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第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4 Dec. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 04. 013 大直径中空直眼掏槽技术在隧道救援中的应用* 黄宝龙 ( 天地科技股份有限公司建井研究院, 北京100013) 摘 要 岳家沟隧道工程在里程号RK75 +470处突发塌方, 为了营救右洞掌子面处的3名被困施工人员, 采用钻爆法开挖横洞的救援方案, 即从隧道左洞开挖小断面横洞到右洞的掌子面, 形成新的救生通道。根据 理论计算, 设计了大直径中空直眼掏槽爆破方案 空孔直径为152 mm, 空孔每次钻进10 m, 围绕空孔共有2 圈掏槽孔, 第一圈掏槽孔与第二圈掏槽孔各有4个孔, 孔径均为42 mm, 孔深均为5 m, 第一圈掏槽孔为竖向 正方形布置, 距空孔中心为200 mm, 第二圈掏槽孔为水平向正方形布置, 与第一圈掏槽孔孔间连线的垂距为 340 mm。结果表明 大直径空孔为后续炮孔爆破提供了足够大的自由面, 平均循环进尺4. 3 m, 掘进效率得 到显著提高,3名被困施工人员成功获救。采用该技术, 减少了钻孔数量, 减少了钻孔时间, 减少了循环次 数, 加快了掘进速度, 节约了火工品的消耗。 关键词 公路隧道;塌方;救援;大直径中空直眼掏槽 中图分类号 U457 + . 5;U455. 6 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)04 -0074 -04 Application of Parallel Cut Blasting with Large Empty Hole in Tunnel Rescue HUANG Bao-long (Institute of Mine Construction,Tiandi Science & Technology Co Ltd,Beijing 100013,China) Abstract A collapse accident occurred at RK75 +470 of Yuejiagou tunnel. In order to rescue three constructors who were trapped in the face of the right tunnel,rescue plan of excavating a transverse tunnel by means of drilling and blasting was adopted. That is excavating a transverse gallery with a small cross section from the left tun- nel to the face of the right tunnel. Then a new emergency exits can ba found. Based on the theoretical calculation, scheme of parallel cut blasting with large empty hole was designed. Diameter of the empty hole is 152 mm. Depth of the empty hole is 10 m each drilling. There are two laps cutting holes around the central empty hole. Each has four cutting holes of the first lap and the second lap. Diameter of all these cutting holes is 42 mm. Depth of all these cut- ting holes is 5 m. Layout of the first lap cutting holes is vertical square. Distance between the first lap cutting holes and the empty hole is 200 mm. Layout of the second lap cutting holes is horizontal square. Vertical distance between the second lap cutting holes and the connected line of the first lap cutting holes is 340 mm. Results showed that large empty hole provides sufficient free face for the subsequent blast holes. Average footage cycle was 4. 3 m. Drivage effi- ciency was significantly improved. Three trapped constructors were successful rescued. By means of this , number of drilling holes,drilling time and cycle number were reduced,drivage speed was enhanced,consumption of initiating explosive device was saved. Key words highway tunnel;collapse;rescue;parallel cut blasting with large empty hole 收稿日期2018 -07 -19 作者简介黄宝龙(1976 -) , 男, 满族, 辽宁省岫岩人, 博士后、 副研 究员, 主要从事岩土工程方面的科研工作, (E-mail)ba- olonghuang@163. com。 基金项目国家自然科学基金联合基金项目(U1261126) 塌方是公路隧道施工中最常见的一种灾害, 是 造成工期延误、 生命财产损失和影响隧道运营的一 个重要安全隐患[ 1]。在塌方发生后, 正确快速地实 万方数据 施救援的关键是救援抢险方案的科学制定和 选择[ 2-5]。 在有人员被困情况下, 为了安全快速救援, 采用 钻爆法开挖小断面横洞有可能是最佳选择。加快横 洞掘进速度的关键是提高循环进尺, 提高循环进尺 受到多个因素影响[ 6], 而其中最关键的是掏槽[7], 掏槽多采用楔形掏槽形式[ 8,9], 但楔形掏槽受断面 宽度限制, 循环进尺很难提高。以岳家沟隧道塌方 救援为例, 研究了大直径中空直眼掏槽技术在抢险 救援中的应用, 取得了良好爆破效果, 循环进尺显著 提高, 被困人员成功获救。 1 工程概况 岳家沟隧道隧址区位于太行山中山区, 山脉走 向为近东西向, 岩浆活动频繁, 岩脉侵入穿插强烈, 节理较发育, 地面海拔介于572 ~ 956 m之间, 相对 高差近384 m。 该隧道按山岭重丘区高速公路设计, 为分离式 双车道单向高速公路隧道, 长4100 m, 属于特长隧 道, 设计时速为80 km。采用复合式衬砌, 初期支护 为锚喷支护, 并辅以钢拱架, 永久支护为模筑混凝土 三心曲墙式衬砌。隧道建筑限界为 净宽13. 25 m, 建筑限界高5 m。 2012年8月30日5时30分, 该隧道右洞出口 里程号RK75 +470处突发塌方, 塌方体长度约20 m, 造成距塌方处约120 m正在掌子面作业的3名施工 人员被困。 根据现场勘查分析认为 此次塌方主要由于该 隧道地质结构复杂, 塌方前的连降暴雨使得大量地 表水渗入隧道范围内的岩土体, 在设计初期支护已 完成的情况下, 由于三组不利光滑节理切割岩体造 成塌方。 2 地质条件 2012年07月07日, 围岩分级课题组曾对该隧 道出口右幅(RK75 +468) 处掌子面施工现场进行了 考察, 依据 公路隧道设计规范JTG D702004 , 对 岩体等级进行了划分 掌子面岩性为微风化~弱风 化花岗岩, 岩石坚硬, 根据岩石点荷载强度指数换算 获得掌子面岩石的单轴饱和抗压强度为 66. 38 MPa, 主要发育有两组节理及若干随机节理, 第一组节理产状132∠65, 每米长测线上的条数 为4; 第二组节理产状229∠34, 每米长测线上的 条数为2; 随机节理每立方米岩体上的条数为3, 属 较完整岩体。拱顶左侧节理面呈大型平面, 结合较 差, 易形成较大掉块, 拱顶右侧局部呈点滴状出水, 埋深约184 m。综合考虑, 掌子面围岩为Ⅲ级围岩。 掌子面左侧情况见图1。 图1 掌子面左侧情况 Fig. 1 Situation of the left side in tunnel face 掌子面素描图见图2。 3 救援过程 3. 1 救援方案 隧道塌方发生后, 救援指挥部按照“尊重专家 意见, 科学施救, 防止发生次生灾害”的原则, 迅速 制定了两套救援抢险方案。 第一方案 正面救援。即从塌方体右侧拱脚处 开挖侧壁导硐, 采用机械设备并配合人工进行。第 二方案 开挖横洞。即从隧道左洞开挖横洞到右洞 的掌子面进行施救, 形成新的救生通道, 见图3, 横 洞高5 m, 宽4 m, 长50. 31 m。 在第一方案实施过程中,11台大型设备和60多 名救援人员轮流作业, 昼夜施工。但由于塌方处地 质条件极不稳定, 隧道上方又连续发生第二次、 第三 次塌落, 不仅增加了救援工作量, 也极易发生次生灾 害。最后, 经专家论证, 救援指挥部放弃第一方案, 全力推进第二方案的实施。 57第35卷 第4期 黄宝龙 大直径中空直眼掏槽技术在隧道救援中的应用 万方数据 图2 掌子面素描图 Fig. 2 Sketch map of the tunnel face 图3 救生通道开挖方案( 单位m) Fig. 3 Excavation scheme for escape and rescuetunnel(unitm) 3. 2 大直径中空直眼掏槽技术 最初实施第二方案时, 采用的是YT28气腿式 凿岩钻机, 炮孔直径φ 42 mm, 凿岩效率低, 采用楔 形掏槽, 钻孔深度3 m, 但由于横洞断面小, 岩石夹 制力大, 导致每循环爆破进尺仅约2 m, 爆破效率较 低, 不利于快速救援。 直眼掏槽不受断面宽度限制, 鉴于此, 专家决定 采用大直径中空直眼掏槽技术, 充分利用大直径中 空直眼的空孔效应。救援指挥部紧急调来阿特拉斯 ROC L6型潜孔钻机, 该机最大钻孔直径φ 152 mm, 一次性钻孔深度可达30 m,采用高容量的Atlas Copco XRX10螺杆式空压机, 对炮孔的冲洗效果较 好, 动力回转装置采用液压双马达, 钻杆连接装置采 用浮动联接, 提高了钻杆及回转装置的使用寿命, 降 低了故障率。 直眼掏槽形式中, 螺旋掏槽的效果最好, 但其操 作复杂, 工人不易掌握, 为此, 作者设计了大直径中 空直眼掏槽方案, 图4为掏槽炮孔布置基本图。 图4中b1与b2的确定方法如下 (1)b1的确定方法 装药受夹制的程度可用自由面不受限制条件下 装药的最优抵抗与自由面宽度的比值k = w0 b 来表 示。当自由面宽度b <2w0时, 装药最优抵抗可按下 列经验公式来确定[ 10] wb=dc 1. 95e ρ 槡m + 2. 3 - 0. 027 b(0. 1b + 2. 16) (1) 式中dc为装药直径,cm;b为自由面宽度,cm;ρ 为岩石容重,g/ cm3;e为炸药爆力校正系数。 图4 大直径中空直眼掏槽基本图( 单位mm) Fig. 4 Basic layout of parallel cut blasting with large empty hole(unitmm) 根据式(1)计算第一圈装药眼与空眼间距离, 使形成破碎漏斗的体积达到最大。本隧道的岩石容 重ρm=2. 7 g/ cm3, 采用二号岩石乳化炸药, 药卷直 径35 mm, 药卷长度为200 mm, 药卷质量为200 g, 采用非电导爆管雷管起爆, 炸药爆力校正系数e = 0. 89, 装药直径dc=35 mm, 空眼直径152 mm, 所以 wb1=dc 1. 95e ρ 槡m + 2. 3 - 0. 027 b(0. 1b + 2. 16)= 67爆 破 2018年12月 万方数据 3. 5 1. 95 0. 89 2. 槡 7 + 2. 3 - 0. 027 15. 2 (0. 1 15. 2 + 2. 16)= 20. 5 cm 为了方便操作, 将该值取整, 即wb1=20 cm。 (2)b2的确定方法 根据式(1) 计算第二圈装药眼与第一圈装药眼 爆炸后形成槽洞的距离, 从而确定第二圈装药眼的 布置。 第一圈炮眼爆炸后形成槽洞的宽度为b = 2 20 +4. 2 =44. 2 cm, 将它作为第二圈装药眼的自由 面, 代入式(1) , 得 wb2=dc 1. 95e ρ 槡m + 2. 3 - 0. 027 b(0. 1b + 2. 16)= 3. 5 1. 95 0. 89 2. 槡 7 + 2. 3 - 0. 027 44. 2 (0. 1 44. 2 + 2. 16)= 34. 2 cm 为了方便操作, 将该值取整, 即wb2=34 cm。 因此, 本横洞爆破开挖的掏槽炮孔布置见图5, 现场掏槽炮孔布置见图6。 大直径中空直眼每次钻进10 m, 掏槽孔爆破参 数见表1。 图5 掏槽炮孔布置( 单位mm) Fig. 5 Layout of cut blasting holes(unitmm) 图6 现场掏槽炮孔布置 Fig. 6 Layout of blast holes in situ 表1 掏槽孔爆破参数 Table 1 Blasting parameters of blast holes 炮孔 编号 炮孔 分类 炮孔 数/个 雷管 段别 炮孔 长度/ m 最小抵抗 线/ m 堵塞 长度/ m 炮孔装药量 每孔/ kg段总量/ kg 1 ~4第一圈掏槽孔4150. 1241. 04. 016. 0 5 ~8第二圈掏槽孔4350. 3401. 04. 016. 0 总计832. 0 3. 3 救援结果 2012年9月5日22时55分, 经过161 h的紧 张救援,3名被困施工人员成功获救。此次救援, 完 成横洞开挖50. 31 m, 由于采用大直径中空直眼掏 槽技术, 平均循环进尺达到了4. 3 m, 平均日进尺达 到了10 m以上,是原方案平均日进尺6 m的 1. 7倍, 为此次成功救援提供了最关键的技术支持。 4 结论 这次救援是一次以人为本、 科学施救的成功案 例, 为在坚硬岩石地区隧道快速救援提供了借鉴, 可 得到以下结论 (1) 大直径中空直眼掏槽利用了大直径空孔的 自由面, 可形成大体积槽腔, 为后续炮孔的爆破提供 了足够的自由面, 解决了小断面坚硬岩石隧道爆破 开挖掏槽困难的问题。 (2) 采用大直径孔中空直眼掏槽技术, 提高了 掏槽效率和其他炮孔的爆破效率, 炮眼利用率由原 来楔形掏槽的66%提高到了86%。 (3) 采用大直径中空直眼掏槽技术, 炮孔深度 大幅提高, 循环进尺由原来的2 m达到了4. 3 m, 减 少了钻孔数量, 减少了钻孔时间, 减少了循环次数, 从而加快了掘进速度, 节约了火工品的消耗。 参考文献(References) [1] 张军伟, 陈云尧, 陈拓, 等. 20062016年我国隧道施 工事故发生规律与特征分析[J].现代隧道技术, 2018,55(3) 10-17. 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