奥法、新意法等支护手段逐步应用隧道施工中以后,使在软弱围岩隧道开挖时有可能采用大断面,乃至全断面法掘进13。表 1不同类别岩体隧道典型开挖方法Tab.1Typical excavation methods for tunnels in diffe
19、rentrock mass types分级新奥法QM仰拱自稳时间开挖方式7080不需要10 a(15 m 跨径)10706580不需要6 个月(8 m 跨径)全断面法4105865不需要24 d(5 m 跨径)144758由监测结果决定510 h(2.5 m 跨径)全断面法/台阶法0.1112947需要2 h(2.5 m 跨径)VI0.030.112029需要30 min(1 m 跨径)台阶法/分部开挖(超前支护)东天山隧道斜井采用三台阶爆破开挖法,存在作业循环时间长,施工进度慢,超欠挖严重、围岩变形严重等问题。为了利于机械臂湿喷机喷射混凝土、大型铲车出渣等施工设备作业,充分发挥机械设备效率,
20、进一步提高隧道机械化施工速度,同时更重要的为了使初期支护能够及时封闭成环,控制围岩变形量。为此在东天山隧道斜井采用大断面开挖方法施工。隧道大断面开挖工法不同于台阶法施工,具有以下特点:(1)采用大断面爆破开挖,保证上断面施工操作空间大,利于初期支护施工作业和机械臂湿喷机喷射混凝土施工,保证喷射混凝土表面平整度以及减少回弹量。(2)机械化施工效率提高,施工速度快。(3)作业空间大,工序衔接简单,仰拱、二衬等工序安全步距满足相关强制性规定要求。(4)减少钢拱架单元模块连接,增加钢拱架整体刚性,既有利于减小围岩变形量又节约施工时间。为了适当降低爆破规模,减轻爆破对围岩的扰动,将整个斜井断面分为上下两
21、个断面开挖,先开挖上断面,再开挖仰拱及其上方小部分断面,上断面高度主要由操作台架确定,操作台架尺寸应满足正常通行机械、架设拱架空间高度、预留安装量等,经计算,确定上断面高度为 6.7 m。3软弱围岩大断面爆破方案3.1爆破规模的确定软弱围岩隧道大断面开挖必须要研究优化爆破方案,最大程度减轻爆破对围岩的损伤及扰动。目前,利用峰值振动速度(PPV)来判断爆炸引起的岩石损伤已经成为许多研究者的共识。这是因为围岩与衬砌中的峰值应变与 PPV 和压缩弹性波速度 Cp有关,如式(1)所示14:=PPV/Cp,(1)式中 为应变。假设岩石为脆性破坏模式,岩石在拉伸破坏前能够承受的临界峰值颗粒速度 PPV临界
22、可由式(2)计算得出:PPV临界=tCpE,(2)式中,t为岩石抗拉强度;E 为弹性模型。由通过地面振动预测方程,可以给出爆破时产生的振动速度。因此,可以通过控制围岩质点振动速度,给出允许爆破规模的标准15。V=KQ1/3(),(3)式中,V 为质点峰值振速;K 场地条件系数;Q 最大单段药量;为测点到爆源的距离;为衰减指数。由爆破安全规程可知,软弱围岩隧道的垂直向振动速度不超过 25 cm/s。同时,新奥法要求喷射混741公路交通科技第 40 卷凝土作为初期支护,因此还要保证喷射混凝土不受爆破振动破坏开裂,根据新浇混凝土安全质点振速指标16,其峰值振速不大于 5 cm/s。3.2起爆顺序及掏
23、槽参数斜井大断面爆破开挖炮孔布置图,如图 2 所示。由于上断面初支拱架仅由锁脚锚杆支撑并未封闭成环,开挖时将上下断面通过孔外延期分开起爆,避免上下断面同时起爆形成叠加振动波,对初支拱架造成影响。同时,下断面周边眼采用预裂爆破技术,能够减小下断面爆破对围岩造成的二次扰动,可对保护围岩稳定起到积极作用。综上,采取光面爆破结合预裂爆破的综合爆破方案。图 2斜井大断面爆破开挖炮孔布置图(单位:m)Fig.2Layout of blastholes for large section blasting excavation of inclined shaft(unit:m)由前所述可知,超前小导管长 4
24、 m,为了保证其能够起到有效支撑作用,每循环进尺要求不超过2.4 m,考虑到围岩软弱导致机械清理断面可能会增加少许进尺,爆破方案设计进尺为 2 m。因此,掏槽布置采用单级掏槽即可,根据工程经验及相关计算取:眼口距 a=4.8 m,眼底距 b=0.2 m,排距 c=0.6 m,掏槽角=45,如图 2 所示。3.3周边控制参数周边眼钻孔精度对于隧道轮廓控制非常重要,钻孔偏差则会直接形成超欠挖,对于软弱围岩而言,还可能降低围岩的稳定性和整体性,进而影响整个洞室的安全。如图 3 所示,斜井开挖钻孔时必须保证光爆眼与超前导管角度合理,避免光爆眼外插角过大,与超前小导管形成交叉,导致小导管被破坏,继而产生
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