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4光面爆破施工工艺工法
光面爆破施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-SD-0304-2011
第五工程有限公司张雷
1前言
1.1工艺工法概况
光面爆破是1950年发源于瑞典,1952年在加拿大首次应用,现已被规定为隧道掘进工程中的标准方法。
隧道施工采用光面爆破能使围岩周边形成平滑圆顺的表面,可以有效控制周边超欠挖,减少围岩扰动,减少支护工程量。
同普通爆破相比,光面爆破能取得巨大经济效益、安全效益和其它综合效益。
光面爆破的优点是明显的,但光爆效果随着地质条件的不同差异很大,参数选择也必须根据地质的不同而采用不同的参数。
要取得理想的爆破效果,必须了解光爆的作用原理,通过实践形成成熟的施工工艺。
我们通过多年隧道施工经验,结合地质条件、钻孔设备、设计要求,多次调整施工参数和工艺,不断摸索、完善,经总结形成本工法。
1.2工艺原理
光面爆破是控制开挖轮廓的一种爆破技术,它沿开挖轮廓周边布孔,利用主炮孔爆破后形成的良好临空面,在光爆层中起爆,借以减少光爆孔爆破的夹制作用,降低炸药单耗,减少一次起爆药量,使其获得平滑的开挖廓面,减轻围岩的破坏,减小超欠挖和避免产生冒顶和坍塌。
2工艺工法特点
2.1与普通爆破相比,光爆周边眼钻眼、装药技术要求较高;
2.2根据不同的围岩类别,可进行施工参数调整,适用范围广;
2.3隧道轮廓表面光滑、平顺,对围岩扰动少,增加施工安全,减少成本,增加经济效益;
2.4工艺简单,易于掌握。
3适用范围
本工法适用软岩、硬岩等地质条件下的铁路、公路、水工等隧道或隧洞。
4主要引用标准
《铁路隧道施工规范》TB10204;《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417;《铁路工程施工安全技术规程》TB10304;铁路工程施工技术手册《隧道》;《隧道爆破现代技术》。
5施工方法
光面爆破是一种根据不同断面、不同岩性,采用合理的钻爆设计,包括所采用的掏槽技术、光爆参数、炸药选择、装药结构等,正确的爆破参数和合理的施工方法,达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计要求的一种控制爆破施工方法。
6施工工艺及操作要点
6.1施工工艺流程图
图1隧道光面爆破工艺流程
6.2操作要点
6.2.1爆破设计
首先应该查阅工程图纸及资料,如隧道地质纵断面图,隧道施工设计文件,施工机具及爆破材料。
而后根据现场条件,施工要求综合考虑,进行爆破设计。
光面爆破循环进尺控制:
一般来说,Ⅴ级围岩循环进尺控制在0.8~1.0m;Ⅳ级围岩循环进尺控制在1.5~2.0m;Ⅱ、Ⅲ级围岩炮眼深度以不超过4.0m为宜,手持风钻不宜超过3.5m。
隧道炮眼一般分:
掏槽眼、掘进眼、周边眼。
1掏槽眼设计
掏槽眼方式一般分为直眼掏槽和斜眼掏槽两种。
掏槽方式的选定需按开挖断面的几何尺寸、地质条件、设备情况、钻眼爆破水平和对开挖的技术要求等方面进行考虑。
(1)斜眼掏槽适用于人工风钻打眼、开挖断面较大的隧道;打眼深度受断面宽度或高度限制;循环进尺变更时,炮眼角度更改复杂;水平楔形掏槽打眼困难。
目前隧道施工基本均采用手持凿岩机打孔,斜眼掏槽。
(2)直眼掏槽适用于凿岩台车作业、开挖断面较小、坚硬整体岩层;打眼深度不受断面限制;钻眼精度要求高;循环进尺变更时,只需增减炮眼深度,容易掌握;不用大直径空眼时,掏槽眼数目较多;打大直径空眼需用重型凿岩机;炮眼间距近容易发生殉爆和拒爆;要求雷管段数多,最好用毫秒雷管并按正确起爆顺序起爆。
直眼掏槽是借助于不装药空孔作为临空面,掏槽各装药孔向空孔按一定起爆顺序爆破而逐渐形成槽腔,其后掘进孔再向槽腔按一定顺序爆破。
直眼掏槽一般可分:
一字型、四眼三角形、六眼三角形、单空眼菱形、双空眼菱形、四空眼十字形、九眼中空对称形、大直径空眼形。
表1直眼掏槽形式和参数
参数
形式
掏槽眼间距(mm)
装药量
起爆顺序
a
b
c
①一字型
150
300
400
0.8L
1#~3#一段
4#~5#二段
6#~9#三段
②四眼三角形
E=2.5d
1#~3#一段
③六眼三角形
E=2.0d
1#~3#一段
④单空眼菱形
100~150
170~200
0.7~0.8L
1#~2#一段
3#~4#二段
⑤双空眼菱形
100~150
170~150
0.7~0.8L
1#2#一段
3#4#二段
⑥四眼孔眼十字形
160~200
250~300
0.7~0.8L
1#一段
2#~5#二段
⑦九眼中空对称形
200
350~400
1#~4#一段
5#~8#二段
⑧中空眼为φ100~200mm,或用二个φ50~60mm联成“8”字形的重叠眼孔,掏槽眼与孔眼间距一般为100~400mm
注:
d---炮眼直径;L---炮眼深度;药卷直径d=φ25mm
图2直眼掏槽各种形式
斜眼掏槽又分垂直楔形掏槽、水平楔形掏槽、爬眼等形式,工程常用水平楔形掏槽。
水平楔形掏槽通常是利用多对斜向炮孔同时对称爆破而形成楔形临空面,之后各孔向该临空面爆破。
如果爆破进尺要求较大时,在断面尺寸允许的情况下,可以采用多重楔形掏槽。
楔形掏槽参数与炮眼夹角、间距及掏槽的对数相关,可参考下表2。
表2楔形掏槽参数表
围岩级别
掏槽眼对数
掏槽眼间距(m)
炮眼夹角(°)
炮眼底间距(cm)
线装药量(kg/m)
Ⅳ、Ⅴ
2~3
0.5~0.7
>50
30
0.25~0.35
Ⅱ、Ⅲ
3~5
0.3~0.5
≥60
20
0.35~0.55
2掘进孔设计
Ⅱ、Ⅲ级围岩的掘进眼间距通常控制在a=0.6~1.0m,岩石爆破移动方向间距不大于0.8m;垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.2m,通常在0.8~1.2m取值。
Ⅳ、Ⅴ级围岩的掘进眼间距通常控制在a=0.8~1.2m,岩石爆破移动方向间距不大于1.0m;垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.2m,通常在1.0~1.2m取值。
3周边孔设计
一般情况下,周边孔间距E=0.35~0.65,通常中硬眼及以上岩石取45~60cm,软岩35~45cm。
炮眼密集数m=W/E=0.5~1.0,通常按m=0.8取值确定光爆层的厚度,软岩m=0.5~0.7,完整岩石m=0.8。
周边孔的外斜角度不大于3°,且外斜值不大于20cm,计算最小抵抗线要计入该影响值。
表3光面爆破参数表
岩石类别
周边眼间距(cm)
周边眼抵抗线(cm)
相对距离(E/W)
装药集中度(q)(kg/m)
硬岩
55~65
60~60
0.8~1.0
0.20~0.30
中硬岩
45~60
60~75
0.8~1.0
0.10~0.15
软岩
35~45
45~55
0.8~1.0
0.07~0.12
注:
炮眼直径40~50mm。
4装药设计
⑴装药几何参数
1)光面爆破采用不耦合装药,一般不耦合系数为1.5~2.0。
2)药卷几何直径:
常择选φ25、φ32、φ35、φ40四种规格。
3)炮眼直径一般为:
40~50mm
⑵光面爆破单孔装药量:
QK=
×
×β×L×
式中:
Qk---单孔装药量,g
—炸药的密度,g/cm3
β—光面爆破炮眼装填系数,L—炮眼深度,cm
⑶炸药单耗
Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面开挖:
0.8~1.0kg/m3;Ⅳ、Ⅴ级围岩上半断面:
0.6~0.8kg/m3,下半断面或下部开挖0.4~0.5kg/m3。
可爆性好、软岩地段偏小值方向取值,浅埋隧道、难爆、坚硬岩石地段偏大值方向取值。
⑷炮眼数目的确定及总装药量
1)光面爆破炮眼数目:
以总装药量与单个炮眼装药量之比来确定:
N=
式中:
N=炮眼数目,个K=光面爆破单位炸药消耗量,kg/m3
L=炮眼深度,mn=炮眼装药系数
r=炸药的线装药密度,kg/mS=开挖断面积,m2
2)总装药量:
Q=K×L×S式中代号同上
⑸炸药量的分配
炸药量的分配可根据炮眼装药系数进行,当采用直眼掏槽时,掏槽眼可适当增加10%~20%,以保证掏槽效果。
分配完后,按装整卷药或半卷药的档次进行调整,以便于装药施工。
⑹装药结构的设计
周边眼一般采用间隔装药或小药卷连续装药,其余各孔采用等直径药卷进行连续装药。
周边眼装药结构形式见下图:
图3周边眼装药结构图
5起爆网路
隧道爆破开挖经常使用导爆管雷管起爆网络,通常周边眼结合使用导爆索网络。
导爆管雷管网路根据掏槽类型,断面大小,振动要求,常使用多段位的非电雷管。
隧道爆破使用的ms1~25段即可。
网路击发可使用击发枪击发导爆管雷管、导爆索击发导爆管、电雷管击发导爆管,在瓦斯隧道的爆破施工中必须使用电雷管击发网路,严禁使用其他击发方式。
起爆顺序为:
掏槽眼—扩槽眼—掘进眼—内圈眼—周边眼。
6.2.2施工准备
1测量放样
用全站仪放出断面轮廊线,然后标出光面爆破孔位。
2钻孔台架就位
可用钻孔台车,也可使用简易钻孔台架。
钻孔台车速度较快,机械化高。
人工用枪在简易钻孔台架上钻孔经济适用。
两者爆破效果相差不大。
简易钻孔台架主要采用钢管、型钢与紧固件构成,作业平台宽度与高度可根据隧道的开挖尺寸调整,以适应曲墙直墙及不同围岩类别的断面,作业台架上设有供钢管和供水管,并设有分风器与分水器,加工简单,适用。
3光爆药包加工
光爆药包可在场外安全地带加工。
方法为在竹片上每隔一定距离安放光爆药卷,导爆索连接,孔底采用加强药卷。
6.2.3爆破施工技术
1布孔要求
⑴掏槽眼布孔误差不大于±3cm。
⑵其余各孔不大于±5cm。
若遇挂眼困难,炮孔位置可适当调整,但必须保证调整后,相邻各孔间距均匀布置,注意掏槽眼需整体移动,孔间调整范围不得大于其误差值。
2布孔
⑴人工事先应用红油漆将炮眼位置布置在掌子面上,布孔满足精度要求。
⑵按照钻爆设计炮孔位置,输入测点坐标,利用全站仪或其他方式完成自动布孔。
⑶可以采用激光指向仪,控制周边轮廓或中线。
3钻孔要求
钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素满足以下精度要求。
⑴挂眼误差:
掏槽孔,扩槽孔不大于±3cm,其余各孔不大于±5cm。
⑵钻孔不平行误差:
掏槽孔不大于±3cm/m,其余各孔不大于±5cm/m。
⑶各炮孔底部参差误差均不大于炮孔深度的10%。
4装药要求
⑴按设计的装药量装药,当掌子面凹凸不平,其各孔装药量可随炮孔深度变化作相应的调整。
当实际炮孔所处位置有软层或者裂缝通过,应取消该孔装药并适当减少相邻内圈孔的用药量。
⑵炸药装填必须按安全规程操作,不得硬捅,硬捣。
5炮孔堵塞要求
⑴预制炮泥,每条长10~15cm。
⑵各孔堵塞长度周边不小于30cm,其余各孔不小于20cm。
⑶堵塞过程要妥善保护网路。
6网路连接要求
⑴中间连接,击发用雷管一律反向设置且单发击发,每个击发雷管连接导爆管数不多于24根。
⑵塑料导爆管连接过程中不得打死结,弯折,更不能被岩石和其他东西刺破。
⑶网路连接自有下垂不得拉紧。
⑷及所有中间连接雷管宜用击发雷管或者连接元件,严禁使用高段位雷管。
⑸孔内雷管不得错段,具体操作时由班组长分发导爆管雷管并监督完成。
7劳动力组织
表4一个工作面劳力组织表(以断面≤50m2为例)
序号
名称
人数
职责
1
工班长
1
指挥、协调
2
测量班
3
测量断面、布置炮孔
3
钻爆工
24~30
(两班倒)
安装风水管、钻眼、起爆、排险
4
电工
1
施工用电及掌子面排水
5
安全员
1
检查作业过程的安全
6
爆破工程师
1
钻爆设计、施工指导及盲炮处理
本表劳动力组织适用于一个工作面开挖施工,手持风钻钻爆作业在正常情况下,断面小于50m2约12~15人;断面在120m2以下不小于25人。
钻孔装药均由有爆破证的钻工完成。
8设备配置
8.1凿岩机
目前常用为气腿式凿岩机,全断面开挖时,一般按0.2~0.25台/㎡,左右配置数量。
8.2凿岩台架
采用钻孔台车或自加工简易钻孔台架。
表5机具设备表(以断面50㎝为例)
序号
机具名称
规格型号(参考)
数量
备注
1
空压机
4L-20/8
3台
2
钻孔台架
自加工
1台
3
风动凿岩机
YT-28
13台
4
全站仪
徕卡TS02
1台
5
水准仪
DSZ3
1台
8.3凿岩台车
采用凿岩台车钻孔施工,主要机械配置可参考下表。
表6机具设备表
序号
机具名称
规格型号(参考)
数量
备注
1
三臂凿岩台车
21SGBC-CR
1台
2
空压机
4L-20/8
3台
3
全站仪
徕卡TS02
1台
4
水准仪
DSZ3
1台
9质量控制
控制好隧道的光面爆破必须做到以下两点:
一是作好钻爆设计施工方案;二是加强现场管理,严格钻孔工艺。
9.1加强和优化钻爆设计
钻爆施工必须有钻爆设计,在隧道施工期间应边试验边总结,选择合适的钻爆参数,优化钻爆设计,是提高隧道开挖光面爆破的重要环节。
9.2加强现场管理,严格钻爆工艺
9.2.1根据不同的围岩,选择合理的钻爆参数,提高循环进尺,控制隧道超欠挖,严格控制周边轮廓的外插值,误差满足规范要求。
9.2.2加强火工品的管理,控制火工品的质量,应选用同厂同批号近期生产的合格产品,确保隧道爆破效果。
9.2.3建立健全质量安全保证体系,加强现场施工管理,是确保隧道光面爆破的重要环节。
9.3钻孔操作
9.3.1分工合作,定人定岗,确保钻孔爆破效果。
9.3.2成立专门的爆破小组,熟记钻爆参数及炮孔位置尺寸,准确定位各孔位置,分区定人定位钻孔,提高钻孔装药速度。
9.4爆破后效果检查
9.4.1开挖轮廓圆滑,开挖面平整。
9.4.2爆破进尺达到设计要求,爆出的石块块度满足装碴要求。
9.4.3炮眼痕迹保存率〔(残留有痕迹的炮眼数/周边眼总数)×100%〕,硬岩≥80%,中硬岩≥60%,并在开挖轮廓面上均匀分布。
9.4.4隧道施工应严格控制超欠超,允许超挖值见下表:
表7隧道允许超挖值(cm)
围岩级别
开挖部位
Ⅰ
Ⅱ~Ⅳ
Ⅴ、Ⅵ
拱部
平均线性超挖
10
15
10
最大超挖
20
25
15
边墙线性超挖
10
10
10
注:
1、本表适用于炮眼深度不大于3.0的隧道的开挖。
炮眼深度大于3.0m时,可根据实际情况另作规定。
超挖横断面面积
2、平均线性超挖值=
爆破设计开挖断面周长(不包括隧底)
9.4.5隧道开挖应严格控制欠挖,当围岩完整、石质坚硬时,允许岩石个别突出部分侵入衬砌不大于5cm(每1m2不大于0.1m2);拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖。
9.4.6两次爆破的衔接台阶尺寸不大于15cm。
10安全措施
10.1隧道开挖爆破后,应由专职人员找顶,防止落石,采用人工找顶时,至少配2名反应快的找顶工,先查清危石位置后方可进行,并时刻注意松动石块落下方向。
危石没有清除完毕,其他人员不得进入工作面。
10.2施工爆破人员必须由持有“爆破证”人员担任,爆破后30分钟方准进入工作面,经检查认为安全方可施工。
瞎炮要由有经验的爆破工处理,处理完毕后才允许其他人进入现场。
10.3严格爆破器材的审批、领用、加工的管理,做到按当班需用量当班领用,多余量送回炸药库。
10.4所有机电设备及施工机械必须由专人保管、专人操作,并在机械旁挂置操作警示牌,严禁违章操作。
施工用电线路必须按技术标准架设,各种电器设备应安装漏电保护器。
10.5洞内三管二线应按规范要求布置,洞内外搭设的承重平台,脚手架必须经检验合格后方可使用。
10.6加强现场监控量测,特别是拱顶下沉、围岩收敛、底板变形、地表下沉等及时量测记录,通过数据分析,进行判断及采取对策。
10.7必须有防止开挖坍塌的措施,施工时要派专人查看地质变化,在施工现场佩戴安全帽,高空作业佩带安全带、防滑鞋,主要关口必须挂有安全标语或安全警示牌。
10.8洞内要有充足的照明,除成洞地段可设220V电源外,其它作业地段照明均应设36V安全灯,动力线用橡胶绝缘电缆,并挂在衬砌或围岩上,高度符合有关规定。
11文明施工与环保措施
11.1洞内必须使用零氧平衡炸药进行爆破作业,有水地段使用防水炸药。
11.2炸药的包装纸必须由专人收回处理。
11.3过期变质炸药必须由专人收回并按要求处理。
11.4加强洞内通风管理,确保良好的工作环境。
12应用实例
12.1工程简介
由中铁一局集团第五工程有限公司施工的云南省新建蒙自至河口铁路工程沙田坝隧道,设计为单线铁路隧道,总长2963m。
最大开挖宽度6.9m,开挖高度9.18m,开挖面积57.59㎡,隧道围岩以板岩为主,偶夹砂岩及薄层灰岩,其中板岩又以绢云板岩、变余泥岩板岩为主。
其中Ⅲ级围岩占19%,Ⅳ级围岩占56%,Ⅴ级围岩占25%,隧道Ⅲ级围岩采用全断面法开挖,Ⅳ、Ⅴ级采用台阶法开挖。
12.2施工情况
施工过程中采用光面爆破施工技术,通过初选参数,调整参数、确定参数以及攻克光面通病等多种手段,光爆效果明显,其中炮眼痕迹保存率Ⅲ级围岩达95%以上,Ⅳ级围岩达85%以上,Ⅴ围岩达75%以上,光爆效果良好。
2010年11月7日业主滇南铁路有限责任公司组织全线设计单位、监理单位、及中铁五局、中铁一局所有参建人员观摩沙田坝隧道单线铁路隧道小断面施工及光面爆破现场观摩会。
12.3工程结果评价
12.3.1采用光面爆破施工,能有效控制超欠挖,减少后期支护量。
据统计,光爆与普通爆破相比,能减少超挖10~15%,减少衬砌砼9~12%。
同时光爆与普通爆破相比,节省炸药15%左右。
能取得巨大经济效益。
12.3.2光面爆破同普通爆破相比,使得围岩应力分布均匀,对围岩扰动小,有利于围岩稳定,可有效减少应力集中引起的塌方,减少落石。
安全效益明显。
12.3.3光面爆破隧道轮廓光滑、平顺,整体美观,施工进度快。
值得推广与观摩,社会效益可观。
12.4建设效果及施工图片
图4台阶法开挖光面爆破效果图5全断面法开挖光面爆破效果
图6全断面法开挖光面爆破效果图7钻爆网路连接
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