收稿日期：2024-01-05

作者簡介：郝慶高（1986—），本科，工程師，研究方向：工程施工技術(shù)。

摘要 超大跨度隧道斷面尺寸大，掌子面開挖時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對爆破技術(shù)要求較高。為使超大跨度隧道爆破施工更加規(guī)范和安全，文章將以“翔安機(jī)場高速公路巷東隧道”為工程背景，對Ⅲ級圍巖段大跨度隧道的三臺階+上臺階CD工法爆破作業(yè)進(jìn)行研究。采取連續(xù)裝藥、間隔裝藥結(jié)構(gòu)及不耦合裝藥三種裝藥結(jié)構(gòu)，建立三臺階+上臺階CD工法典型斷面的平面應(yīng)變模型并對數(shù)值模型進(jìn)行簡化，分析左上、右上臺階先后多次爆破對圍巖振動速度和損傷的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞 巷東隧道；超大斷面；三臺階+上臺階CD；施工技術(shù)

中圖分類號 U455文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0132-03

0 引言

以超大跨度隧道三臺階+上臺階CD爆破施工為背景，提出相應(yīng)的爆破施工思路、方案及解決辦法，最終得到合理的裝藥結(jié)構(gòu)、炮眼間距及最終效果，可以為施工人員開展大跨度隧道三臺階+上臺階爆破施工提供相應(yīng)的指導(dǎo)幫助。

1 工程概況

巷東隧道左洞Z2K5+980～963段，原設(shè)計為Ⅴ級淺埋段，設(shè)計推薦工法為雙側(cè)壁工法。建模驗算可行后，現(xiàn)將開挖工法變更為三臺階+上臺階CD法。地層巖性主要由粉質(zhì)黏土、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖組成，該區(qū)段隧道圍巖級別屬Ⅲ級。大跨度扁平隧道的爆破掘進(jìn)施工具有受力復(fù)雜、施工難度大、施工風(fēng)險大等特點。因此，該爆破工程采用微震爆破和光面爆破等控制技術(shù)。

2 爆破設(shè)計及效果分析

2.1 施工方案

三臺階+上臺階CD施工順序如圖1所示：①上臺階左導(dǎo)坑超前支護(hù)。②上臺階左導(dǎo)坑開挖，上臺階左導(dǎo)坑初期支護(hù)及臨時支護(hù)（每次開挖循環(huán)進(jìn)尺均控制在60 cm）。③中臺階左導(dǎo)坑開挖，中臺階左導(dǎo)坑初期支護(hù)（每次開挖循環(huán)進(jìn)尺均控制在60 cm，上下臺階掌子面間距小于18 m）。④上臺階右導(dǎo)坑開挖，上臺階右導(dǎo)坑初期支護(hù)。⑤中臺階右導(dǎo)坑開挖，中臺階右導(dǎo)坑初期支護(hù)。⑥下臺階左導(dǎo)坑開挖，下臺階左導(dǎo)坑初期支護(hù)。⑦下臺階右導(dǎo)坑開挖，下臺階右導(dǎo)坑初期支護(hù)。⑧拆除臨時支護(hù)[1-2]。

隧道開挖采用鉆爆法，以新奧法理論指導(dǎo)施工，光面爆破，炸藥選用2號巖石硝銨炸藥和乳化炸藥（用于涌水地段），其規(guī)格為Φ25×200 mm（用于周邊眼），Φ32×200 mm兩種[3]。

圖1 巷東隧道Ⅲ級圍巖

三臺階+上臺階CD法支護(hù)設(shè)計圖（cm）

2.2 爆破模型

采用Plaxis2D建立四孔爆破模型，對爆破動力參數(shù)和周邊孔間距進(jìn)行研究。假定隧道圍巖為單一均質(zhì)連續(xù)Ⅲ級圍巖，采用理想彈塑性本構(gòu)模型摩爾-庫倫模型，可記錄爆破過程中圍巖超過破壞壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的狀態(tài)。具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)地勘報告抗壓強(qiáng)度85.55 MPa，假定圍巖黏聚力47.75 MPa，取抗拉強(qiáng)度的10%為抗拉強(qiáng)度。

通過模擬分析，周邊孔間距600 mm為最優(yōu)間距方案。

2.3 爆破設(shè)計

2.3.1 孔網(wǎng)參數(shù)的選擇

炮孔直徑取D=38～42 mm，設(shè)計進(jìn)尺1 m，具體根據(jù)試爆和實際情況進(jìn)行調(diào)整。孔排距如表2所示。炮孔數(shù)目公式：

N=3.3（ fS2）1/3 （1）

則每一掘進(jìn)循環(huán)炮孔數(shù)目：

N=3.3×（16×251.382）1/3=331（個）

考慮光面爆破和多鉆孔、少裝藥的施工方法，每一掘進(jìn)循環(huán)炮孔數(shù)適當(dāng)增加，具體數(shù)字根據(jù)試爆和現(xiàn)場情況確定。設(shè)計選用中心掏槽、周邊輔助的方式進(jìn)行爆破施工，分6個區(qū)域交叉掘進(jìn)爆破施工，炮孔深度L=1.2 m。掏槽區(qū)域選用二級復(fù)式楔形掏槽孔。掏槽孔設(shè)計圖，炮孔布置如圖2所示。

表2 孔排距參數(shù)設(shè)計表

炮孔 孔排距

掏槽孔 排距b/cm 30～40 cm

孔距a/cm 80～90 cm

擴(kuò)槽孔 孔距a/cm 70～80 cm

輔助孔 排距b/cm 70～80 cm

孔距a/cm 80～90 cm

周邊孔 孔距a/cm 50～60 cm

底板孔 孔距a/cm 70～80 cm

圖2 三臺階+上臺階CD法分部開挖法炮孔布置示意圖

2.3.2 裝藥量設(shè)計

根據(jù)掘進(jìn)斷面方式分為6個區(qū)，其中上左和上右區(qū)域獨立掏槽掘進(jìn)，剩余4個區(qū)中下臺階爆破不設(shè)掏槽區(qū)，平均炸藥單耗取q=0.8～1.2 kg/m3。

隧道掘進(jìn)每循環(huán)進(jìn)尺所需用總藥量計算公式為：

Q=q·S·L·η （2）

隧道爆破裝藥量需根據(jù)不同部位炮孔所起的不同作用進(jìn)行合理分配，其各部位的裝藥量如表3所示。該處設(shè)計值僅作為爆破參考值，施工中需結(jié)合試爆和實際情況適當(dāng)調(diào)整各炮孔單孔裝藥量和總裝藥量。

表3 爆破炮眼分布及藥量分配表

部位 雷管

段別 炮孔

名稱 炮孔數(shù)/

個 炮孔

長度/m 裝藥

系數(shù) 單孔

藥量/kg 單段

藥量/kg

上左 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 擴(kuò)槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 輔助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

8 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

9 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

10 輔助孔 4 1.2 0.4 0.48 1.92

11 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

12 輔助孔 7 1.2 0.4 0.48 3.36

13 輔助孔 2 1.2 0.4 0.48 0.96

14 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

15 周邊孔 22 1.2 0.3 0.36 7.92

16 底板孔 14 1.2 0.6 0.72 10.08

小計 — 115 — — — 60.18

上右 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 擴(kuò)槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 輔助孔 3 1.2 0.4 0.48 1.44

8 輔助孔 12 1.2 0.4 0.48 5.76

9 輔助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

10 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

11 輔助孔 13 1.2 0.4 0.48 6.24

12 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

13 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

14 周邊孔 26 1.2 0.3 0.36 9.36

13 底板孔 15 1.2 0.6 0.72 10.8

小計 — 127 — — — 65.7

注：①以上爆破參數(shù)須根據(jù)試爆和現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳爆破效果。②若單段藥量大于安全振速允許的最大單響藥量，可增加雷管段位，降低最大單響藥量。③爆破過程中需根據(jù)監(jiān)測的爆破振動數(shù)據(jù)調(diào)整施工方案，振動速度過大，需采取措施減振。

2.4 圍巖爆破影響

2.4.1 模擬分析

建立三臺階+上臺階CD工法典型斷面的平面應(yīng)變模型并對數(shù)值模型進(jìn)行簡化，分析左上、右上臺階先后多次爆破對圍巖的振動速度和損傷的影響規(guī)律。假定隧道圍巖為單一均質(zhì)連續(xù)Ⅲ級圍巖，采用理想彈塑性本構(gòu)模型摩爾-庫倫模型，可記錄爆破過程中圍巖超過破壞壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的狀態(tài)。

爆破設(shè)計起爆順序依次分為掏槽孔、擴(kuò)槽孔、輔助孔、周邊孔；數(shù)值模型中依照起爆順序進(jìn)行動力荷載的激活。根據(jù)爆破振動波頻率特點和前期爆破施工經(jīng)驗，淺孔爆破時各段延期時間隔為10～50 ms，數(shù)值模型中取10 ms，具體各段爆破過程幾何模型。

爆破動力荷載引起圍巖壓力和拉力的大幅增大，圍巖在壓力作用下發(fā)生局部破壞，輔助眼引起的破壞區(qū)厚度約為0.4 m，周邊眼藥量較小，厚度約為0.15 m，控制藥量可以顯著控制超挖范圍。拉應(yīng)力引起的圍巖松動，上臺階拱部松動圈范圍約為隧道洞壁外4 m內(nèi)；上臺階底部松動圈范圍約為下方4.5 m內(nèi)。

2.4.2 監(jiān)測結(jié)果

（1）沉降和收斂。為了取得三臺階+上臺階CD爆破施工影響情況，分別在隧道間隔5 m/斷面，每個斷面拱頂、兩側(cè)拱腰、下臺階及中隔墻處共布置8個點。

施工周期內(nèi)，采集拱頂沉降量、凈空收斂數(shù)據(jù)，分析得到沉降速率和收斂情況，如圖3～4所示。

數(shù)據(jù)表明，施工周期內(nèi)拱頂沉降量、沉降速率、凈空收斂監(jiān)測累計變化值和變化速率均在控制范圍內(nèi)，無明顯異常，采用三臺階+上臺階CD爆破開挖代替雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖對圍巖穩(wěn)定基本上無影響，方案可行。

（2）爆破振動和圍巖應(yīng)力。為了分析松動圈邊緣受爆破荷載影響規(guī)律，設(shè)置拱部外側(cè)距離隧道邊界4 m位置左、右兩個測點。

爆破振動影響呈現(xiàn)類圓形傳播。在2.5 ms時，沖擊波到距離洞壁6.44 m的圍巖處，振動速度極值大部分處于14～25 m/s范圍之間。右上臺階圍巖受到已開挖的左上臺階的臨空條件影響，振動速度極值顯著小于左上臺階。

爆破動力荷載引起圍巖壓力和拉力的大幅增大，圍巖在壓力作用下發(fā)生局部破壞，輔助眼引起的破壞區(qū)厚度約為0.4 m，周邊眼藥量較小，厚度約為0.15 m，可見控制藥量可以顯著控制超挖范圍。拉應(yīng)力引起的圍巖松動，上臺階拱部松動圈約為隧道洞壁外4 m范圍內(nèi)。

拱部松動圈邊緣監(jiān)測點第一主應(yīng)力19.7 MPa遠(yuǎn)小于圍巖抗壓強(qiáng)度，處于安全范圍；第三主應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度8.55 MPa，因此，洞壁外4 m范圍易于松動，可判定為松動圈，應(yīng)進(jìn)行錨桿加固。

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)，實際采用三臺階+上臺階CD爆破開挖所測得數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本相符。

3 結(jié)語

該設(shè)計采取連續(xù)裝藥、間隔裝藥結(jié)構(gòu)及不耦合裝藥三種裝藥結(jié)構(gòu)，淺孔大于3.5 m可采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，上下裝藥比例為1∶3，間隔段用黃土或鉆粉堵塞密實；光面爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

三維模型左上臺階爆破時，在隧道橫斷面方向上獲得破壞區(qū)、松動區(qū)與斷面模型基本一致；在隧道前、后方向上，均未形成明顯受壓破壞區(qū)；左上臺階掌子面前方2 m范圍為松動區(qū)，右上臺階受到左上臺階爆破作用下，前方1 m范圍也出現(xiàn)部分區(qū)域拉伸塑性點。應(yīng)注意合理設(shè)計左、右臺階步距，建議不小于5 m。

周邊孔間距600 mm為最優(yōu)間距方案。因為，間距500 mm和間距600 mm爆破作用下，均可以達(dá)到爆破要求（豎向破壞區(qū)貫通），水平破壞區(qū)范圍均為215 mm。間距700 mm無法達(dá)到破壞要求，通過增加藥量才可以達(dá)到破壞要求，但水平破壞區(qū)范圍增加到351 mm，容易造成超挖。

參考文獻(xiàn)

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