美国岩石隧洞施工

国外水利　［文章编号］１００２—０６２４（２０１１）１２—００６８一ｏ３　东北水利水电　２０１１年第１２期　美国岩石隧洞施工※　刘桂杰，朱天琴，常焕生　（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春１３００６２）　【摘要】岩石隧洞施工的基本内容包括钻爆法或机械方法开挖、围岩初期支护和最终支护。　钻爆法开挖按开挖循环进行，采用全断面或部分断面掘进。须做好爆破循环设计，采用控制爆　破技术，限制爆破振动峰值，合理安排除渣和撬石。　【关键词］岩石隧洞施工；机械方法开挖；爆破循环设计；控制爆破；爆破振动　［中图分类号］ＴＶ５５４　［文献标识码】Ｂ　１概述　地下工程施工的基本内容：开挖，采用钻爆法或机械　方法；围岩初期支护；围岩最终支护。　过去，将“初期支护”和“最终支护”称为“主要支护”和　“次要支护”。这个习惯用法是不确切的，可能对最终的功　能引起误解，因为最终支护是起主要作用的，而初期支护　经常按临时支护考虑。当然，现在有很多例子，初期支护也　具有永久支护的功能。　垂直孔开挖。还有很多其他的部分断面爆破型式，例如顶拱　中心导洞领先，顶拱两侧导洞跟进，随后留１￣３个台阶。　选择部分断面爆破法而不选择全断面爆破法的理由：　对于单个钻车来说横断面太大，例如通常尺寸的地下厂　房、阀门室、两车道或三车道公路隧道一般采用部分断面　爆破法开挖；为了控制爆破振动，从装药量的角度限制了　爆破尺寸；围岩条件差，若全宽开挖可能没有足够长的自　稳时间来施作初期支护。　２．３爆破循环设计　地下工程施工其他重要内容：现场和洞口的准备；测　量；地下工程的通风；排水和水流控制；危害预防；控制环　境影响。　单独的爆破循环一般由承包商的爆破专家设计，该设　计由工程师根据规范要求进行评审。关于爆破循环的详细　资料可以在有关著作中找到，有关爆破剂和爆破设计的资　设计者可能需要深入探索某些施工细节，诸如爆破影　响、采用ＴＢＭ的可行性或掘进进度。　料也可以在炸药生产厂家印制的手册中找到。爆破孔一般　采用液压钻机钻孔，钻孔的效率和速度已经得到大大改　２隧洞钻爆法开挖　虽然ＴＢＭ在很多隧洞工程被采用，但大多数地下工　程岩石开挖仍采用爆破技术。设计应指定或建议采用的开　挖方法。　２．１开挖循环　进，钻头的磨损和钻孔精度由于钻杆和钻头的新设计也得　到了改进。小断面隧洞的钻孔通常采用单臂钻，但钻车经　常安装两个或更多的钻机。钻车有轨道式、轮胎式或履带　式，两支腿叉开的轨道式钻车允许除渣设备穿过，以便到　达或离开工作面。　典型的爆破开挖循环由以下步骤来完成：钻爆破孔和　有效的爆破设计要注意每一个爆破孔受限制的程度。　如果一个爆破孔受到完全的限制，爆破仅能引起塑性变　形。当在爆破孔附近有自由面时，爆炸波将造成朝向自由　面的一些裂缝，使爆破孔与自由面之间的岩石破裂，并将　碎块抛出。爆破孔至自由面的距离即抵抗线一般取０．７５—　１．０倍孔间距。　装药；引爆，随后进行通风换气；除渣；撬除顶拱和边墙上　的松动石块；对围岩进行初期支护；延伸轨道、通风管和其　他设施。　２．２全断面和部分断面掘进　大多数隧洞采用全断面开挖掘进的方法，在一个循环　内对隧洞的整个断面进行钻孔、爆破。爆破孔的深度通常小　于洞子的尺寸，一个循环的爆破进尺略小于爆破孔的深度　（对于较好的爆破效果，约为爆破孔深度的９０％）。典型的循　环进尺深度为２－４　ｍ。部分断面爆破有时更实用，或者可能　在隧洞中，最初没有平行于炮孔的自由面，此自由面　必须通过爆破设计创造出来，并以下列方法之一来完成。　ｖ形掏槽或扇形掏槽通常是在掌子面的中下部按一定　的孔间夹角钻一些孔，形成一个楔形体。这些孔爆破时首先　将这个楔形体的岩石抛出，为随后的爆破创造一个自由面。　直线掏槽是采用平行孔，最常见的是４个集中在一起　的炮孔，其中只有两个孔装药，有一个或两个大直径孔（直　是地质条件要求，或者是受设备的限制。最常用的部分断面　爆破法是正台阶掘进法，首先以全宽爆破隧洞的顶部，随后　爆破剩下的台阶。台阶可以用水ｘｅ－ｑＬ也可用类似采石爆破的　・６８・　２０１１年第１２期　东北水利水电　国外水利　径通常达到１２５　ｍｍ）不装药。剩下的孔被分布开，依次爆　破，这样每一次一个或几个孔的爆破总是使岩石朝向自由　面破裂。这些在掏槽之后引爆的孔称为扩大孔，最后被引　爆的孔是隧洞轮廓周围的孔称为周边孔，在底板上的孔称　为拉底孔。　ｇ　因为不可能紧靠开挖边缘钻孔，周边孔钻孔时通常是　９　寸　从设计边线向外发散约１００玎Ｕｎ。钻孔设备的尺寸要求形成　—个带角度的错台，以达到要求的开挖线。连续的爆破进尺　使隧洞墙面呈“ｚ”字形，因此，超挖一般是不可避免的。　延时电雷管或非电雷管用于控制爆破顺序和时间，限　制任何一次爆破炸药的总量，它们有各种类型。毫秒延时　比较短，延时范围２５—５００　ｍｓ；其他延时比较长。直到２４　Ｉｎｓ　半秒雷管（每个数＝Ｏ．５　ｓ）　的延时是可用的。选择延时必须使岩石碎块在下一个爆破　１２　１１　发生时已被抛出。毫秒延时常用于掏槽爆破，０．５　ｓ延时用　ｏ　６　ｏ　ｏ　于扩大孔爆破。过去，爆破一般采用电力起爆，采用电雷管　ｏ３　ｏ　８　或起爆器。非电爆破起爆器和延时雷管现在通常是首选，　ｌ１　Ｏ　１２　因其不受杂散电流的影响。　ｏ　ｏ　０．１７　ｍ　爆破剂可用于特殊的目的，它们可以在单位长度炮孔　．．————　的装药密度、药卷直径、爆破速度、烟雾特性、抗水性和其　毫秒雷管（每个数－－２５　ｒｎｓ）　他性能上进行变化。对于干燥的岩石，经常采用便宜的铵　图１直线掏槽爆破循环爆破孔３．２　ｍ。进尺３．０　ｍ　油炸药，周边孔每米的装药量很小，要求采用特殊的爆破　剂。典型的爆破孔其直径为４５￣５１　ｍｍ，药卷直径通常为　个　ｇ　４０　１Ｔｉｍ，在适当的位置堵塞炮孔。而用于周边孔的药卷直径　通常为２５　ＩＴＬｒｎ，并进行堵塞。　褂　在爆破设计中常常要考虑两个因素：炸药单耗（爆破　每立方米岩石需要的炸药公斤数，ｋｇ／ｍ３）和钻孔率（爆破　每立方米岩石需要的钻孔总长度，ｍ／ｍ３）。它们是爆破的综　合经济性指标，并很容易在不同的爆破方案之间进行比　隧洞断面面积／ｍ　较。炸药单耗随岩石条件不同会有很大变化。当岩石受约　图２典型的炸药单耗　束较强，隧洞比较小，或岩石比较硬，炸药单耗就比较大，　平顺；对于衬砌隧洞，较少的超挖意味着减少超填混凝土。　带有空洞的岩石有时需要大的炸药单耗。对于大多数典型　控制爆破包括周边孔的间距较密，周边孔装药少于其　的隧洞爆破，炸药单耗在０．６～５　ｋｇ／ｍ３之间变化，对于同样　余炮孔。一个常用的规则是周边孔的间距在硬岩约为孔径　的岩石类型，炸药单耗可以从１　ｋｇ／ｍ￣（开挖断面大于３０　的１２～１５倍，在较差的、破碎的岩石约为孔径的６－８倍。由　ｍ２的隧洞）变化到超过３　ｋｇ／ｍ３（开挖断面小于１０　ｍ２的　于控制爆破通常要求较多的爆破孔，需要用较长的时间和　隧洞），典型的钻孔率在０．８～６　ｍ／ｍｓ之间变化。图１显示　较多的钻孔材料，承包商常常不情愿采用控制爆破。　一个典型的爆破循环设计。这个断面１９．５　ｍ２的隧洞的爆　但是控制爆破比传统的巷道周边爆破法要求更高。在　破循环用４ｏ个孔，炸药单耗１．９　ｋｇ／　，钻孔率２．２　ｍ／　。　周边孔爆炸之前爆破损害可能发生。控制爆破要求仔细设　典型的炸药单耗和钻孔要求见图２、图３。　计和选择周边几何形状、孔径、装药量、孔间距、抵抗线和　２．４控制爆破　延时，并须认真操作。　理想的爆破对保留岩体的损害最小，而且超挖最小，　控制爆破成功的关键之一是准确地钻孔。炮孔与设计　这是通过控制爆破来实现的。由于很多理由，控制对岩石　位置的偏差使孔距和抵抗线发生改变，导致爆破损害和岩面　的损害和超挖是有利的。减少对岩石的损害意味着岩体更　不规则。现代液压钻机Ｉ钻孑Ｌ不仅快速而且精度比以前高，在　加稳定，需要的支护较少；由于需要撬除的岩石少，隧洞掘　同类的岩石中应用计算机控制的钻车能够达到更高的精度。　进更加安全；对于不衬砌隧洞，较少的超挖使过水表面比较　爆破后检查岩面可以给出一个很好地提示钻孔精度　・６９・　国外水利　东北水利水电　２０１１年第１２期　删　督　蝼　ｇ　＜＿　隧洞断面面积／ｍ２　图３典型的钻孔需要量　和控制爆破达到的效果。衡量控制爆破效果的标准是半孔　率，即在爆破表面可见的爆破孔半孔与周边孔总长度之比。　依据岩石质量和层理、节理的倾向，５０％－８０％的半孔率通常　是能够达到的。由于不精确的钻孔引起的表面不规则也是　容易看见和测量的。外观的规则性和适当性也应该检验。　检验爆破质量的其他方法包括评估岩壁后面被破坏　的深度，这可以利用地震波反射技术和管道镜或对钻孔取　芯进行渗透性检测来完成。被爆破扰动范围的深度，对于　良好的控制爆破只有０．１￣０．２　ｍ，而对于非控制爆破则达　到２　ｍ以上。　２．５爆破振动　爆破引起的振动以位移或应力波通过地层传播。如果　振动强烈，就可能造成损坏或引起公众的反对。振动控制　在城市环境中是特别重要的。　在离开爆破地点的指定距离感觉到的爆破振动的强　●Ｏ　２０“孔　度是以下要素的函数：由各段延时组成的总装药量（小至８　¨２　∞　ｒｎ．ｓ的延时就足以分开两次爆破，使其爆炸波效应不至于叠　加）；监测点至爆破地点的距离；地层特性（高频率的振动　波在高模数岩石允许通过，而在土类材料中很快减弱）；爆　破的约束程度（约束越强，总能量中进入地层的振动能的　比例越大）；场地的几何特征有时会使振动能集中，如同硬　岩和软岩互层的地质特征那样。　对于给定的装药量和距离，振动强度可以利用比例定　律来估算。最常用的是平方根比例定律，表示振动强度是　装药量　的平方根的函数。最重要的振动参数是质点的峰　值振速　。　Ｖ＝Ｈ（Ｄ／Ｗ，／２）－ｎ　式中：Ｂ——根据经验确定的系数；Ｄ／Ｗ１，一称为折算距　离；日——折算距离为１的质点峰值振速。　这个关系以一条直线绘制在速度一折算距离的双对数　坐标图上，Ｄ以ｍ为单位，　为炸药的公斤数，　以ｍｍ／ｓ　为单位。日值随爆破性质、约束条件和地质环境变化。日的　・７０・　典型范围是１００￣８００　ｍｍ／ｓ，对于给定的地质条件　随单　一爆破而变化：掏槽爆破为２５０　ｍｍ／ｓ，扩大爆破为２００　ｍｍ／ｓ，周边爆破为１５０　ｍｍ／ｓ。对于比较短的循环进尺，日　一般比较小。　系数曰可在０．７５～１．７５之间变化，通常取１．６０。对于特　殊的场合或环境。经验关系式可能依据爆破试验、利用双对　数坐标图来确定。许多因素影响振动检测，所以不可能形成　精确的关系式。在一定程度上，一系列数据是用来建立—个　扩大开挖的安全包络线。每段延时的允许装药量与５０　ｍｍ／　ｓ的允许振速的相应距离之间的典型关系见表１。　表１每段延时允许装药■　允许装药量／磅（ｋｇ）　距离／英尺（ｍ）　爆破引起的对结构的损坏与质点峰值振速有关。通常　认为５０　ｍｍ／ｓ的质点峰值振速不会损坏住宅或其他建筑　物和设施。事实上，大多数质量良好的建筑物能够承受的　懈　质点振速远大于５０　ｍｍ／ｓ；然而。破振动限制振速。　５０　ｍｍ／ｓ是一般公认的爆　　当邻近新浇混凝土进行爆破时。必须限制峰值振速，　以避免损坏混凝土。这个担心在《地下采矿方法手册》中有　一些详细的讨论。无论是结构混凝土还是大体积混凝土，　在养护时对损坏都是相当迟钝的。超过１０　ｄ龄期的混凝土　能够承受的质点振速达到２５０　ｍｍ／ｓ或更大，未凝固的新　Ｏ　浇混凝土能够承受５０　ｍｍ／ｓ或更大的振速。另一方面，已　凝固的龄期短的新浇混凝土容易遭受损坏。在这种情况　下，质点峰值振速可能要控制在６　ｍ．ｍ／ｓ以下；在混凝土达　到至少３　ｄ龄期以前，质点振速不应超过５０　ｍｍ／ｓ。这些数　值可能随着基岩的特性、混凝土凝结时间和强度、结构的　几何形状和其他特性而变化。对于重要结构，应进行现场　专门分析，来指导建立爆破限制标准。　对于完整的岩石，质点振速低于５００～１　０００　ｍｍ／ｓ时　形成的细微裂缝通常不会造成岩石的破坏，这取决于岩石　的强度。　人对爆破振动的感知远比结构敏感。５　ｍｍ／ｓ那样低　的质点峰值爆破振速已明显地引人注意，达到２０　ｍｍ／ｓ时　人就被惊扰了。感知振动，一是振动强度，二是振动频率。　低频（小于１Ｏ～１５　Ｈｚ）振动比高频振动更容易被感知。此　外，夜间的振动可能更加令人生厌。　【收稿日期】２Ｏｌｌ－０９一Ｏｌ　｝本文摘译自（ＥＭ１　１　１　０—２—２９０１　ｔｕｎｎｅｌｓ　ａｎｄ　ｓｈａ￣ｓ　ｉｎ　ｒｏｃｋ）　一一Ｏ