光面爆破法在隧洞施工中的应用.pdf

总第 9 2期 2 0 0 4年第 1 期 西部探矿工 程 WES TCHl NA E XP LORATI ON ENGI NE ERI NG s e r i e s NO ． 9 2 J a n ．2 0 0 4 文章编号 1 O 0 4 ～5 7 1 6 2 O 0 4 0 1 0 1 1 4 0 3 中图分类号 TD 2 3 5 ． 3 7 4 文献标识码 B 光面爆破 法在 隧洞施工 中的应用 杨 维 广 东省水利水 电第三工程局 ， 广 东 东莞 5 2 3 7 1 0 摘要 石榴潭水库位于揭阳市惠来县境 内， 是一座集发电、 灌溉、 防洪于一身的中型水库。由于该水库于2 o 世纪 6 o年 代修建， 使用期长已明显老化， 存在引水涵洞严重渗漏无法正常使用、 坝体沉陷开裂及坝后培厚不足等险情， 故该水库 于 2 0 0 2年底开始进行除险加 固。新增隧洞工程为其中一个分部， 该洞位 于右岸坝头， 地质资料显示该处为微风化流纹 斑岩， 局部为中风化岩。洞长 2 4 5 ． 9 m， 洞径仅 3 4 5 3 5 5 c m， 且地下水位高， 不适应于机械化施工； 在采用光面爆破法进 行洞 室开挖后 ， 工期 大大缩短仅为 2个 月左右， 不仅满足 了防洪渡汛的要 求 而且提 前通 水发 电， 取 得 了明显的社会 和经 济效益。 关键 词 光 面爆破 ； 锁洞 口； 台阶 法； 微 差 ； 不耦合 ； 裂 变 光面爆破 亦称护层爆破 ， 它 是除正 常装 药的 主炮 孔外 ， 另外 沿设计开挖线钻一排小直径边线炮孑 L 不耦合间隔装药 ， 利用微 差起爆技术， 先起爆主炮孑 L 后同时起爆边线炮孑 L ， 使两孑 L 之间的 岩面处于受拉状态而被劈裂， 这样在正常炮孑 L 和设计开挖线间 预留缓冲保护层 ， 从 而取得 良好的爆破效果 。 1 概述 1 引水隧洞桩号 O 1 0 ． 5 ～O 2 5 6 ． 4 ， 全长 2 4 5 ． 9 m。 2 根据地质勘探资料。隧洞在桩号 o 0 1 0 ． 5 40 0 3 0 ． 5 ， O 1 7 5 40 2 1 5二处地段， 共长 6 0 m。此二处因隧洞顶部岩石 属中风化岩， 且隧洞压顶岩石厚度达不到三倍开挖直径要求， 且 地下水位较高， 开挖难度较大。 3 隧洞开挖断面不大， 直径仅有 3 4 5 43 5 5 c m， 不适应于机 械化施工 。 4 为了明年防洪渡汛， 施工期较短， 只有 2个月左右。 5 存在许多不可预见性。 2 施 工方案 1 隧洞全长 2 4 5 ． 9 m， 分为进、 出水口二个工作面开挖。计 划进水口开挖 4 0 m， 出水口开挖 2 0 5 ． 9 m。 2 隧洞进 、 出水口两个工作面。在进洞段需先开挖后分别 浇筑钢筋砼锁住洞口。构造 1 4 2 0配置。隧洞入口开挖形成 加 固后 ， 才能进 行洞身部分 的开挖 。 3 隧洞开挖掘进采 用台 阶上导 洞 、 下 台阶 同时推进 方 案。 按中轴线分上导洞和下台阶， 且上导洞必须领先掘进 3 m 以上， 作为上导洞打眼及支护等工作台。具体参见图 1 。 4 隧洞开挖爆破。上导洞采用光面爆破法， 下台阶采用普 通爆破法。以下为光面爆破参数的选择。 ①单位炸药消耗量 选用 0 ． 1 k g ／ r n 3 q 0． 00 01 75 7 式 中 7 ⋯ 一 岩石容重 ， k g ／ m3 。 ②最小抵抗线 选用 2 ． 4 m W 一 7 4 2 0 D 式 中 D 一 钻孑 L 直径 ， 一般 w 采用 1 43 m。 ③炮孑 L 间距 选用 0 ． 3 2 m a 一 0 ． 5 4 0 ． 7 5 A 式中 A 正常炮孑 L 间距 。 ④不耦合系数 选用 2 ． 1 9 I d D／ d 式中 D 钻 孔直径 ； d ⋯ 药卷直径 。 5 隧洞出碴采用人工装车， 手扶拖拉机运碴至洞口外 2 0 m 左右， 再用汽车倒运至指定地点。 6 隧洞底部爆挖后可留约 5 0 46 0 m厚石碴做交通运输道 路。待隧洞打通后再清底碴。欠挖部分再补炮， 修整规格。 3 施工方法 在进行洞身开挖前 ， 要对隧洞进、 出水口进行锁洞口， 断面同 洞身、 长度为 1 ． 8 m、 厚度为 0 ． 4 m、 结构为钢筋混凝土； 另外洞脸 开挖后的边坡需进行喷 5 c m厚细石混凝土固结的安全防护。在 完成锁洞口和边坡防护后， 第一次先进行上导洞的开挖， 长 3 m 左右， 以后上导洞和下台阶同时开挖， 上导洞采用光面爆破法、 下 台阶采用普通爆破 法。 1 施工程序 准备工作一测量一布孑 L 一钻孔一装药一爆破 一 排烟 、 通风一 查炮一 出渣一下一循环 。 2 测量 采用经纬仪定 出开挖断面控制线一 一 十字中轴 线， 控制点要准确、 牢靠； 每一个开挖循环测量放样一次， 每 1 0 m 进行 复检 一次 。 3 布孑 L 依据施工方案所定的孑 L 眼数和间距等， 通过测量 控制点定出每个孑 L 眼的位置并用红油漆予以标识。 ①上导洞 开挖边线 周边孑 L 1 7个， 直径 1 2 0 m J n， 孑 L 深 2 0 0 0 mm， 间距为弧长 3 0 0 mm， 其中9个不装药为导向孑 L ； 主炮孑 L 1 3 个， 直径 1 2 0 mm， 孑 L 深 2 0 0 0 mm， 间距为 5 5 0 m m， 其中掏槽眼 4个、 中心孑 L 一个不装药 详见图 1 、 图 2 。 ②下台阶 布孑 L 1 1 个 ， 分三排， 第一排距 中轴线 6 5 0 n u n ， 往 下分 别间 隔 6 5 0 mm、 5 0 0 mm， 行 间距 8 8 0 m m， 直径 1 2 0 mm。 孑 L 深 2 0 0 0 mm 详见 图 3 。 4 钻孑 L 施工前应 准确标 出设计 边线 和边孔 的钻孔 位置 ， 掌握好孑 L 的方 向、 角度和深度 ， 各边孔炮 位应 相互平 行 ， 孔底应 落 维普资讯 2 0 0 4 第 1期 杨维 光面爆破法在隧洞施工中的应用 1 1 5 图 i 爆挖上导洞、 下台阶布孔纵剖面示意图 【 单位 c m 中轴线 I 图 2上导洞布孔示意图 单位 c m } ， 轴线 l 图 3下台阶布孔示意图 单位 c m 在同一水平面上； 采用国产 7 6 5 5型风钻施工， 为缩短打孔时间， 上导洞 、 下台阶同时打孔 ， 钻孔的数量、 技术参数要按设计标准和 测量点进行。施钻过程中手不能离开钻机及风门， 禁止用胸部顶 住钻机 ， 吹风管和钻机接头要保证牢靠； 打炮孔时要严格控制 ， 尤 其是周边孔施工不准欠挖， 超挖控制在 l O c m内， 通过验收后方 能进行下道工序的施工。 5 装药 ①装药前对所有炮孔进行检验， 不合格者应采取补救措施， 并吹干净炮孔内的石粉。 ②上导洞周边控制孔采用不耦合法， 空气间隔装药， 间隔长 度为药柱的 2 0 ～3 5 左右， 孔中药卷长 2 0 0 m m， 直径 3 2 mm， 问距 3 0 0 6 0 0 mm， 沿孔深问断绑在细线、 导火索或导爆索上； ③底部药量为上部的 2 ～3倍， 放置在紧靠开挖区的孔壁一 边， 全部药卷套用塑料定位器， 使药卷与孔壁有径向空隙， 用以减 弱爆破振动和冲击波， 炮孔顶部要用由 1 份粘土和2份砂混合成 的材料堵塞；‘ ④周边孔药量控制在 0 ． 4 k g ／ m3内， 超装量控制在 5 内； 其 余普通孔和下台阶一样 ， 平均装药量控制在0 ． 8 ～1 ． O k g ／ m3内。 6 爆破 ①爆破采用毫秒微差分段爆破 减轻拱顶围岩破坏 ， 上导洞 与下台阶主炮孔同时起爆， 然后上导洞周边炮孔同时起爆， 使两 孔之问的岩面处于受拉状态而被劈裂。 微差 时间按下面经验公式选取 t 一3 ～6 W 一般取值 2 0 5 0 ms 式中 t ⋯～ 最佳微差间隔时问， ms ； w⋯～最小抵抗线， m； 3 ～6 一由岩石特性决定， 刚性大的岩石取小值。 微差间隔 时 间 一 段 应 等 于 岩石 震 动周 期 的 一 半 ， 这 里取 3 0ms 。 ②当岩层相邻厚度挖至中风化岩 4 0 m、 微风化岩 3 0 m时， 只 允许一方起爆并在此之前通知对方人员和设备撤离。 ③爆破由专人负责指挥 ， 设警戒范围、 定起爆时问、 设标志信 号并进行清场 。 7 排烟通风 、 照明 、 排水 。在 洞 口放置鼓风机 ， 管径为 5 0 ～ 6 0 c m， 要保证充分通风 2 0 mi n ， 待炮烟吹散后才允许进入工 作面； 洞内照明采用 3 6 V安全电压， 设置足够数量的灯泡保证照 明充足； 排水采用埋管法 自流排水， 水管选用 3 镀锌钢管， 埋设 于石 渣路 面底 部 ， 进 出水 口设集水坑用 6 抽水机施工排水 。 8 查炮 查炮要待炮烟吹散后才允许进入， 查炮时照明要 充足， 同时要查看拱顶安全情况， 查炮要用手电简时必须使用绝 缘手电筒。 9 出渣 石渣由人工装车， 手扶拖拉机运至洞 口外 2 0 m左 右后 ， 石渣再用挖土机装 自卸东风车倒运至指定地点。出渣人员 每班配备两个班的人数 ， 做到人停机不停。 4 施工 中的特殊处理 4 ． 1 中风化 围岩支撑处理 隧洞 开挖在进 行到桩号 O 0 1 0 ． 5 0 3 0 ． 5 ， 0 1 7 5 0 2 1 5 二处地段 时 ， 围岩为 中风化岩 。该段共 长 6 0 m， 有部分岩石破碎 ， 为防止这两处地段拱顶围岩开裂、 变形而导致洞身坍塌， 随开挖 随及时采取钢木混合支撑。上半圆拱支护每跨问距 8 0 c m， 采用 [ 1 2 单根长 1 3 0 c m 和 6 ～1 2 c m圆木条及大板 2 ． 5 c m厚 等材 料， 槽钢接头内、 外满焊并设焊接 8 0 m m1 2 0 mml O mm钢板 加强块， 最下左右两根槽钢接头处用 2 8钎筋 深入围岩 6 0 c m 作为支撑 固定。 4 ． 2 瞎炮处理 发现或怀疑有瞎炮时， 进行警戒， 禁止硬拉或直接掏出起爆 药包 ， 该工程使用硝铵炸药可采用灌水法处理， 也可采用殉爆和 重新起爆的方式处理瞎炮 ， 但要由有丰富经验的炮工根据现场 实际情况采用上述方式处理。 4 ． 3 微风化围岩围护 由于洞身开挖完成后距衬砌混凝土施工还有一定时问间 隔， 为防止拱顶围岩裂变及石块掉落， 采用喷 5 c m厚细石混凝土 固结以策安全 。 下转第 l l 7页 维普资讯 2 0 04钷 第 1 期 王恒， 鄢泰宁， 徐治中 热熔钻进新工艺及其在地热井中的应用 1 1 7 r ． 一1 3 1 7 【 R2 。 c A T p V4 R 8 △ T 7 【 c r P r H。 V 1 丽 刁 玎 丽 『一 式中 V一 热熔法钻速， m／ h ； F _ 一 热发生器散热面积， r n 2 ； 一 热传导系数， w／ m ℃； C m 一熔化比热， J ／ k g ℃； p r⋯ 岩石密度 ， k g ／ r n 3 ； N a 一 一 热发生器额定功率， w； 一 岩石熔化系数， J ／ k g ； C 一岩石比热 ， J ／ k g ℃； p ⋯⋯特定轴向荷载， P a ； g 重力加速度 ， m／ s 。 ； R一 热发生器上部最大半径 ， m； 一一 热发生器熔化岩石的平均厚度， m 一 热运动的水头阻力系数； H 一 半径为 R的热发生器长度， m； p m 一一熔融物密度 ， k g ／ m3 ； 一 r r f r r f 相同深度下岩石的熔点之差， ℃； 一 岩石热传导率， w／ m ℃； b _ 一 一链条参数。 用以上公式计算了热熔法钻进玄武岩时的钻进参数， 实验 结果如图 1 所 示 。 0． 5 一 0． 4 E 一 0 ．3 ， ， _ __ 一 ] 一一 广1 ／ 口 厂 口 l’ 1 【 ] 2 4 6 8 1 0 C 图 1 热熔法钻进玄武岩的实验值和理论 曲线 该实验采用的是有效功率 N a 5 k W， 直径 5 5 n m a ， 长7 5 n n 的热 发生器， 图中纵坐标表示钻速 V， 横坐标代表轴向荷载 C 。其试验值 与理论值之间的最大偏差≥2 O ， 因此认为该理论分析符合实际。 实践表明， 在钻进胶结致密的岩石时， 热熔法钻进主要受热 发生器的有效功率和轴向荷载影响， 表现为在荷载较小时钻速 较大； 当钻进弱胶结岩石时， 轴向荷载对钻速影响不大， 此时只需 承受电缆和电热钻具的重量， 既可达到省时、 省力、 节约功耗的目 的， 又可以简化操作 ， 易于实现 自动化。 3 热熔法钻进地热井的应用前景 1 该方法适用于钻进松散胶结和孔隙率较大的岩石， 因此 适于地热矿区使用。用热熔法钻进松散、 弱胶结、 多孔 或冻结岩 石， 其优点在于 由于孔隙水的蒸发、 矿物脱水 化学键连接的水 分子分解 、 有机物的燃烧、 碳酸盐的分解等， 使得围岩软化、 凝 聚、 结块形成孔壁。该方法不使用套管和泥浆， 不污染环境。但 这种方法不适用于饱和的松散岩石， 如在富含水的地热砂岩地 区用这种方法效率很低 ， 这是因为所产生的高温被水蒸汽带走。 2 在复杂地层钻进中 I n 钻进遇到破碎带和漏失层 也能采 用热熔法 ， 并可以达到较好的效果。这是因为易熔材料可以胶结 破碎的岩屑、 填充孔壁裂隙， 使之恢复正常钻进。因此采用该方 法简化了钻井设计， 减小了开钻直径， 降低了大钩的承载力、 功率 要求和附属设备的数量， 极大地减少了套管、 水泥、 润滑油的材料 消耗， 提高了劳动安全性 ， 简化了工作的复杂度。 3 此外， 热熔法还是一种新的无套管钻井护壁方法， 可以弥 补传统机械钻进的不足。其原理是在用传统方法成井以后， 通过 专用钻具投入相对易熔的材料进行高温加热， 使熔融物附着在 孔壁上形成类似陶瓷的物质， 达到加固孔壁的目的。因此选择合 适的易熔材料 I n 砂 不仅可以在不使用套管或其它管材的情况 下使孔壁达到较高的机械强度和稳定性， 而且不会因为加固钻 孔对环境造成污染。在地热矿区使用该方法， 不会发生套管的腐 蚀和分解现象， 提高了产量， 降低了成本。用这种方法加 固的地 热钻井还可用于观察井内的温度变化等情况。 参考文献 E l i 鄢泰宁， 等． 非传统钻进方法热能碎岩的原理及其初步实践[ J ] ． 探 矿工程 ， 1 9 9 9 ， 3 ． [ 2 ] 汤凤林 ， E E Ky a p m a 热 熔 钻进 方法 及其 在 工程 施工 中 的应用 E J ] ． 地质科 技．情报， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 陈晨． 热熔法钻进理论及工艺研究[ c ] ． 博士学位论文， 2 0 0 1 ， 1 0 ． E 4 ] L i t v i n e n k o VI a d i r n i r ， S o l o v j e v Geor g i y ， S c o p e f o r I mp r o v i n g Ge o - t h e r ma l We l l s Dr i l l i n g Pr a c t i c e a s a Re s u l t o f Us e o f Hi g h t e m a pe r - a t u r e Pe n e t r a t o r s ， St --Pe t e r s bu r g St a t e Mi n i n g I n s t i t u t e ， 1 9 9 8 ． Ne w S u b t e r r e n eDr i l l i n gTe e h o n o l o g y e dinGe o t inmm lWe ll s WANG He n，NI AN Ti a wl i n，XU Z hi z h o n g C0 ￡ ￡ e g e o f E n g i n e e r i n g， Ch i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c l e n c e s ， 口 n H u b e 4 3 0 07 4， i n a Ab s t r a c t Th e p r i nc i p l e o f s ub t e r r e n e d r i l l i n g i s i n t r o du c e d，a n d t h e he - t o r s a f f e c t i n g t h e d r i l l i n g v e l o c it y a r e a n a l y z e d b y t a k i n g a n e x a mp l e o f d ril l i n g i n b a s a l t s ． Th e a s s o c ia t e d ma t he ma t i c f u n c t i o n i s gi v e n ． Th e p r a c t i c e of s ub t e r r e n e dri l l i n g i n di c a t e s t h a t t h i s me t h o d n o t o n l y a d a p t s t o g e o t he r ma l we l l ，b ut a l s o i s a n e w p i p e l e s s r e i n f o r c e me n t me t h o d t o b e a p p l i e d wi d e l y ． K e y w o r d s s u b t e r r e n e d ri l l i n g ； g eot h e r m a l w e l l ；d ri l l i ng m e t h o d ； r e i n for c e me n t 上接第 1 1 5 页 5 结束语 该工程采用光面爆破法施工隧洞 ， 单位耗药量小、 施工进度 快， 洞身平均 日进尺达 4 m， 洞身欠挖和超挖平均控制在 8 c m内， 开挖质量达到优良， 无人员伤亡。在短短两个月内完成2 4 5 ． 9 m 洞身开挖， 达到了业主、 监理贯通隧洞的工期 目标， 并且满足了防 洪渡汛要求， 为提前通水发电创造了条件 ， 得到广大社会各界的 认可， 取得了显著的社会和经济效益。 维普资讯