聚能水壓爆破技術(shù)在水平巖層隧道施工中的應(yīng)用

　　超欠挖控制一直是影響隧道施工成本、工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水平巖層是隧道工程施工經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)構(gòu)造，水平巖層的超欠挖控制相較于其他巖層更為復(fù)雜和困難，如果處理不好，隧道拱頂會出現(xiàn)大面積平頂、落石、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，造成大量超挖增加回填混凝土用量，還會影響圍巖的穩(wěn)定性，從而影響施工作業(yè)人員和機械安全，所以水平巖層的光面爆破超欠挖控制對于隧道施工意義重大。通過研究新奧法施工的基本原理以及水平巖層對爆破的影響特點，在張吉懷鐵路鳳凰隧道使用了聚能水壓爆破技術(shù)，取得了較好效果。本文對此技術(shù)在水層巖層的光面爆破施工技術(shù)作一介紹。
　　工程概況
　　鳳凰隧道位于湖南省湘西州鳳凰縣沱江鎮(zhèn)關(guān)巖層村境內(nèi)，全長4375m，為時速350km單洞雙線隧道，最大埋深約220m。隧道分進口、橫洞和出口3個工區(qū)平行組織施工。隧道圍巖為K1泥質(zhì)粉砂巖，局部夾泥粉質(zhì)砂巖，含礫砂巖，石英砂巖，紅色，綜紅色，強風化～弱風化。洞身弱風化層，粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，層厚1～3m。巖層產(chǎn)狀：100°～140°∠8°～25°。巖層取樣，實測飽和單軸抗壓強度28MPa，屬軟軟巖。全隧地下水不發(fā)育，主要為基層裂隙水。隧道最大開挖寬度14.7m，隧底至拱頂開挖高度12.38m，爆破開挖斷面148.91m2。其中進口工區(qū)采用全電腦三臂鑿巖臺車全斷面法開挖施工，橫同工區(qū)采用傳人工鉆眼爆破臺階法施工。
　　3 水平巖層變形破壞機理
　　在薄水平巖層地段，爆破時巖體也極易沿著拱部某一層理面整體脫落，形成平如桌面的平頂現(xiàn)象。此時隧道頂板呈懸露狀態(tài)，頂板以梁（或板）的形式支撐著上覆巖體的重力作用，保持著應(yīng)力場的平衡，此時覆巖的力學結(jié)構(gòu)屬于典型的梁（或板）式平街結(jié)構(gòu)。當此跨度達到巖梁的極限長度時，頂板在上部荷載的作用下，造成斷裂、垮落破壞，頂板巖層在第一次斷裂后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)，使得上面的巖層又成為梁（或板）式平衡結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)分別位于隧道兩側(cè)懸臂巖層的上方。當作用力足夠大時，隧道兩側(cè)巖層懸臂梁不斷發(fā)生破斷，其上方的巖梁超過極限跨距后再次造成斷裂和垮落。此時上覆巖層的重量將沿主應(yīng)力線方向向隧道兩側(cè)傳遞，主應(yīng)力線方向為一拱形，即形成應(yīng)力平衡拱[1]。
　　爆破后應(yīng)力波如果遇到節(jié)理、夾層等結(jié)構(gòu)面，將發(fā)生復(fù)雜的透射、反射現(xiàn)象，使應(yīng)力波能量在結(jié)構(gòu)面中消耗衰減。由于結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播的阻隔作用，對于隧道光面爆破而言，周邊眼邊連心線上的應(yīng)力波疊加受到影響。在拱頂、周邊眼之間的裂縫往往沿著結(jié)構(gòu)面形成，因此，容易形成平板狀輪廓。在邊墻部位，周邊眼連心線垂直于夾層面，邊心線上很難形成應(yīng)力疊加，相當于單個炮眼獨自作用。層狀節(jié)理對爆破的影響可歸納為應(yīng)力集中作用、應(yīng)力波的反射增強作用、能量吸收作用、泄能作用、楔入作用和改變破裂線等作用，軟弱夾層使爆破后應(yīng)力波傳播以及衰減規(guī)律發(fā)生變化，同時也影響了爆生氣體對巖石破碎作用。因此，爆破產(chǎn)生的能量得不到預(yù)期的組織與分配而在炮眼周圍以及夾層中大盤消耗，造成爆破后難以形成設(shè)計要求的拱形輪廓，大塊率高，超欠挖現(xiàn)象嚴重[2]。 　　4 聚能水壓爆破技術(shù)基本原理
　　已有研究表明[3]，聚能爆破的炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波通過聚能管的聚能槽，將炸藥的動能和勢能轉(zhuǎn)換成高壓、高速、高能的射流，切割巖石成縫，形成1～2cm深縫。射流在孔壁產(chǎn)生射流壓力達7000MPa，巖石動載抗壓強度為200MPa，抗拉強度與抗壓強度之比為1/8～1/10，相鄰兩炮孔間互為臨空面，疊加后的壓縮波變?yōu)橄∈璨?，在兩炮孔連線上使巖石分子結(jié)構(gòu)斷裂，形成裂紋。準靜態(tài)氣體膨脹，靜態(tài)壓力在兩孔最短邊線兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使巖石裂縫進一步擴展。根據(jù)爆破應(yīng)力集中“氣刃”作用原則，爆破氣體沿裂縫并進一步擴大貫通，拋落巖石。
　　通過上述爆破理論總結(jié)發(fā)現(xiàn)，為提高水平軟弱巖層的爆破效果，從爆破理論方面，我們可以從以下兩個方面來努力：一是，減少爆生氣體的“氣楔效應(yīng)”對洞身徑向方向影響，減少對基層的破壞程度，從而降低爆破后自然掉塊，特別是拱部平板掉塊超挖;二是，在不增加炸藥單耗的前提下，盡可能讓應(yīng)力波和爆生氣體能量沿輪廓線有效傳播，降低結(jié)構(gòu)面對能量的衰減作用。綜合考慮聚能水壓爆破理論上能夠起到上述作用。故在鳳凰隧道DK180+960～995段進行試驗對比研究，DK180+860～960段采用傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)，兩段均為IV級圍巖，巖性一致。
　　5 爆破試驗方案
　　影響光面爆破效果的因素有很多，主要有鉆眼精度、裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量、隧道斷面大小、地質(zhì)條件、測量放線精度、施工管理等方面，該試驗為排除其他因素的影響，選取鳳凰隧道進口作試驗點，其優(yōu)勢主要有以下幾方面：一是，全電腦三臂臺車可以實現(xiàn)自動定位尋眼鉆眼，可以排除人為因素干擾;二是，同一工點同一工法可以排除管理和工法差異上的干擾。
　　5.1 爆破設(shè)計
　　聚能水壓爆破與傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)最大的區(qū)別是周邊眼間距和周邊眼裝藥量，具體如表1和圖1所示。
　　從上述對比來看，聚能水壓爆破雖然增加了單孔裝藥量，但總體裝藥量小于傳統(tǒng)光面爆破技術(shù)裝藥量。
　　5.2 聚能管裝置的組裝方法
　　聚能管裝置中的傳爆線和起爆雷管為施工通用的起爆器材，起爆雷管段別與常規(guī)光面爆破相同。往半壁管注藥需要注藥槍和空壓機設(shè)備，注藥槍長45cm，重0.8kg。小型空壓機功率800W，重23kg。往半壁管注藥步驟：第一步，把藥卷一端和沿藥卷縱向把包裝皮切開，然后將藥卷沿縱向切開面合并并裝入注藥槍筒中，最后擰緊旋轉(zhuǎn)蓋;第二步，給注藥槍加壓，其壓力為0～2個大氣壓;第三步，手握注藥槍沿半壁管從頭注入，炸藥就從槍口不斷流入半壁管中。注好炸藥的2個半壁管相扣之前在其中1片半壁管中放置1根傳爆線，然后合并裝在一起，裝上起爆雷管。為保障聚能管裝置中的聚能槽對準隧道輪廓面以防止轉(zhuǎn)動，聚能管裝置的兩端套上塑料套圏，這樣聚能管才完全組裝好。要特別指出的是，為了安全，在聚能管裝置組裝房內(nèi)最好不要安裝起爆雷管，待運到掌子面時再安裝，整個裝藥過程2個工人作業(yè)時長約1h。注意聚能管的長度可以根據(jù)進尺定制。
　　5.3 裝藥結(jié)構(gòu)
　　裝藥之前，把加工好的聚能管運至施工掌子面，并準備絕緣膠帶、孔內(nèi)定位棉、夾條等輔助材料。裝填的步驟：第一步，往炮孔最底部填裝1個水袋，水袋必須裝到炮孔底部，不能留有空隙;第二步，裝聚能管裝置，聚能管長約2.2m，約為炮孔深度的70%，聚能管要緊挨著炮孔最底部水袋，聚能槽方向?qū)氏噜徟诳字行?，不可弄錯;第三步，裝填2袋水袋;第四步，用專業(yè)設(shè)備加的炮泥回填到炮孔口，用木質(zhì)炮棍搗固堅實，起到填塞的作用。所有炮孔填過后，像常規(guī)光面爆破起爆。