在石質隧道中 , 採用最多的是鑽眼爆破法。其原理是利用裝入鑽孔中的炸藥爆炸時產生的衝擊波及爆炸物做功來破碎坑道範圍內的巖體 , 可以用爆破漏斗來解釋 ( 圖 1)。
圖 1 爆炸碎巖機理
隧道工程中，鑽爆作業必須按照鑽爆設計鑽眼、裝藥、連線和引爆 , 同時應滿足鑽眼爆破施工的質量要求。為此岩石隧道開挖前 , 應根據工程地質條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環進尺、鑽眼機具、爆破器材和出渣能力等因素綜合考慮。做好鈷爆設計 , 合理地確定炮眼佈置、數目、深度和角度、裝藥量和裝藥結構、起爆方法和起爆順序等 , 安排好循環作業等 , 以正確指導鑽爆施工 , 達到預期的效果。
隧道工程中 , 一般要求鑽眼爆破應滿足以下條件。
(1) 開挖輪廓成型規則 , 巖面平整 , 超欠挖量符合規定要求。
(2) 爆破對圍巖的擾動破壞小 , 以保證圍巖 ( 坑道 ) 的穩定性。
(3)爆破後的石渣塊度大小適中,拋擲範圍相對集中,符合裝渣作業要求。
(4)鑽眼工作量少,耗用炸藥等爆破材料少等。
(5)防止對周圍設備的破壞,減少對環境尤其是水的汙染。為此應充分研究下面的問題:岩石的抗爆破性及抗鑽性;炸藥品種及用量;炮眼佈置形式和炮眼數量、直徑、長度;裝藥結構;起爆順序和起爆網絡等。
炮眼的佈置
炮眼佈置首先應確定施工開挖輪廓線,然後進行炮眼佈置。因此鑽眼前應定出開挖斷面中線、水平線和斷面輪廓,標出炮眼位置,經檢查符合鑽爆設計要求後方可鑽眼。而炮眼的佈置、深度、角度、間距等應按鑽爆設計要求確定。
隧道爆破通常採用掏槽爆破,即將開挖斷面上的炮眼分區佈置和分區順序起爆,逐步擴大完成一次爆破開挖,分區是按照炮眼的位置、作用的不同有三種炮眼:即掏槽眼、輔助眼和周邊眼。這三種炮眼除共同完成一個循環進尺的爆破掘進外,還各有其作用,並各有不同的佈置要求及長度、方向和間距等要求。
(1)隧道洞身開挖輪廓線及預留變形量。坑道開挖後,圍巖由於失去部分約束而產生向坑道方向的收縮變形,所以施工開挖輪廓線應在設計開挖輪廓線的基礎上適當加大,稱為預留變形量預留變形量的大小,主要取決於圍巖級別、開挖斷面大小,隧道跨度大小、開挖方法掘進方式、支撐或支護方法等因素的影響,變形量的大小可以根據實際測量數據分析確定並可進行調整。
(2)隧道鑽爆開挖中炮眼的佈置。隧道開挖爆破的炮眼數目與隧道斷面的大小有關,多在幾十至數百範圍內。炮眼按其所在位置、爆破作用、佈置方式和有關參數的不同可分為如下幾種：
1)掏槽眼的佈置
①掏槽眼的作用是將開挖面上適當部位先掏岀一個小型槽口,以形成新的臨空面,為後爆輔助炮創造更有利的臨空面,提高爆破效率。
②掏槽眼本身只有一個臨空面,且受周圍岩石的夾製作用,故常採用較大的炸藥單耗量k值和較大的裝藥係數a值,以增大爆破粉碎區,並利用爆炸衝擊波及爆炸產物作功,將岩石拋擲出槽口。
③為保證掏槽炮能有效地將石渣拋出槽口,常將掏槽眼比設計掘進進尺加深10~20cm
圖2 斜眼掏槽佈置 (a) 錐形； (b)、(c) 楔形；(d) 爬眼
並採用孔底反向連續裝藥和雙雷管起爆
④槽口尺寸常在1.0~2.5m2之間,要與循環進尺、斷面大小和掏槽方式相協調。要求掏槽眼口間距誤差和眼底間距誤差不得大於5cm。
⑤合理佈置掏槽眼,應掌握好炮眼的三度:深度、密度和斜度,並通過計算確定用藥量及放炮順序。
⑥掏槽方式一般可分為斜眼掏槽和直眼掏槽兩大類,如圖2和圖3所示。
圖 3 直眼掏槽 ( 單位：cm，炮眼旁數字為毫秒雷管級別 )
斜眼掏的特點是掏槽眼與開挖斷面斜交,常用的形式有垂直楔形掏槽、錐形掏槽、爬眼掏槽等。斜眼掏槽具有操作簡單、精度要求較直眼掏槽低,能按岩層的實際情況選擇掏槽方式和掏槽角度,容易把石渣拋出,掏槽眼的個數較少且炸藥的消耗量低等優點,但斜眼掏槽鑽眼的方向不易準確,炮眼深度易受坑道斷面尺寸的限制,不易提高循環進尺,也不便於多臺鑽機同時作業。
直眼掏槽是以空眼作為增加的臨空面,利用炸藥爆炸的能量將槽內岩石破碎,藉助爆破產生氣體的餘能將已破碎的岩石從槽口拋出。直眼掏槽由若干個垂直於開挖面的炮眼組成。
掏槽眼的深度不受圍巖軟弱和開挖斷面尺寸的限制,可以實現多臺鑽機同時鑽眼,也可採用深孔爆破,實現鑽眼機械化,從而為加快掘進速度提供了有利條件。由於直眼掏槽作業較方便,不需隨循環進尺的改變而變化掏槽方式,僅需改變炮眼的深度,且石渣的拋擲距離也可縮短,但直眼掏槽的炮眼數目較多,炸藥單耗量值也要加大,炮眼位置和方向要求有較高的精度,才能保證良好的爆破效果。因地質多變,幾種掏槽方式可以混合使用。
⑦中空眼的作用。近年來由於重型鑿岩機的投入使用,使得鑽大直徑(>100mm)孔眼並不困難。直眼掏槽中多采用大直徑空眼,其作用相當於為裝藥掏槽眼提供了臨空面,並取得了良好的掏槽效果。一般在中硬和堅硬岩層中,對於設計循環進尺為3.5m左右時,採用雙空孔形式最佳;對3.5~5.15m的深孔掏槽,則採用三空孔形式最好;對3m以下的淺眼掏槽,採用單空孔形式較好。為保證掏槽炮眼爆炸後巖渣有足夠的膨脹空間,一般要求空眼體積為掏槽眼體積的10%~20%為宜。
當前國內外掘進的坑道,大都採用直眼掏槽和深眼爆破,可以節省大量輔助作業時間如通風排煙、檢查找頂等。
斜眼掏槽和淺眼爆破適用人工施工或機械設備不足的施工條件選擇掏槽方式時,要根據具體的施工條件,因地制宜加以選用。
2)輔助眼的佈置。輔助眼的作用是進一步擴大槽口體積和爆破量,並逐步接近開挖斷面形狀,為周邊眼創造有利的爆破條件。
輔助眼的佈置主要是解決間距E值和最小抵抗線W問題。其佈置原則可參照後述周邊眼的佈置原則進行,只是W、E值及單孔裝藥量q值較大些。一般取E/W=0.6~0.8為宜,並採用孔底連續裝藥。
輔助眼應由內向外,逐層佈置,逐層起爆,逐步接近開挖斷面輪廓形狀,如圖4所示。
圖 4 炮眼佈置 ( 單位：cm)
3)周邊眼佈置。周邊眼的作用是爆破後使坑道斷面達到設計的形狀和尺寸,目的是成型。
周邊眼的位置一般應沿設計輪廓線均勻佈置,其炮眼的間距和最小抵抗線長度均比輔助眼小,目的是使爆破岀坑道的輪廓較為平順和控制超欠挖量。當巖質較軟或較破碎時,炮眼口則應放在開挖輪廓線以內。炮眼底則應根據岩石的抗爆破性來確定其位置,應將炮眼方向以3%~5%的斜率外插。一方面是為了控制超欠挖,另方面是為了便於下次鑽眼時好落鑽開眼;對於鬆軟岩層一般眼底應落在設計輪廓線上;對於中硬巖及硬巖,眼底應落在設計輪廓線以外10~15cm。底板眼的眼底一般都落在設計輪廓線以外。此外,為保證開挖面平整,輔助眼及周邊眼的深度應使其眼底落在同一垂直面上,必要時應根據實際情況調整炮眼深度。
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