小断面隧道中空孔复合式直眼掏槽水压光面爆破方法

技术领域

本发明涉及小断面隧道开挖爆破技术领域，具体涉及一种小断面隧道中空孔复合式直眼掏槽水压光面爆破方法。

背景技术

公路、铁路等大断面隧道光面爆破技术已比较成熟,但小断面隧道爆破参数与大断面隧道极为不同，不可直接套用。小断面隧道的开挖爆破一直存在爆破进尺短、炸药消耗大等技术难点，掏槽角度、炮孔布置等爆破参数的设定，对于小断面隧道爆破作业有至关重要的作用。

三臂凿岩机作为先进的钻孔设备，在工程实践中得到了日渐广泛的应用，机身明显小于同型号的其他装备，具有小型化、实用性强、通用性广等技术优势，适应作业高度6-12米。但将三臂凿岩机应用到小断面隧道的开挖爆破，以某高原铁路隧道断面尺寸为6.5×6.5m的平行导洞为例，会受到操作空间的限制，达不到斜眼(楔形)掏槽的爆破要求角度，无法实现斜眼掏槽，且爆破后需要较长的通风时间。因此，需要结合三臂凿岩机的设备特点，提出新的适用于小断面隧道开挖爆破的爆破方法，拓展三臂凿岩机的工程应用领域，在小断面隧道开挖爆破的工程实践中发挥三臂凿岩机的技术优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种小断面隧道中空孔复合式直眼掏槽水压光面爆破方法，配合三臂凿岩机进行爆破参数优化，克服三臂凿岩机无法实现斜眼掏槽的技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

小断面隧道中空孔复合式直眼掏槽水压光面爆破方法，所述方法包括：

布置炮孔：

估算炮孔数量，在隧道爆破断面上打出中空孔、掏槽孔、辅助掏槽孔、崩落孔、周边孔、周边辅助孔和底板孔：

炮孔装药：

估算装药量，炮孔内采用连续装药或间隔装药的形式装药，起爆雷管均装在炸药底部反向起爆；

构建起爆网络：

构建孔内微差的起爆网络，起爆顺序从隧道爆破断面中心开始，然后向两侧往外层层逐段爆破。

进一步地，估算炮孔数量，包括：

计算单位炸药消耗量：

q＝q

其中：

q为修正单位炸药消耗量；

q

e为炸药换算系数，为TNT爆热与所用炸药爆热的比值；

f

k

计算炮孔数量：

其中：

N为炮孔数量；

α为装药系数；

γ为每米药卷的炸药质量。

进一步地，所述中空孔布置有两组，每组包括竖向成列均匀排布的四个所述中空孔，八个所述中空孔均位于隧道爆破断面的对称轴上；

第一组所述中空孔位于隧道爆破断面中部的中央，即隧道爆破断面的中心；第二组所述中空孔位于隧道爆破断面下部的中央。

进一步地，每组所述中空孔两侧分别对称布置三个所述掏槽孔，三个所述掏槽孔竖向成列均匀排布；所述掏槽孔的布置范围与自上而下第二个所述中空孔和第三个所述中空孔之间位置对应；

所述掏槽孔的外侧、所述隧道爆破断面中部的两侧和所述隧道爆破断面底部的两侧布置有所述辅助掏槽孔；两侧的所述辅助掏槽孔均自内向外布置四层，各层所述辅助掏槽孔中的每个所述辅助掏槽孔在高度上错位布置。

进一步地，隧道爆破断面的上部环向布置有三层所述崩落孔，各层所述崩落孔沿弧线布置。

进一步地，隧道爆破断面拱部边缘和隧道爆破断面两侧边缘环向布置有所述周边孔，所述周边孔的内侧环向布置有周边辅助孔。

进一步地，隧道爆破断面底部边缘布置有底板孔，所述底板孔横向成排均匀排布。

进一步地，估算装药量，包括：

Q＝qIS

其中：

Q为一个爆破循环的总装药量；

I为设计循环进尺。

进一步地，在所述掏槽孔内连续装药，尾部通过锚固剂堵塞；

在所述周边孔内间隔装药，炸药和水袋间隔布置，尾部通过水袋堵塞；

在所述辅助掏槽孔、所述崩落孔、所述周边辅助孔和所述底板孔内连续装药，尾部通过水袋堵塞。

进一步地，起爆顺序为：

掏槽孔；

自内向外第一层辅助掏槽孔和第一层崩落孔；

自内向外第二层辅助掏槽孔、第三层辅助掏槽孔和第二层崩落孔；

自内向外第四层辅助掏槽孔和第三层崩落孔；

周边辅助孔；

周边孔；

底板孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的爆破方法，大幅提高了爆破进尺，并有效提高了炮孔利用率，平均循环进尺可达2.8～3.0m，炮孔利用率为93％～96％，开挖轮廓壁面平整光滑，爆破循环之间不出现明显“错台”现象。

本发明提供的爆破方法，在发挥三臂凿岩机设备优势的基础上，克服其无法实现斜眼掏槽的缺陷，利用三臂凿岩机配合复合式直眼掏槽水压光面爆破作业，明显减少了人工，施工效率高，工作强度小，工程安全性更高。

本发明提供的爆破方法，每循环可节约通风时间0.25h，并降低了施工成本约0.157万元，降低了施工成本，加快了施工进度，有效改善了工程经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明中的凿岩机掏槽角度及掏槽孔布置示意图。

图2是本发明中的炮孔布置示意图。

图3是本发明中的中空孔和掏槽孔布置示意图。

图4是本发明中的掏槽孔装药结构示意图。

图5是本发明中的周边孔装药结构示意图。

图6是本发明中的崩落孔、周边辅助孔、辅助掏槽孔、底板孔装药结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“两侧”、“上”、“下”、“竖向”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“布置”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

还应注意到，虽然在方法描述中涉及了步骤顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行，不应被理解为对步骤顺序的限制。

针对三臂凿岩机在隧道内受到空间的限制无法实现斜眼掏槽及爆破后通风时间长等工程实际问题，本发明提供了一种小断面隧道中空孔复合式直眼掏槽水压光面爆破方法，所述三臂凿岩机如CYT15-3型凿岩机，推进梁长6.5m，钻孔直径43～80mm，钻孔深度5.0m，最大覆盖面积140m

所述方法具体包括：

S1：布置炮孔：

估算炮孔数量，在隧道爆破断面上打出中空孔、掏槽孔、辅助掏槽孔、崩落孔、周边孔、周边辅助孔和底板孔。

估算炮孔数量的具体过程为：

S101：计算单位炸药消耗量：

q＝q

其中：

q为修正单位炸药消耗量；

q

e为炸药换算系数，为TNT爆热与所用炸药爆热的比值；

f

k

S102：计算炮孔数量：

其中：

N为炮孔数量；

α为装药系数；

γ为每米药卷的炸药质量。

各类型的炮孔在隧道爆破断面通过三臂凿岩机施做，具体布局为：

(1)中空孔布置有两组，每组包括竖向成列均匀排布的四个中空孔，八个中空孔均位于隧道爆破断面的对称轴上。第一组中空孔位于隧道爆破断面中部的中央，即隧道爆破断面的中心；第二组中空孔位于隧道爆破断面下部的中央。

(2)每组中空孔两侧分别对称布置三个掏槽孔，三个掏槽孔竖向成列均匀排布；掏槽孔的布置范围与自上而下第二个中空孔和第三个中空孔之间位置对应。掏槽孔的外侧、隧道爆破断面中部的两侧和隧道爆破断面底部的两侧布置有辅助掏槽孔；两侧的辅助掏槽孔均自内向外布置四层，各层辅助掏槽孔中的每个辅助掏槽孔在高度上错位布置。

(3)隧道爆破断面的上部环向布置有三层崩落孔，各层崩落孔沿弧线布置。

(4)隧道爆破断面拱部边缘和隧道爆破断面两侧边缘环向布置有周边孔，周边孔的内侧环向布置有周边辅助孔。

(5)隧道爆破断面底部边缘布置有底板孔，底板孔横向成排均匀排布。

S2：炮孔装药：

估算装药量，炮孔内采用连续装药或间隔装药的形式装药，起爆雷管均装在炸药底部反向起爆。

估算装药量的具体过程为：

Q＝qIS

其中：

Q为一个爆破循环的总装药量；

I为设计循环进尺。

各类型的炮孔采用不同的装药方式，具体为：

(1)在掏槽孔内连续装药，尾部通过锚固剂堵塞；

(2)在周边孔内间隔装药，炸药和水袋间隔布置，尾部通过水袋堵塞；

(3)在辅助掏槽孔、崩落孔、周边辅助孔和底板孔内连续装药，尾部通过水袋堵塞。

S3：构建起爆网络：

构建孔内微差的起爆网络，起爆顺序从隧道爆破断面中心开始，然后向两侧往外层层逐段爆破。具体起爆顺序为：

掏槽孔；

自内向外第一层辅助掏槽孔和第一层崩落孔；

自内向外第二层辅助掏槽孔、第三层辅助掏槽孔和第二层崩落孔；

自内向外第四层辅助掏槽孔和第三层崩落孔；

周边辅助孔；

周边孔；

底板孔。

实施例：

以下结合某高原铁路隧道断面尺寸为6.5×6.5m的平行导洞为例，具体描述本方法的具体实施过程：

首先进行爆破参数设计：

1、单位炸药消耗量：

影响炸药单耗的主要因素有炸药的品种、岩石性质、自由面的数量等，计算单位炸药消耗量的过程为：

q＝q

其中：

q为修正单位炸药消耗量，kg/m

q

e为炸药换算系数，为TNT爆热与所用炸药爆热的比值；

f

k

经计算，本实施例工程的修正单位炸药消耗量q为1.6kg/m

2、炮孔数量：

计算炮孔数量的过程为：

其中：

N为炮孔数量，不包括未装药的空孔数量；

α为装药系数；

γ为每米药卷的炸药质量，kg/m。

经计算，本实施例工程的炮孔数量N为148.3，结合工程经验以及本项目的实际情况，取整为150。另外，还需布置8个大直径的中空孔，共158个炮孔。

3、装药量：

首先用体积公式计算出一个循环的装药量，然后按各种类型炮眼的爆破特性进行分配，再在爆破实践中加以检验和修正。

估算装药量的具体过程为：

Q＝qIS

其中：

Q为一个爆破循环的总装药量，kg；

I为设计循环进尺，m。

经计算，本实施例工程的装药量Q为213.6kg，取整为216kg。

4、炮孔参数：

考虑地质情况、断面宽度、凿岩台车推进梁尺寸等条件，本实施例工程结合爆破施工目的和使用的设备，采用大直径中空孔配合多级复合式楔形掏槽的方案。两组大直径的中空孔布置在隧道断面对称轴上，相距150cm，其中最下方一个中空孔距离底板孔100cm，每组内两个中空孔之间相距20cm，中空孔两侧20cm各设置一列小直径掏槽孔。两组大直径中空孔两侧150cm处设置多级复合式楔形掏槽孔，即辅助掏槽孔，如图1，角度依次取76°、80°、84°、88°，长度分别为310cm、305cm、302cm、300cm，孔底距取73cm，上、下辅助掏槽孔间距由岩性决定，取45cm，最下方辅助掏槽孔距离底板孔50cm。

周边辅助孔和崩落孔为应力波和高压气体联合作用破碎岩石，是破碎岩石的主要炮孔，其均匀布置在辅助掏槽孔周围，炮孔孔距及排距主要取决于岩石的单轴抗压强度、节理裂隙发育程度、以及前期的施工参数。综合以上因素，周边辅助孔和崩落孔孔距取80～90cm，断面上部崩落孔排距取50cm。

周边孔因线装药密度较低，不耦合系数大，布置在隧道开挖边界上，周边孔孔距的计算过程为：

E＝(8～12)db，db≥60mm

E＝(9～14)db，db＜60mm

其中：

E为周边孔孔距，mm；

db为装药直径，mm。对于不耦合连续装药结构，db为装药直径。

经计算，本实施例工程的周边孔孔距E为44.8cm，取45cm。孔底位于开挖边界外约10cm，最小抵抗线值取50cm。

底板孔在隧道开挖断面底部，起爆顺序靠后，延期时间较长。在爆破时有大量岩石覆盖，且受到底部的夹制作用较大，因此岩石移动的阻力较大，应较周边孔适当加大底板孔的装药量，以增强爆破效果。底板孔设计长度为320cm，孔距取80cm。根据项目现有设备以及对初期支护和二次衬砌厚度施工误差的要求，周边孔、底板孔的孔口及孔底均需控制在设计轮廓线外5cm的连线上，同时炮孔外插角还应按照3.3％的斜率向外进行设置，以期达到较好的超欠挖控制效果。

结合工程施工经验对计算得到的爆破参数进行微调后，形成炮孔布置图与爆破参数表，如图2和表1所示。设计循环开挖进尺3m，每循环炮孔158个。其中：大直径的中空孔8个，直径80mm；小直径的掏槽孔12个，直径42mm；辅助掏槽孔两侧各四层合计56个、崩落孔三层合计13个、周边辅助孔19个、周边孔40个、底板孔10个，共计138个，直径均为42mm。周边孔孔距0.45m、周边辅助孔孔距0.8m，崩落孔孔排距0.8m×0.5m、底板孔孔距0.8m。钻孔总延米572.64m，合计装药量216kg，炸药单耗1.6kg/m

表1爆破参数表

5、装药：

爆破作业所使用炸药为2号岩石乳化炸药，所有装药炮孔所用药卷规格均为Φ32mm×300mm×0.3kg，采用导爆管传爆，起爆雷管均装在炸药底部反向起爆。周边孔对隧道开挖轮廓面的质量影响较大，采用间隔装药的形式；除周边孔之外的装药炮孔采用连续装药形式。同时为减少爆破能量损失，掏槽孔尾部用锚固剂堵塞，堵塞长度不小于20cm；其余装药炮孔均用水袋进行堵塞。具体装药结构参见图4、图5、图6。各类炮孔装药的方式具体为：

(1)在掏槽孔内连续装药，尾部通过锚固剂堵塞；

(2)在周边孔内间隔装药，炸药和水袋间隔布置，尾部通过水袋堵塞；

(3)在辅助掏槽孔、崩落孔、周边辅助孔和底板孔内连续装药，尾部通过水袋堵塞。

6、起爆网络：

各装药炮孔采用非电毫秒雷管微差起爆技术，以控制单段雷管的起爆药量和起爆时间，使爆破震动波不叠加，以降低对围岩的破坏。为保证后起爆的网路不被先起爆的网路炸断，采用孔内微差的起爆网络。起爆顺序从截面中心大直径中空孔附近装药孔开始，然后两侧掏槽孔往外一层一层逐段进行爆破，最后是周边孔起爆，具体布置如图2所示。具体起爆顺序为：

掏槽孔；

自内向外第一层辅助掏槽孔和第一层崩落孔；

自内向外第二层辅助掏槽孔、第三层辅助掏槽孔和第二层崩落孔；

自内向外第四层辅助掏槽孔和第三层崩落孔；

周边辅助孔；

周边孔；

底板孔。

本方法实施爆破后，连续进行18次循环爆破试验。爆破单循环进尺达到2.8～3.0m，炮孔利用率为93％～96％；开挖轮廓面上的孔痕率达95％以上，半孔率为85％。开挖轮廓壁面平整光滑，爆破循环之间未出现明显“错台”现象，周边孔孔底大多位于开挖边界外0.15～0.22m，平均线性超挖15cm左右，有效控制了围岩超欠挖的现象，亦减小了围岩的应力集中现象。另外初期支护与掌子面相隔一段距离，不仅为炮孔钻孔创造了足够的空间，保证炮孔能够按照设计角度钻进，而且初期支护能集中施作，极大地节省了频繁施作初期支护的工序转换时间，提高了施工效率。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。