城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验.pdf

第3 6 卷第3 期 2 0 1 9 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 6N o ．3 S e p ．2 0 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 1 6 城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验术 刘敦文1 ，张9 l 令1 ，褚夫蛟2 ，翦英骅1 ，张松3 ，黄志3 1 ．中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．山东理工大学资源与环境工程学院，淄博2 5 5 0 4 9 ； 3 ．中铁五局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，长沙4 1 0 0 8 3 摘要为研究高压气体膨胀破岩技术在城市小断面硬岩隧道的适用性问题，在分析其破岩机理基础上， 通过理论计算得出膨胀管内产气剂破岩的峰值压力，结合某地铁联络通道采用高压气体膨胀破岩技术试验 了3 种不同孔网参数的掏槽破岩方案，并对试验过程进行振动监测。结果表明膨胀管破岩时可使致裂孔周 围岩石产生大量裂缝，合理的掏槽致裂孔和空孔布置参数能取得较好的破岩效果，破岩方量最大可达 3 ．5m 3 ；破岩过程产生的振动较小，隧道内管片和地面建筑物处测得最大振速分别为2 ．2 9 4c m ／s 和 0 ．5 4 8c m ／s ，不会影响周围建构筑物的安全，证明该技术适用于城市小断面硬岩隧道的开挖，为高压气体膨 胀破岩技术在城市小断面硬岩隧道工程的应用提供了技术参考。 关键词小断面硬岩隧道；高压气体膨胀；破岩机理；掏槽；振动监测 中图分类号U 4 5 5 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7x 2 0 1 9 0 3 0 1 0 4 0 8 C u t t i n gT e s t so fH i g hP r e s s u r eG a sE x p a n s i o nR o c k b r e a k i n g T e c h n o l o g yi nU r b a nS m a l lC r o s s - s e c t i o nH a r d - r o c kT u n n e l L ／UD u n w e n l ，Z H A N GZ h a o l i n 9 1 ，C H UF u - j i a 0 2 ，J I A Nr i n g h u a l ，Z H A N GS o n 9 3 ，H U A N GZ h i 3 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， Z i b o2 5 5 0 4 9 ，C h i n a ；3 ．U r b a nR a i l w a yT r a n s i tE n g i n e e r i n gB r a n c h ，C h i n aR a i l w a yN o ．5 E n g i n e e r i n gG r o u pC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a b i l i t yo fh i g hp r e s s u r eg a se x p a n s i o nr o c k b r e a k i n gt e c h n o l o g yi nu r b a n s m a l lc r o s s - s e c t i o nh a r d r o c kt u n n e l ，t h em e c h a n i s mo fh i g hp r e s s u r eg a se x p a n s i o nr o c k - b r e a k i n gt e c h n o l o g yw a sa n - a l y z e da n dt h ep e a kp r e s s u r eo ft h eg a sg e n e r a t i n ga g e n ti nt h ee x p a n s i o np i p ew a sc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y ．B yu s i n g t h er o c k b r e a k i n gt e c h n o l o g y ，t h r e er o c kb r e a k i n gt e s tp r o g r a m sw i t hd i f f e r e n tm e s hp a r a m e t e r sw e r ec o n d u c t e di na c o n n e c t i n gp a s s a g eo fas u b w a yt u n n e l ．S i m u l t a n e o u s l y ，t h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gw a sa l s oc o n d u c t e dd u r i n gt h e p r o c e s so fr o c kb r e a k i n gt e s t s ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tal a r g en u m b e ro fc r a c k sc o u l db eg e n e r a t e di nt h er o c kw h e n t h ee x p a n s i o np i p eb r o k et h er o c k ．G o o dr o c k b r e a k i n gr e s u l t sc o u l db ea c h i e v e db ya r r a n g i n gt h ep a r a m e t e r so fc u t t i n gh o l e sa n dg r o o v i n gr e a s o n a b l y ，a n dt h ea m o u n to fb r o k e nr o c kc o u l dr e a c hu pt o3 ．5m 5 ．T h ev i b r a t i o nc a u s e db y r o c k b r e a k i n gp r o c e s sw a sv e r ys m a l lw i t ht h em a x i m u m v i b r a t i o nv e l o c i t i e so f2 ．2 9 4c m ／sa n d0 ．5 4 8c m ／sm e a s u r e da tt h et u n n e ls e g m e n t sa n dt h es u r f a c eb u i l d i n g s ，r e s p e c t i v e l y ．S ot h ev i b r a t i o nc o u l dn o ta f f e c tt h es a f e t yo fa d j a c e n ts t r u c t u r e sa n db u i l d i n g s ．T h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h en e wr o c k b r e a k i n gt e c h n o l o g yi sas a f ea n de f f e c t i v er o c k b r e a k i n gm e t h o da n dc a nb ew e l la p p l i e dt os m a l lC R O S S s e c t i o nh a r d r o c kt u n n e l si nu r b a na r e a ．T h i sm e t h o dc a na l s o p r o v i d et e c h n i c a lr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yi nm o r es i m i l a rr o c k b r e a k i n gp r o j e c t s ． K e yw o r d s s m a l lc r o s s ．s e c t i o nh a r d r o c kt u n n e l ；h i g hp r e s s u r eg a se x p a n s i o n ；r o c k b r e a k i n gm e c h a n i s m ；c u t t i n g ；v i b r a t i o nm o n i t o r i n g 万方数据 第3 6 卷第3 期刘敦文，张兆令，褚夫蛟，等城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验1 0 5 随着我国城市的快速发展，地铁、综合管廊等地 下隧道建设工程越来越多，相应地，越来越多的城市 地下隧道工程需要穿越坚硬地层。而城市地下隧道 工程往往位于城市人口、建构筑物密集区域，对炸药 的储运要求极高，采用爆破施工引起的振动会对附 近建构筑物造成较大危害[ 1 , 2 ] ，产生的噪声及烟尘 等污染会对城市的人居环境造成影响，钻爆法在城 市地下工程中的应用受到较大限制。另外，由于城 市地下硬岩小断面隧道面积小，受岩石夹制作用影 响，即使采用钻爆法施工，其炸药单耗大、爆破效果 差，且不利于断面控制，影响进尺速率【3J 。 因上述限制因素，导致城市地下硬岩隧道工程 不宜采用炸药爆破开挖，大型凿岩机械由于空间限 制无法进场作业，而人工风镐开挖效率太低，为提高 破岩开挖效率，近年一些学者提出了多种非炸药破 岩方法，并这些方法应用于相应实际的破岩工程中 进行试验研究，例如金属膨胀剂法在破岩开挖时解 决了传统钻爆法施工引起的爆破振动问题J ，但金 属膨胀剂成本较高，达到常规钻爆法的3 ．4 倍，全部 炮孔需要一次装药、分次起爆的流程较为繁琐，后续 爆破存在安全隐患；液态C O ，相变法需要专用设备 进行辅助作业，操作工序较多，爆破筒的构件加工复 杂且强度要求高，液态C O ，储运条件严苛，小断面 隧道开挖难以提供充足的施工场地[ 5 引；王知深等提 出的硬岩矿井静态破岩技术，开挖相同方量岩石所 消耗及浪费的膨胀剂均较多，且需打设较多炮孔，膨 胀剂从开始反应对岩石做功至将破裂岩石的过程耗 时较长【8 ] 。以上非炸药破岩开挖方法解决了炸药 破岩引发的振动等问题，但存在推广应用成本高、操 作复杂、耗时长、适用环境特殊等缺点，不能满足城 市地下硬岩工程施工成本控制和进度要求。 新近发明的高压气体膨胀破岩技术因其具有安 全可靠性高、操作简便、振动和噪声小及破岩效率高 等优点[ 9 ．1 3 ] ，对具有较大破岩方量的城市地下硬岩 隧道开挖工程具有明显的优势。而高压气体膨胀破 岩技术作为一种新出现的破岩技术还处于试验阶 段，目前实际应用案例较少，高压气体膨胀管内的产 气剂性质不同于炸药，其破岩机理也与炸药破岩有 较大差异。因此本文在分析膨胀管破岩机理基础 上，结合某地铁联络通道开挖工程进行了3 种不同 收稿日期2 0 1 9 0 4 1 8 作者简介刘敦文 1 9 7 2 一 ，男，教授、博士，研究方向为爆破工程和 岩土工程， E ．m a i l l i u d u n w e n 1 6 3 ．t o m 。 通讯作者张兆销1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，研究方向为采矿工程， E m a i l z z l a l i n g l 0 0 2 1 6 3 ．t o m 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 4 0 4 3 0 3 方案的掏槽破岩试验，并对试验过程进行现场振动 监测，对掏槽破岩试验的破岩效果及振动速度进行 对比分析，以论证在城市小断面硬岩隧道的施工环 境及作业空间限制条件下，应用高压气体膨胀破岩 技术进行开挖能否取得较好的破岩效果，为高压气 体膨胀破岩技术在此类城市地下开挖工程中的推广 提供工程应用经验。 1高压气体膨胀破岩技术 高压气体膨胀破岩技术主要利用膨胀管进行破 岩，膨胀管内产气剂在高压环境下通电触发，产气剂 快速反应产生大量高温高压气体，通过气体较高的 膨胀力作用破裂岩石，最终达到破岩开挖的目的。 1 ．1 高压气体膨胀破岩器材及设备 高压气体膨胀破岩技术的主要器材为膨胀管， 主要由充气 连接 管、储存管、产气剂、电触发器4 个主要部分组成，辅助设备为小型高压气泵。以5 0 型膨胀管为例，充气 连接 管长1 ．5m ，顶端有充气 阀门，底端带螺丝纹，便于与储存管壳体进行组装， 可通过铁管向储存管内充人高压空气，形成一定的 高压状态，为产气剂提供反应条件及提高反应速率； 储存管长4 0c m 、直径5c m ，外管体为P V C 材质，储 存管内装填5 0 0g 产气剂，是膨胀管做功破岩的主 要成分，破岩时使用导线连接膨胀管和电起爆器。 膨胀管结构图及产品图如图1 所示。 表15 0 型膨胀管参数 T a b l e1P a r a m e t e r so ft y p e5 0e x p a n s i o np i p e 1 ．2高压气体膨胀法破岩机理分析 以本文联络通道上台阶掏槽破岩试验为例，分 析高压气体膨胀法破岩机理。如图2 所示，在掌子 面中央切槽两侧的致裂孔内分别装入一根膨胀管， 采用速凝快硬的堵孔材料将膨胀管固结在致裂孔 内，堵孑L 材料固化达到一定强度 一般达到2 0M P a 以上 后，使用高压气泵向膨胀管内充人2 ．2 ～ 2 ．5M P a 高压空气，在安全距离外启动电激发器，触 发膨胀管内产气剂发生快速反应，产生大量气体和 释放大量热能，在膨胀管内的有限空间形成如图2 所示的高应力场。在图2 右侧破岩过程示意图，高 温高压气体进入孑L 壁岩体的微裂隙及钻孔产生的次 生裂隙，在裂隙内壁表面形成并分布压应力，等效于 岩石拉伸试验外部施加的拉伸应力作用o ，1 1J ，即在 万方数据 1 0 6爆破2 0 1 9 年9 月 裂隙尖端产生使裂隙持续扩展的拉应力，裂隙的扩 展优先沿着环向拉应力极大值方向和岩体内部原生 裂隙、节理等弱结构面失稳扩展m3 ，随着反应的持 续进行，高温高压气体能以较长的时间作用于岩体 裂隙，这些微裂隙在高压气体驱动作用下进一步扩 展、延伸生成宏观裂缝，宏观裂缝进一步发展与掌子 面或切槽贯通形成宏观破坏性断裂面，最终在裂缝 中高压气体的膨胀力F 作用下，使破裂的岩块朝着 自由面方向胀裂剥落。 图1膨胀管结构图及产品图 图2 膨胀管破岩工作原理 俯视图 F i g ．2 T h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe x p a n s i o np i p e v e r t i c a lv i e w 膨胀管内产气剂触发后发生快速反应，其绝大 部分能量用于生成大量高温高压气体，激发产生冲 击波和应力波的能量只占很小比例，仅能对膨胀管 的P V C 外壳及其周围堵孔材料造成破坏。理论上， 1k g 产气剂生成气体产物达6 2 6L ，在膨胀管内产气 剂完全反应后，产生高温高压气体产物的峰值压力 可达数百兆帕，持续时间相对较长，完全反应时间在 2 0 ～6 0m s 左右，足以保证高压气体持续驱动裂隙发 育形成宏观裂缝，宏观裂缝之间相互贯通使岩石破裂 成大块岩石，一些宏观裂缝最终与自由面贯通使岩石 胀裂剥落，说明该破岩技术主要利用膨胀管内产生的 高温高压气体膨胀做功将岩石胀裂破坏【1 3 ] 。 产气剂生成大量气体的反应过程为氧化剂与还 原剂的氧化还原反应过程，故单位质量产气剂快速 反应过程所产生的产气量、反应温度、定容爆热等可 通过热化学反应理论计算得到，产气剂反应参数与 常用炸药对比见表2 ，可知产气剂在装填密度为 1 ．0 5k g ／m 3 时，单位质量产气剂完全反应释放能量 及产气量分别达到T N T 的7 9 ％和8 3 ％。考虑到反 应过程特点，产气剂在膨胀管内的反应过程可视为 定容反应过程，利用阿贝尔余容状态方程计算膨胀 管内产气剂反应生成高温高压气体的峰值压力n 4 1 P 畿 篇 ㈩ 式中P 为膨胀管内产气剂产生高压气体的峰 值压力，M P a ；p 为产气剂装填密度，g ／c m 3 ；n 为产气 剂反应生成气体的物质的量，m o l ；R 为理想气体常 数；c m 3 - M P a ／ m o l K ；T 为反应温度，K ；O L 为产 气剂反应生成气体产物的余容，L ／k g 。现场试验采 用的5 0 型膨胀管内含产气剂5 0 0g ，装填密度P 为 1 ．0 5g ／c m 3 ，余容“取0 ．4 9 9L ／k g ，根据表2 中产气 剂参数，利用 1 式可计算得到5 0 型膨胀管内产气 万方数据 第3 6 卷第3 期刘敦文，张兆令，褚夫蛟，等城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验1 0 7 剂完全反应生成高压气体产物的峰值压力可达 5 0 0M P a 。 表2 产气剂及常用炸药参数 T a b l e2P a r a m e t e r so fg a sg e n e r a t i n ga g e n t a n dg e n e r a le x p l o s i v e s 1 ．3 技术优点 由高压气体膨胀破岩技术特点及前期工程试验 研究可知[ 9 ’13 | ，相比其他非炸药破岩技术，具有以下 优点①安全性高，膨胀管内的产气剂常温常压下不 能触发，安全稳定性好，便于储存、运输和工程应用， 无特殊设备和环境条件要求；未被触发的膨胀管无 再次被触发的危险，充入的高压空气可通过阀门或 岩体裂隙排出泄压。②产品可根据实际工程需要和 地质情况定制不同药量、管长、管径的膨胀管；充气 管、连接头、储存管外壳等主要构件为普通常用材 料，强度要求不高，易于加工，产气剂各组分材料易 得。③破岩准备阶段操作简便，可在现场快速将充 气管、储存管、导线完成组装，无需大型或特种设备 辅助作业。④膨胀管破岩过程产生的振动和噪声相 对较小，对围岩、建构筑物及周围环境影响小，高压 气体膨胀法破岩单耗小，破岩效率较高，适用于城市 中人口和建筑物密集区域的地下硬岩开挖工程。 2 高压气体膨胀法掏槽开挖试验 2 ．1 工程概况 进行开挖试验的联络通道设置在区间里程 Z D K 3 1 2 6 2 ．6 5 0 3 0 1 ／3 0 2 环 处，开挖断面高 4 ．2 5m ，宽3 ．8 m ，断面面积仅1 4 ．6m 2 ，开挖总长度 9 ．8m 。联络通道围岩主要为微风化～中风化灰岩， 岩质较坚硬，有少量风化裂隙，R Q D 8 5 ％～9 5 ％， 围岩基本质量等级为I I I 级。 联络通道正上方地面为交通主干道，车流量较 大，开挖面距周边建筑物最小水平距离约2 0I T I ，开 挖掌子面紧邻盾构隧道管片。掌子面围岩较坚硬， 若采用炸药爆破开挖，爆破振动对隧道管片、围岩稳 定性及周围建构筑物影响较大，安全风险高。由于 地铁隧道空间及联络通道断面较小，无法使用大型 破岩机械进行开挖，施工单位决定采用人工风镐开 挖，而人工风镐凿岩较低的效率严重制约了开挖 进尺。 2 ．2 试验方案 联络通道上台阶开挖断面面积仅有6 ．5I T l 2 ，掌 子面前方围岩较坚硬，故采取高压气体膨胀法将整 个上台阶掌子面分为两次开挖中央掏槽和周边开 挖。周边开挖在中央掏槽后形成新的补偿空间基础 上进行，掏槽开挖后形成的补偿空间大小决定了周 边致裂孑L 的布置数量及位置。炸药爆破开挖的研究 及工程经验表明[ 1 5 ，1 6 ] ，一方面，对于断面面积小于 1 01 1 1 2 硬岩隧道，主要通过提高单循环掏槽长度加 快掘进效率，而岩体夹制作用随钻孔深度增加而急 剧增大，炮孔利用率低导致掏槽效果差、单耗大，作 业空间狭小、单自由面对现场施工、参数设计限制较 大；另一方面，掌子面较致密坚硬的岩体内聚力大、 强度高，对破岩极为不利，爆破振动传播距离远、危 害大。掏槽方式是影响硬岩隧道掘进速度的关 键【1 7 ，1 8J ，故掏槽破岩试验是本次小断面硬岩隧道高 压气体膨胀破岩试验的重点，不同于钻爆法提高掏 槽孔装药量，利用炸药爆炸冲击波、应力波来破碎和 抛出掏槽孑L 周围岩石以保证掏槽效果[ 19 | ，高压气体 膨胀破岩技术主要利用高温高压气体形成的高压膨 胀作用破裂岩石，产气剂释放的总能量有限，参考小 断面硬岩隧道掏槽爆破开挖时，空孔数目越多、直径 越大，掏槽效果越好的经验- 20 | ，预先在掏槽中心区 域开挖切槽，额外增加一个自由面作为掏槽破岩时 的补偿空间，现场对以下3 种不同的掏槽方案进行 了试验 方案1 如图3 a 所示，在掌子面中心区域用 水钻机从上至下垂直于掌子面钻取若干个孔径 1 1 0m m 、孔深1 ．51 T I 大直径空孔，空孔之间相互连 接形成宽约1 1 0m m 、深1 ．5n l 的切槽，为膨胀管掏 槽破岩增加一个自由面；随后在切槽左右两侧采用 凿岩机从上至下垂直于掌子面各钻取2 个直径 7 0m m 、孔深1 ．4m 的水平致裂孔，上、下致裂T L T L 距为0 ．7m ，致裂孑L 与切槽水平距离为O ．7m ，即抵 抗线为0 ．7m ，其中切槽长度应大于上、下致裂孔孔 距，破岩时4 个致裂孔中各装1 根膨胀管，详细参数 歹Ⅱ于表3 。 万方数据 1 0 8爆破2 0 1 9 年9 月 表3 各方案掏槽参数 T a b l e3P a r a m e t e r so fc u t t i n gp r o g r a m s 方案2 如图3 b 所示，在方案1 基础上，将致 裂孔与切槽水平孔距减小为0 ．4m ，即抵抗线减小 为0 ．4m ，其他参数与方案一相同。 方案3 如图3 C 所示，在切槽两侧从上至下 垂直于掌子面各钻取3 个孔径7 0m m 、孔深1 ．4m ㈨方案1 a P r o g r a m 的水平致裂孔，切槽两侧的上、中、下相邻致裂孔孔 距均为0 ．4m ，致裂孔与切槽水平距离为0 ．4m ，其 中切槽长度应大于上、下致裂孔孔距，在6 个致裂孔 中各装1 根膨胀管。 f 1 1 】方案2 h P r o g r a m2 c J 方案3 c P r o g ．t ‘a m3 图3 膨胀管和空孔分布图 单位m F i g ．3 T h ed i s t r i b u t i o no fe x p a n s i o np i p ea n de m p t yh o l e s u n i t m 2 ．3 试验现场振动监测 高压气体膨胀技术破岩试验过程中会引起一定 有害振动，试验所在区域位于城市主干道下方，且周 围建筑物密集，有必要对试验过程引发的振动进行 监测，评估高压气体膨胀破岩开挖对隧道管片、地面 道路和建筑物的影响程度。 分别在隧道内和地面布设振动监测点，对高压 气体膨胀破岩试验过程进行振动监测，监测仪器为 T C 一4 8 5 0 和N u b o x 一8 0 1 6 。隧道内3 个监测点均布设 在左线，分别将传感器布置到与振动中心处于同一 水平线的盾构隧道管片凹槽上，隧道内S 1 、舵、J s 3 振 动监测点布置如图5 所示；地面G 1 号测点布设在联 络通道正上方路面，地面G 2 号测点布设在与联络 通道相距2 0m 的建筑物台阶上，地面G 1 、G 2 测点 布置，如图4 所示。 3 掏槽开挖试验结果及分析 3 ．1 掏槽破岩效果 采用方案1 进行掏槽试验的膨胀管触发后，地 面仅有少量碎石，致裂孔均未发生冲孔现象，掏槽区 域岩体产生大量裂裂缝，主要分布在4 个致裂孑L 与 切槽之间，且裂缝较为明显，张开度0 ．2m m 左右， 大致沿岩体节理面发育，最终与切槽贯通，生成的裂 缝将岩体分割破裂成较大块度的岩块。切槽内填充 有碎石，两侧岩块向切槽有少量错动，掏槽区域周围 岩体亦产生少量长0 ．4 ～1m 左右的裂缝。可知高压 气体膨胀法破岩时，主要利用气化剂生成大量高压气 体形成的准静态高压应力场作用于裂隙，促使微裂隙 发育成宏观裂缝直至破裂岩石，由于抵抗线较大及致 裂孔周围岩体较强的夹制作用，膨胀管气化剂能量仅 能使岩体产生较多裂缝，同时高压气体从裂缝快速散 失，导致未能将破裂的岩石从掌子面崩落。 冈4 振动监测点布置示意网 单位n 1 F i g ．4L a y o u to fv i b r a t i o nm o n i t o l ’i n gp o i n t s u n i t n 1 万方数据 第3 6 卷第3 期刘敦文，张兆令，褚夫蛟，等城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验1 0 9 方案2 膨胀管触发后，切槽与致裂孑L 之间岩石 大部分被破裂崩落，崩落的岩块集中堆积在掌子面 前2m 范围内地面上，岩石块度较大，块度在0 ．3 ～ 0 ．5m 左右，有少量小块碎石形成飞石。掏槽区域 左侧和右侧岩体产生少量明显裂缝，掏槽区域上部 及下部岩体产生沿节理面发育的裂缝，裂缝较长、张 开度较小。掏槽深度整体较浅，剥落岩石方量相对 较少，补偿空间轮廓遗留岩根底坎较多，为周边致裂 孑L 增加补偿空间有限，导致周边致裂孑L 破岩时抵抗 线较大。 采用方案3 的膨胀管触发后，掏槽区域岩石完 全崩落，掏槽区域外周围岩石也有大量剥落，崩落的 岩石大部分块度在0 ．3 ～0 ．7m 之间，说明高压气体 的能量主要沿几条优势裂纹进行转移或转化，导致 剥落的岩石块度较大，崩落的岩石9 5 ％集中堆积在 掌子面前2m 范围内的地面上；掏槽区域未崩落岩 体产生较多裂隙，上部和右侧岩体产生几条张开度 较大的裂缝，并交叉贯通形成较大未崩落岩块，可轻 易用钢钎撬掉。 掏槽破岩后形成的补偿空间尺寸、破岩方量及 单耗等试验结果列于表4 ，与前两个掏槽试验方案 相比，方案3 掏槽破岩剥落岩石较多，破岩方量达到 3 ．5m 3 ，产气剂单耗仅为0 ．8 6k g ／m 3 ，且残留岩根底 坎较少，为周边致裂孔创造较多的补偿空间，达到了 较好的掏槽效果，方案3 掏槽破岩前后对比如图5 所示。 表4 掏槽破岩试验结果 T a b l e4 T e s t i n gr e s u l t so fr o c k - b r e a k i n gc u t 图5 方案3 掏槽破岩前后对比图 F i g ．5 C o n t r a s tf i g u r eb e f o r ea n da f t e rc u t t i n gw i t hp r o g r a m3 3 ．2 振动监测结果 对高压气体膨胀法掏槽试验时监测仪器采集的 振动数据进行整理，监测结果见表5 。经分析可知， 在城市地下硬岩隧道采用高压气体膨胀技术掏槽破 岩开挖引起的振动较小，采用方案3 进行掏槽破岩 时测得的振动速度最大，隧道内监测点S 1 测得最大 振速为2 ．2 9 4c n v ／s ，主振频率为1 9 4 ．7 0 2H z ，监测 距离8 ．5m ，远小于爆破安全规程中对于交通隧 道不超过1 5 ～2 0c m ／s 的振动速度限值规定。2 1 | 。 若采用2 号岩石乳化炸药进行钻爆法开挖，根据萨 道夫斯基公式进行炸药量推算，取较坚硬岩石K 5 0 、d 1 ．5 的极值2 】，相同振源距要达到 2 ．2 9 4c m ／s 的振动速度，经计算得到最大装药量为 1 ．3k g ，而实际的小断面硬岩隧道 巷道 掏槽爆破 施工经验表明∞ 1 6J ，为提高掏槽爆破效果所需药量 不止1 ．3k g ，产生的爆破振动也相应更大。高压气 体膨胀法掏槽试验过程引起的地面震感极小，不易 觉察，距地面建筑物最近测点G 2 测得的最大振速 为0 ．5 4 8c m ／s ，主振频率为4 3 ．3 3 5H z ，远小于规程 中对于一般民用建筑物安全允许质点振动速度为 2 ．5 ～3 ．0c m ／s 的规定。 表5 振动速度监测结果 T a b l e5R e s u l t so fv i b r a t i o nv e l o c i t ym o n i t o r i n g 对所有振动数据进行波形分析，可知采用高压气体膨胀法破岩引起的振动持续时间较短，均在 万方数据 1 1 0爆破2 0 1 9 年9 月 2 0m s 左右，以方案2 掏槽破岩时测点S 1 测得振动 速度2 ．1 5 1c m ／s 为例，S 1 与振动中心距离为 8 ．5m ，其典型振动速度时程曲线，如图6 所示。根 据表4 中监测数据绘制膨胀破岩的振动速度衰减曲 线，如图7 所示，可知在试验区域中应用高压气体膨 胀法破岩开挖时，振速随振源距的增大而快速衰减， 振动传播到s 3 测点时，振动速度峰值衰减到s 1 测 点的1 3 ％～2 8 ％，与振源距相近的地面测点G 2 的 测振数据相吻合。 2 ．4 2 ．O i 一1 ．5 ‘ I ．0 置 o0 ．5 遥0 ．0 襄m 5 螬一l ，0 一1 ．5 2 ．0 2 ．4 、 重 - 三 o 、 魁 蚓 需 蠼 时间，s 图6 振动速度时程曲线 F i g ．6 V i b r a t i o nt i m e h i s t o r yc u r v e 图7 振动速度衰减曲线 F i g ．7D e c a yc u r v eo fv i b r a t i o nv e l o c i t y 4 结论 1 对高压气体膨胀法破岩机理及过程进行分 析，可知该破岩技术是借助产气剂快速反应生成大 量高温高压气体产物，在致裂孑L 内形成高达 5 0 0M P a 的膨胀应力，远大于岩石抵抗破坏的阻力， 使致裂孔周围岩石发生断裂破坏，同时在高温高压 气体的气楔效应驱动作用下，岩石裂隙持续快速扩 展直至破裂岩石，说明高压气体膨胀破岩技术是一 种准静态破岩技术。 2 根据高压气体膨胀破岩机理，结合该联络 通道较坚硬的掌子面围岩及受力特点，设计进行了 3 种掏槽破岩试验方案，获得了高压气体膨胀法应 用于该小断面硬岩隧道掏槽破岩时的最佳孔网参数 为致裂孑L 深度及切槽深度分别一致的情况下，切槽 两侧各3 个致裂孔、孔距及致裂孔到切槽之间抵抗 线距离均为0 ．4m 。 3 分析振动监测结果可知，隧道内管片及地 面建筑物处最大振动速度分别为2 ．2 9 4c m ／s 、 0 ．5 4 8c m ／s ，均远小于爆破安全规程相应规定。根 据萨道夫斯基公式中参数K 、理取极值进行炸药量 反算可知，相比于采用炸药爆破开挖，高压气体膨胀 法掏槽破岩时单耗较低，引起振动速度相对较小，振 动持续时间短，且振速衰减较快，对管片及地面建筑 物影响极其微小。 4 通过在某联络通道展开高压气体膨胀掏槽 破岩试验，及对其破岩效果及振动监测结果的分析 研究，证明高压气体膨胀破岩技术应用于城市小断 面硬岩隧道的破岩时，在破岩效率及振动危害方面 优于传统的炸药爆破，为此类城市地下小断面硬岩 隧道的开挖提供了实际工程应用经验。 参考文献 R e f e r e n c e s 吴克刚，汤文辉，毛益松．闹市区多种小断面桩井控制 爆破开挖[ J ] ．爆破，2 0 0 4 ，2 1 4 3 0 3 3 ． W UK e g a n g ，T A N GW e n - h u i ，M A OY i s o n g ．E x c a v a t i o n o fv a r i o u ss m a l lt r a n s e c tp i l e w e l l si nd o w n t o w nd i s t r i c t s b yc o n t r o l l e db l a s t i n g [ Jj ．B l a s t i n g ，2 0 0 4 ，2 1 4 3 0 - 3 3 ． i nC h i n e s e 杜宝义．城市隧道爆破振动对周围环境影响评价及控 制技术研究[ D ] ．成都西南交通大学．2 0 1 5 ． D UB a o ．y i ．V i b r a t i o nI m p a c te v a l u a t i o no ns u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fb l a s t i n g c o n s t r u c t i o ni nc i t yt u n n e l [ D ] ．C h e n g d u S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ．2 0 1 5 ． i nC h i n e s e 刘泽，朱川曲，谢东海，等．小断面硬岩巷道爆破参 数优化设计与实践[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 7 ， 2 4 1 7 0 - 7 3 ． L I UZ e ，Z H UC h u n - q u ，X I ED o n g h a i ，e ta 1 ．O p t i m i z e d d e s i g na n dp r a c t i c eo fb l a s t i n gp a r a m e t e r sf o rh a r dr o c k r o a d w a yw i t hs m a l lc r o s ss e c t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fM i n g i n g ＆S a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 4 1 7 0 - 7 3 ． i nC h i n e s e 李琳，王海亮，周宜，等．城市地铁风井金属膨胀 剂开挖和爆破开挖技术对比[ J ] ．隧道建设，2 0 1 5 ， 3 5 2 1 6 7 1 7 3 ． L IL i n ，W A N GH a i l i a n g ，Z H O UY i ，e ta 1 ．C o m p a r i s o n a n dc o n t r a s tb e t w e e nm e t a le x p a n s i v ea g e n tb l