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黑石嶺公路隧道巖爆防治關(guān)鍵技術(shù)

2014-11-20 05:55翟玉華
交通運(yùn)輸研究 2014年11期
關(guān)鍵詞:巖爆掌子面巖石

翟玉華

(張石高速公路張家口管理處,河北 張家口 075100)

0 引言

巖爆是地下工程開挖過程中常見的動力破壞現(xiàn)象,是在高地應(yīng)力條件下,硬脆性圍巖因開挖卸載導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異,儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放,而產(chǎn)生爆破松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力破壞地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

黑石嶺隧道地處張家口蔚縣、保定淶源縣的交界處,隧道分左、右線,左線長3 720m,右線長3 870m。隧道左、右線在Ⅲ級圍巖開挖施工過程中,在LK73+630~LK73+755和RK73+610~RK73+739區(qū)間時常發(fā)生巖爆。巖爆發(fā)生部位均在拱頂6m的局部范圍內(nèi)。巖爆發(fā)生時,有爆裂聲,并伴隨著巖塊的墜落,爆落的巖塊呈板狀、片狀及碎屑狀,板狀巖塊尺寸較大,厚達(dá)幾十厘米,嚴(yán)重處甚至達(dá)1.0m左右,由此形成的巖爆坑橫斷面形狀呈“A”字形或鍋底形,邊緣多呈階梯狀,爆落的巖石曾砸壞挖掘機(jī)和鉆孔臺車,嚴(yán)重威脅到施工人員安全,影響施工進(jìn)度。

結(jié)合現(xiàn)場巖爆特點(diǎn),本文提出在隧道掘進(jìn)過程中采用沿掌子面上邊線密集打孔爆破技術(shù)、圍巖加固的自鎖錨桿技術(shù)、分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)等巖爆發(fā)生綜合控制技術(shù)。監(jiān)測表明,在隧道開挖過程中,其成功地遏制了巖爆頻繁發(fā)生的施工難題。

1 隧道爆破卸壓作用機(jī)理

爆破卸壓是通過爆炸作用弱化圍巖的結(jié)構(gòu),使設(shè)計部位小部分巖體的剛度降低。爆破影響范圍內(nèi),巖體變?yōu)槿醯膫髁橘|(zhì),變形加大,能量釋放,使整個圍巖內(nèi)的能量分布狀態(tài)重新調(diào)整,支撐壓力峰值向深部轉(zhuǎn)移,應(yīng)力場得到改善,從而達(dá)到防止巖爆的目的[4-6]。

當(dāng)在隧道掌子面布置多個水平炮孔實(shí)施爆破卸壓時,所產(chǎn)生的爆炸動應(yīng)力與靜態(tài)地層應(yīng)力之間的關(guān)系如圖1(a)所示,其A-A視圖為爆破后形成的卸壓區(qū)(如圖1(b)所示。對于單個炮孔來講,當(dāng)裝藥在隧道巖體內(nèi)部爆炸時,將形成以爆點(diǎn)為中心的由近及遠(yuǎn)的壓縮區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動區(qū),如圖1(c)所示。

圖1 爆破卸壓結(jié)構(gòu)與參數(shù)圖

1.1 壓縮區(qū)

裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用到炮孔壁上,從而使周圍巖石被壓縮成致密、堅固的硬殼。同時爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫、高壓氣體的絕熱膨脹作用會在巖體中形成空腔。爆擴(kuò)空腔的最終半徑R1(見圖1(b))為:

式中:rb為炮孔半徑;P0為膨脹開始時的爆生氣體壓力,耦合裝藥時 P0=0.5ρ0D2/(1+λ),其中 ρ0為裝藥密度,D為炸藥的爆速;λ為側(cè)向壓力系數(shù),λ=,在工程爆破加載范圍內(nèi),μ=0.8μ0,μ0為巖石的靜態(tài)泊松比;Pk為爆生氣體等熵絕熱膨脹時的臨界壓力;Ps為爆擴(kuò)過程中的圍巖壓力,Ps=Patm+σs+γmW,Patm為大氣壓力,σs=為多向應(yīng)力條件下巖石極限抗壓強(qiáng)度(ρm為巖石密度);CP為巖石中的聲速;γm為巖石的重度;W為抵抗線。

1.2 破裂區(qū)

沖擊波通過壓縮區(qū)后,向外層巖石傳播,衰減為應(yīng)力波,其強(qiáng)度已低于巖石的動態(tài)抗壓強(qiáng)度。此時,壓縮區(qū)外層的巖石因遭到強(qiáng)烈的徑向壓縮而產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和切向拉伸應(yīng)變,形成徑向裂隙。裂隙區(qū)半徑R2(見圖1(b))為:

式中:α、β分別為沖擊波壓力和應(yīng)力波壓力衰減指數(shù),α=3,或 α=2+,β=2-;σcd、σ1d分別為巖石的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度和單軸動態(tài)抗拉強(qiáng)度;A為與巖石性質(zhì)有關(guān)的常數(shù),Pd為耦合裝藥時柱狀藥包爆炸后投射入孔壁巖石的沖擊波初始壓力,其算式為:

式中:γ為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù),一般取γ=3。

1.3 彈性振動區(qū)

裂隙區(qū)以外的巖體中,因應(yīng)力波引起的應(yīng)力狀態(tài)和爆生氣體建立的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)做彈性振動,從而形成彈性振動區(qū)。

從爆破卸壓作用過程可知,爆擴(kuò)空腔和裂隙區(qū),形成深度為R、長度為實(shí)施爆破段隧道長度的卸壓區(qū)域,使高地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到距隧道斷面更遠(yuǎn)的圍巖深部(見圖1(b))。由圖1(b)和圖1(c)可知,卸壓區(qū)的深度為R=H+R2,H為炮孔深度。

2 爆破卸壓方案與參數(shù)確定

黑石嶺隧道在巖爆發(fā)生段預(yù)先采用了常規(guī)的卸壓孔設(shè)計方案,即將卸壓孔布置在掌子面范圍內(nèi),但現(xiàn)場開挖后仍有巖爆發(fā)生,可見采用常規(guī)的卸壓孔設(shè)計方案不能達(dá)到卸壓效果。為此,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,對常規(guī)卸壓孔設(shè)計方案進(jìn)行了改進(jìn),即在掌子面邊緣外側(cè)以一定角度布設(shè)卸壓孔,同時為了更好地改善掌子面應(yīng)力狀態(tài),在掌子面底部中間位置布設(shè)楔形掏槽孔。

2.1 爆破卸壓孔設(shè)計參數(shù)的確定

爆破卸壓孔設(shè)計參數(shù)主要由壓縮區(qū)和破裂區(qū)半徑控制,因此根據(jù)隧道爆破卸壓機(jī)理,結(jié)合黑石嶺隧道實(shí)際情況選取壓縮區(qū)和破裂區(qū)所需基礎(chǔ)參數(shù),如表1所示。

將表1所列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入式(1)~式(3),計算得出壓縮區(qū)半徑為8.3cm,破裂區(qū)半徑為38cm。

結(jié)合爆破卸壓影響因素分析,最終確定爆破卸壓方案參數(shù)為:卸壓孔直徑8cm,長10.7m,間距1m;掏槽孔直徑4.2cm,長3m。

2.2 爆破卸壓設(shè)計方案

2.2.1 爆破卸壓孔設(shè)計

黑石嶺隧道巖爆高發(fā)區(qū)段爆破進(jìn)尺為3m,為保證掌子面掘進(jìn)方向始終保持不小于5m的爆破卸壓區(qū),設(shè)計取10m,卸壓孔在掌子面邊緣外側(cè)以20°角度布設(shè),因此卸壓孔長10.7m。設(shè)計參數(shù)如圖2所示。

圖2 卸壓孔設(shè)計圖(單位:cm)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,巖爆高發(fā)區(qū)域位于掌子面拱腰和側(cè)墻處。因此,根據(jù)前文巖爆預(yù)測位置和區(qū)域,在兩側(cè)拱腰各布置5個卸壓孔,兩側(cè)墻各布置3個卸壓孔,孔間距1m。在距掌子面底部1m處布設(shè)6個掏槽孔。設(shè)計參數(shù)如圖3所示,圖中1、2、3為微差起爆順序。

圖3 爆破卸壓設(shè)計圖(單位:cm)

2.2.2 掏槽孔設(shè)計

掏槽眼采用垂直楔形掏槽方式,每對掏槽眼頂部間距為220cm,底部間距為20cm,掏槽眼與工作面的交角為70°,設(shè)計參數(shù)如圖4所示。

圖4 爆破卸壓設(shè)計圖(單位:cm)

2.2.3 裝藥量與起爆順序

(1)裝藥量

掏槽眼每孔裝藥5卷(水膠炸藥,藥卷直徑為35mm,每卷0.5kg,長0.4m),封泥長度1.0m。卸壓孔每孔裝藥量為36捆,每捆2卷(水膠炸藥,藥卷直徑為35mm,每卷0.5kg,長0.4m),封泥長度3.5m。

(2)起爆順序

起爆順序如上圖3所示,微差起爆數(shù)序為:掏槽眼1→兩側(cè)墻卸壓孔2→兩拱腰卸壓孔3。

(3)起爆方式

掏槽眼采用正向起爆方式,卸壓孔采用反向起爆方式。

3 爆破卸壓負(fù)面效果分析與措施研究

3.1 負(fù)面效果分析

卸壓孔在充分改善圍巖應(yīng)力的同時,弱化了圍巖。這雖然有效地控制了巖爆的發(fā)生,但隨著掌子面的開挖,必將影響到圍巖的穩(wěn)定性,帶來負(fù)面效果,如圖5所示。

圖5 爆破卸壓負(fù)面效果圖

3.2 控制措施研究

破裂區(qū)圍巖因爆破作用造成裂隙發(fā)育,提高其圍巖強(qiáng)度最有效地控制措施是壓力注漿。因此,現(xiàn)場爆破卸壓后,在巖石碎裂區(qū)域重新打孔埋設(shè)注漿管,進(jìn)行壓力注漿。此措施有效地控制了爆破卸壓帶來的負(fù)面效果。

4 隧道巖爆支護(hù)控制措施研究

4.1 支護(hù)方式

由于硬脆性巖體破壞前總變形量不大,為使較大范圍內(nèi)圍巖的能量得以釋放,需允許圍巖發(fā)生一定程度的損傷。支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用是使圍巖在控制的條件下逐步破壞,使其產(chǎn)生一定的塑性變形,從而消耗掉部分能量,進(jìn)而降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險性,達(dá)到“以柔克剛”的目的。以錨桿、噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)為主的柔性支護(hù)系統(tǒng)是控制巖爆破壞最合適的支護(hù)類型。

4.2 支護(hù)參數(shù)選擇

當(dāng)圍巖發(fā)生巖爆時,圍巖表面位移量很大,為保證在較大位移量下支護(hù)的可靠性,摩擦式錨桿是較好的選擇,其在位移量很大時仍有較大的承載能力。黑石嶺隧道支護(hù)錨桿采用梅花型布置,其長度不宜過長,且應(yīng)當(dāng)大于巖石最大拋出深度。支護(hù)錨桿深度可根據(jù)計算得到的能量釋放率最大處的圍巖深度確定,一般為2.5~4m;縱橫間距密度加大(密錨),一般為0.5m×1.5m~1.5m×2.0m,隨著巖爆烈度的增加,縱橫間距隨之減小,密錨便于掛網(wǎng),可以防止大塊巖爆巖石剝離掉塊和彈射等現(xiàn)象的發(fā)生,而且便于與噴網(wǎng)形成系統(tǒng)組合,起到充分加固圍巖的作用。

噴射混凝土宜采用可明顯提高噴層的抗拉和抗剪強(qiáng)度5~15cm厚的C30強(qiáng)度等級混凝土,也可采用柔性大且能承受較大變形而不使表面開裂的材料,如塑料纖維混凝土,泡沫混凝土、鋼纖維混凝土、納米材料混凝土等,其在巖爆的沖擊載荷作用下仍能承受一定的外力。

鋼筋網(wǎng)在打完系統(tǒng)錨桿后應(yīng)立即安設(shè),直徑為6~8mm,間距為20cm×20cm,盡量用掛“整體網(wǎng)”的方法,緊貼周圍巖石布置。這種方法有助于噴、錨、網(wǎng)形成渾然一體的整體組合作用,相輔相成,進(jìn)而起到防止巖爆或降低巖爆發(fā)生的作用。

5 黑石嶺隧道巖爆防治措施工程實(shí)踐

張承高速公路黑石嶺隧道開挖采用從南北兩端向中部同時掘進(jìn)的方式。隧道的巖爆主要發(fā)生在整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)等巖體中,以片狀或塊狀剝落為主,局部伴有少量彈射。當(dāng)埋深較大或受到隧道淺表生作用時,巖爆發(fā)生的部位主要分布在開挖掌子面和隧道拱墻及拱腰處;巖爆發(fā)生的活躍期通常在掘進(jìn)后的幾小時內(nèi),距掌子面1~2倍洞徑范圍內(nèi);隨著掌子面的推進(jìn),巖爆的持續(xù)期一般在24h內(nèi),巖爆波及深度大小不一,大多數(shù)為5~30cm,規(guī)模較大的巖爆坑最深可達(dá)70~150cm。

為減小和抑制巖爆發(fā)生的頻率和強(qiáng)度,經(jīng)研究,采用在掌子面處打12個爆破卸壓孔進(jìn)行爆破卸壓的防治措施。此措施有效地消除或減輕了掌子面巖爆烈度;在開挖爆破后,及時采用噴射混凝土封閉圍巖,也在一定程度上抑制了開挖后圍巖巖爆的范圍;對一些發(fā)生過較大規(guī)模巖爆的部位采用掛“整體網(wǎng)”的措施,有效地防止了巖爆的進(jìn)一步擴(kuò)大。實(shí)踐證明,防治措施已有效控制了黑石嶺隧道的巖爆,避免和減小了巖爆對現(xiàn)場人員和機(jī)械安全的威脅。

6 結(jié)論

綜合以上分析,可得出如下結(jié)論:

(1)結(jié)合黑石嶺隧道實(shí)際情況,改進(jìn)了爆破卸壓方案設(shè)計,即在掌子面邊緣外側(cè)以一定角度布設(shè)卸壓孔,同時為更好地改善掌子面應(yīng)力狀態(tài),在掌子面底部中間位置布設(shè)楔形掏槽孔;

(2)對于爆破卸壓帶來的負(fù)面效應(yīng),現(xiàn)場爆破卸壓后在巖石碎裂區(qū)域重新打孔埋設(shè)注漿管,進(jìn)行壓力注漿,有效地控制了爆破卸壓帶來的負(fù)面效果;

(3)防治方案實(shí)施現(xiàn)場表明,黑石嶺隧道巖爆防治措施有效控制了隧道的巖爆發(fā)生,避免和減小了巖爆對現(xiàn)場人員和機(jī)械安全的威脅。

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