多级复式楔形掏槽在大断面隧洞掘进中的应用研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 7 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 4N o ．1 M a r ．2 0 1 7 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 7 ．0 1 ．0 1 0 多级复式楔形掏槽在大断面隧洞掘进中 的应用研究 I 李得1 ，杨溢1 ，李睿2 ，李克刚1 ，李建平3 1 ．昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．攀钢集团矿业公司，攀枝花6 1 7 0 0 0 ； 3 ．葛洲坝易普力股份有限公司米易分公司，米易6 1 7 2 0 0 摘要在米易县马鞍山水库溢洪洞X - 程施工过程中，采用现有的爆破方案时，存在钻孔利用率低、掘进速 度慢、爆破效果差、爆后有大量残孔及大体积根底等问题，且周边孔半孔率不足6 0 ％。基于此，提出了“多级 复式分部楔形掏槽”的解决方案。提高循环进尺，并实施五级掏槽设计，即内掏槽孔、主掏槽孔及3 排辅助掏 槽孔；优化周边孔参数，采用间隔装药结构，降低线装药密度及单孔装药量。通过9 次爆破试验后，炮孔利用 率达到9 6 ．8 ％；爆后无残孔及根底；周边孔半孔率达到9 0 ％以上。通过试验发现，特别是在大断面硬岩隧道 开挖困难时，采用多级楔形掏槽能有效的扩大掏槽腔体体积，增强掏槽效果；分部设计在减少穿孔数量的同 时，还保证了优良的爆破效果。 关键词大断面；隧洞掘进；爆破优化；复式楔形掏槽；钻孔利用率 中图分类号T D 2 3 5 ；T D 2 3 6文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 1 0 0 5 2 0 5 A p p l i c a t i o no fM u l t i - l e v e lD o u b l eW e d g eC u t i nL a r g eS e c t i o nT u n n e lD r i v i n g U D e l ，Y A N GY i l ，L IR u i 2 ，L IK e g a n 9 1 ，L IJ i a n - p i n 9 3 1 ．F a c u l t yo fL a n dR e s o u r c eE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a ；2 ．T h eM i n i n gC o ，P a n z h i h u aI r o na n dS t e e lC o ，P a n z h i h u a6 1 7 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．T h eM i y iB r a n c ho fG e z h o u b aE x p l o s i v eC oL t d ，M i y i6 1 7 2 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so fs p i l l w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o ni nM a “ a nM o u n t a i nr e s e r v o i ri nM iY i C o u n t y ，s o m e p r o b l e m sc a m ei n t ob e i n g ，s u c ha sl o w e ru t i l i z a t i o nr a t i oo fd r i l l i n gh o l ea n ds l o wa d v a n c es p e e do ft u n n e l ，w h e r et h e a v e r a g ed r i l l i n gu t i l i z a t i o nr a t i oi so n l y7 5 ．6 ％．S e c o n d l y ．p o o rb l a s t i n ge f f e c tr e s u l t e di nl a r g ea m o u n to fr e s i d u a l h o l e sa n dl a r g ev o l u m eo ff o u n d a t i o n ．T h i r d l y ，h a l f - b o r e h o l er a t ew a sl e s st h a n6 0 ％．T h e n ，t h em u l t i ．1 e v e ld o u b l e w e d g ec u ts o l u t i o nw a sp r o p o s e d ．B yi n c r e a s i n gt h ee x c a v a t i o nc y c l ef o o t a g e ，a p p l y i n g5s t a g ec u t t i n gd e s i g n ，o p t i m i z i n gp a r a m e t e r so fp e r i p h e r a lh o l ea n di n t e r v a lc h a r g e ，d e c r e a s i n gt h el i n e a rc h a r g ed e n s i t ya n dt h ec h a r g eq u a n t i t y ， g o o db l a s t i n ge f f e c t sw e r eo b t a i n e d ，s u c ha st h eb l a s t i n gh o l eu t i l i z a t i o nr a t i or e a c h e du pt o9 6 ．8 ％，n or e s i d u a lh o l e a n df o u n d a t i o ne x i s t e da n y m o r ea n dt h eh a l f - b o r e h o l er a t ee x c e e d e da b o v e9 0 ％．R e s u l t ss h o wt h a t ，o nt h ec o n d i t i o n o fl a r g es e c t i o no fh a r dr o c kt u n n e le x c a v a t i o n ，t h em u l t i l e v e ls e g m e n tw e d g ec u t t i n gi sh i g h l ye f f e c t i v ei ne x p a n d i n g c u t t i n gc a v i t y ，w h i c hf u r t h e rr e d u c e st h eh o l en u m b e r sb u ta l s oe n s u r e sg o o db t a s t i n ge f f e c t ． K e yw o r d s l a r g es e c t i o n ；t u n n e ld r i v i n g ；b l a s t i n go p t i m i z a t i o n ；d o u b l ew e d g ec u t t i n g ；d r i l l i n gu t i l i z a t i o n 万方数据 第3 4 卷第l 期李得，杨溢，李睿，等多级复式楔形掏槽在大断面隧洞掘进中的应用研究 5 3 在硬质岩石隧洞开挖过程中，常采用楔形掏槽。 楔形具有槽腔体积较大，能将掏槽腔体内的岩石有 效抛出，形成较大面积的自由面，为崩落孔的爆破提 供有利的破岩条件。但由于限制于隧洞断面及岩石 性质的影响，很难提高单次循环进尺，且由于底部炮 孔的夹制作用，崩落孔易留下残孔，进一步降低了有 效进尺⋯。在米易县马鞍山水库溢洪洞掘进工程 中，研究了“多级复式分部楔形掏槽”在该工程施工 中的应用，并有效的解决该隧洞掘进过程中遇到的 一系列问题，并取得了良好的爆破效果，为类似的隧 洞掘进提供了实践意义。 1 工程概况 马鞍山水库溢洪洞工程位于米易县丙谷镇芭蕉 菁。隧洞位于水库大坝左侧，全长4 5 1 ．7 8m 桩号 溢0 0 0 0 一溢0 4 5 1 ．7 8 ，圆弧拱型隧洞；设计洞 高6 ．8 1m ，宽8m ；开挖高度8 ．2 5m ，宽度9 ．4 8m ； 岩石为辉长岩，属于坚硬岩石，围岩，坚固系数f 1 6 ～1 8 ；设计坡比1 5 ，隧洞边墙及地板采用C 3 5 混 凝土，衬砌厚度8 0 ～1 0 0c m 。前期采用正台阶法掘 进，后期根据围岩性质，改为一次性全断面开挖法， 但由于设计和施工中存在较多问题，导致施工进度 缓慢。 2 工程中存在的问题 1 掏槽孔、崩落孔设置不合理，炮孑L 排距过 大，爆破后产生1 0 ～2 0 个，孔深2 0 3 0c m 不等的 残孔；采用分部楔形掏槽设计，上下两部的间距达到 了2m ，爆后出现高5 0 ～6 0c m ，宽度1 2m 的大体 积的根底。 2 周边孑L 孔距布置不均匀，帮f L f L 距为5 0 ～ 1 2 0c m ，拱顶f L f L 距为6 0 1 0 0c m 。 3 底板孔孔距过大，为1 ．4 1 ．9m ，垂直断面 直孔，与隧道的掘进方向形成1 1 。的夹角，因而在爆 破后断面前部会形成一个高5 0c m 左右的台阶。 4 周边孔装药量，线装药密度偏大。周边孑L 单子L 装药0 ．9k g ，线装药密度3 0 0g ／m ；炮孔底部装 2 0 0g 药卷3 支，距离孔口0 ．9m 处2 支。 综上所述主要存在的问题有周边孔爆破后半 孔率不足6 0 ％；爆破后断面平整度不好，凹进、凸出 收稿日期2 0 1 6 1 1 一0 1 作者简介李得 1 9 9 2 一 ，男，在读硕士研究生，从事工程爆破研 究， E - m a i l 11 2 6 1 8 9 2 8 5 q q ．c o r n 。 通讯作者杨溢 1 9 6 5 一 ，男，教授、博士、硕士研究生导师，主要 从事工程爆破研究， E m a i l k g g t y y 1 6 3 ．o o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 4 1 3 6 2 0 1 3 明显；爆破设计进尺3m ，单次有效循环进尺仅有 2 2 ．5m ，平均炮孔利用率7 5 ．6 ％；考虑到隧洞正 上部有水库大坝建设需要的料石开采爆破，上部采 场与下部隧洞水平高差仅1 5 3 0m ，隧洞每月只进 行1 5 次爆破，月平均进尺仅3 3 ．7 5m ，需要加快隧 洞掘进速度，以减小受上部料场开采的影响。 3 改进方案的提出 根据以上问题，以及隧洞的具体情况，提出了 “多级复式分部楔形掏槽”的解决方案，增大掏槽腔 体体积，改进周边孔的布置和装药结构，解决炮孔利 用率低，有效进尺短，及周边孔爆破后半孔率低的问 题。钻孔设备依然使用4 2m m 的手风钻进行一次 性全断面开挖；炸药采用葛洲坝易普力公司生产的 咖3 2m m ，长2 0 0m m ，重2 0 0g 和长3 0 0m m ，重3 0 0g 的2 岩石乳化硝铵炸药药卷。 3 ．1 掏槽设计 在隧洞掘进过程中，由于只有一个自由面，四周 岩石夹制力很大，爆破条件困难。因此，掏槽方式的 选择占据着至关重要的位置，掏槽方式直接影响着 整个隧洞掘进的效率和成本。根据实际研究表明， 特别是在大断面的隧洞掘进中，楔形掏槽与直孔掏 槽相比，楔形掏槽比直孔掏槽钻孑L 数少，循环装药量 少，掏槽腔体体积更大，更有利于扩大自由面，为崩 落孔的创造更好的爆破条件心，3J 。根据其实际情况 以及类似的工程案例H ‘7 j ，采用“五级复式分部楔形 掏槽”，并优化了钻孔布置方式，在该隧洞掘进过程 中取得了良好的效果。 3 ．1 ．1 五级复式分部楔形掏槽 根据本隧洞的具体情况，隧洞掘进宽度较大，采 用五级复式分部楔形掏槽 如图1 、图2 所示 。增 加掏槽孔排数，孔数，扩大掏槽面积，上下两分部间 距减小到9 0c m ，更有利于崩落孔崩落岩石。 3 ．1 ．2 主掏槽孔及内掏槽设计 在掏槽孔的设计中，主掏槽孔是最先设计的，确 定了主掏槽孔的参数后，就可方便的确定剩余辅助 掏槽孔的参数哺J 。主掏槽孔布置具体参数如图1 所示。 1 考虑到凿岩台架的内侧宽度为4 ．6m ，因此 保持原有设计中主掏槽孔的间距，K 士 4 6 0c m 。 2 掏槽孔超深△￡取A L 2 5c m 。 3 主掏槽孔孔底距N 丰 3 0c m 。 4 主掏槽孔与内掏槽孔间排距取4 0c m ，由此 可推出主掏槽孑L f L 深L } 4 ．3m ，倾斜角度为6 0 。。 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 5 主掏槽腔体体积K 0 ．2 4 ．6 0 ．3 3 ．5 4 ．6 ／2 4 1 ．9 5m 3 ；与原设计中主掏槽 3 0 ．6 3m 3 的掏槽腔体相比增加了3 6 ．9 6 ％。 根据原设计中，主掏槽的掏槽宽度过大，导致掏 槽效果不好。为提高主掏槽的效率，采取在主掏槽 内增加一排内掏槽孔的设计，内掏槽孔的孔深为主 掏槽孔的2 ／3 左右。 1 内掏槽孔长度即为L 内 2 ／3 L 主 3 ．0m 。 2 内掏槽孑L 底距应跟主掏槽孔底距相同，即 Ⅳ内 Ⅳ主 3 0c m 。 3 内掏槽孔设置在主掏槽孔内侧4 0c m 的位 置，即内掏槽孔的掏槽宽度K 内 4 6 0 2 4 0 3 9 0c m 。 4 内掏槽倾角为5 4 。。 Ⅲ山 ； 朋朋 落落 毫 孔孔 12 一 ＼ ．』0 。_ 6 幔．．3 5 ．3 5 ．3 5 ．4 0 ．一 3 8 0 1 一．4 0 ．35 ．3 5 ．3 5 ．．五n ．五吼 ’一一。 一1460 l 一 。一 9 4 6 ～ 一 圣 暑I 图1 掏槽孔布置剖面图 单位e H l F i g ．1 S e c t i o nv i e wo fc u th o l e u n i t c m I ●- ●●I●●II●●●●● II l ●‘●●● 蠹 ●2 l I 童 ， 辅．祷 摹 宣●I ● 内 I●● ’∥ 籍 上部掏槽孔 I●I ●I●● ’．．I I ●● 惆 莓摹 吼． 孔● ● I 边 ●● I 孔‘ l ● ●I I ●I ●-- 一一 -- l●II I●I●●-II ● ●L I ’ ， 呱 司 司 I ● II ● I ●． ．●．．● I I●Il I I ●I●●● I●II 下部掏槽孔 I●I ●I●●● 可 I ●． ●●●● ●● ●I I j g - 1 0 生ll j 声 ；塑I ． ．I Q 声； i P Il j 生I 』生l 图2 掏槽孔布置图 单位c n l F i g ．2L a y o u to fc u th o l e u n i t c m 3 ．1 ．3 辅助掏槽孑L 设计 主掏槽孔及内掏槽孔确定后，为加强主掏槽和 内掏槽的掏槽效果，扩大掏槽腔体体积，再增加3 排 辅助掏槽孔，每隔3 5c m 布置一排炮孔，其布置方式 可见图1 、图2 中所示，详细孔网参数如表1 中所 示。在原掘进爆破设计中，崩落孔底部抵抗线大于 1m ，导致底部爆破后残留的岩石未爆区较大，为此 将炮孔底部间距减小为8 5c m ，任何两排炮孔的抵 抗线都不会超过9 0c m 。 宝 量 宝 ● 4 J 景 表1 辅助掏槽孑L 参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fa u x i l i a r yc u th o l e 3 ．2 崩落孔及周边孔设计 3 ．2 ．1 崩落孔设计 主掏槽孔和内掏槽将第二自由面创造出来，并 万方数据 第3 4 卷第1 期李得，杨溢，李睿，等多级复式楔形掏槽在大断面隧洞掘进中的应用研究 5 5 在辅助掏槽孔进一步扩大掏槽腔体之后，减小了崩 落孔的抵抗线，更有利于崩落孔崩落岩石一J 。崩落 孔采用直孔的方式，孔深3 ．5m ，孔距8 0c m ，排距 6 0c m ，炮孔布置方式可见图1 、图2 中所示。 3 ．2 ．2 周边孔设计 周边孔是爆破中最后起爆的一排孔，对隧洞断 面的形成起至关重要的作用周边孔爆破后半孔率的 多少对围岩的影响较大，爆破后的两帮平整度也影 响下一次钻孔的布置和钻孔精度0 I 。 1 调整优化周边孔的装药结构。将线装药密 度3 0 0g ／m 减小为2 0 0g ／m ，单孔装药0 ．7k g ；均匀 布置，间隔装药；采用重2 0 0g ，长2 0 0m m 的2 岩石 乳化硝铵炸药药卷，并切割成1 0 0m m 长的短药卷； 导爆索引爆，导爆索穿过药卷后，用胶带将药卷和导 爆索绑在一起，以替代竹片，如图3 所示；保证至少 5 0c m 的填寒 图3 周边孔装药结构图 单位c m F i g ．3 S t m c t u r eo fs m o o t hb l a s t i n gh o l e u n i t c m 2 炮孔密集系数，孔距6 0c m ，排距6 0c m ，炮 孔密集系数n 6 0 ／6 0 1 。 3 炮孔钻孔方向与隧洞掘进方向坡度平行， 角度1 1 。。 4 底板孔炮孔间距减小为8 0c m ；钻孑L 角度与 周边孔相同，角度1 1 。，避免爆破后出现台阶。 3 ．3 炮孔布置及爆破参数 1 炮孔布置图，如图4 所示。 图4 掘进设计图 单位c m F i g ．4 T h ed r i v i n gd e s i g n u n i t c m 2 爆破参数表，详细参数见表2 所示。 4 爆破效果 由于加强了对掏槽孔的设计，爆破后发现，在原 来容易出现根底，凸出的位置没有再出现大体积的 根底，提高了断面平整度，为下一个掘进循环创造了 良好的钻孔环境。在2 0 1 6 年6 月2 日采用新的爆 破设计后，到2 0 1 6 年6 月1 8 日，9 次爆破，掘进 3 0 ．5m ，平均单次循环进尺3 ．3 9m ，炮孔利用率 9 6 ．8 ％，最高循环进尺3 ．4 5m ，炮孔利用率9 8 ．6 ％， 炮孔利用率由优化前7 5 ．6 ％提高到了最高9 8 ．6 ％， 无残孔出现，极大的提高了爆破掘进效率。经过调 整装药结构后的周边孔，半孔率达到了9 0 ％以上， 壁面光滑，平整，没有凹进和凸出现象发生。底板孔 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 采用与隧洞掘进坡度相同的角度后，没有出现台阶。 表2 爆破参数表 T a b l e2 B l a s t i n gp a r a m e t e r s 5 结论 注6 0 8 0 3 ’帮孔排距为6 0c m ，拱部孔排距为8 0c m 。 通过对米易县马鞍山水库溢洪洞掘进工程中存 在的钻孔利用率较低、掘进速度慢、隧洞爆破效果差 等问题进行分析，采用了“五级复式分部楔形掏槽” 的掏槽方式，增大单次掘进循环进尺，大大提高了炮 孔利用率。通过调整周边孔的装药结构和孔网参 数，降低了线装药密度，提高钻孔质量，周边孔的爆 破效果得到了提高，即新的爆破方案能满足该隧洞 掘进工程的要求。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 汪旭光，郑炳旭，张正忠，等．爆破手册[ M ] ．北京冶 金工业出版社，2 0 1 0 4 8 8 5 2 4 ． 于亚伦，汪旭光，宋守志，等．工程爆破理论与技术 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 4 2 1 1 - 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