毛益松,梁兵,莫志平

(1.国防科技大学, 湖南 长沙 410073;2.湖南交通工程学院高科技研究所, 湖南 衡阳市 421001;3.湖南长工工程建设公司, 湖南 长沙 410003)

1 工程概况

1.1 工程简介

G59湖南省官庄至新化高速公路第10合同段项目部位于湖南省安化县古楼乡境内,设有3座隧道,分别为赤水溪隧道、土墙院隧道、向家隧道。全长3955 m,其中,左洞总长1960 m,右洞总长1995 m。隧道由Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级围岩组成,且Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级围岩所占比例分别为45.52%、32.26%和19.22%。隧道开挖断面如图1所示,以Ⅴ级围岩SⅤa衬砌为例:宽12.7 m,高10.64 m,面积111.9 m2。隧道Ⅴ级围岩地质属志留系下统(S1),板岩夹变质砂岩地层,弱—中风化层岩质较硬,节理裂隙较发育,多微张,多呈块状、碎块状夹柱状,岩石单轴抗压强度为27.4～41.1 MPa。隧道穿过多个断层破碎带,地质变化大,围岩稳定性差,据统计,Ⅴ级围岩不同衬砌变换的最短距离为10 m,爆破参数选取变化大,爆破技术要求高。

图1 隧道开挖断面设计图(单位:c m)

1.2 开挖方法

依据《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)规定[1]和湖南省交通规划勘察设计院有限公司《G59湖南省官庄至新化高速公路第10合同段隧道设计图》[2]可知:隧道Ⅲ级围岩采用长台阶法,Ⅳ级围岩采用短台阶法,Ⅴ级围岩采用环形开挖法,其中,Ⅴ级围岩有SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4种衬砌形式,衬砌类型参数及使用地段见表1。据统计,SⅤa和SⅤb两种衬砌形式总长度达到371 m,加上SⅤc衬砌遇到地质变化时改变施工方法的长度,占总长度的15%以上。

表1 Ⅴ级围岩衬砌类型参数及使用地段

2 爆破技术方案

2.1 工法优化

设计中SⅤa、SⅤb、SⅤc和SⅤd 4种衬砌形式采用环形开挖法,即留环形开挖核心土法。为了隧道开挖快速施工、操作简便、降低成本,根据超前钻孔地质探测和施工经验分析,当上台阶掌子面围岩的自稳性好,不需要预留核心土能够达到安全施工时,将表1中SⅤa、SⅤb的环形开挖留核心土法和三台阶法工法相互转换[3-4],即取消上台阶核心土法,采用三台阶法,上台阶工作面用简易台车代替,如图2所示。若探测到掌子面自稳性难以保证时,立即取消台架,恢复预留上台阶核心土法。

图2 三台阶法台车(单位:cm)

2.2 三台阶法爆破施工方案

采取三台阶法进行爆破开挖方案时,首先,爆破施工后挖掘机清理爆渣形成台阶护坡[3],如图3所示的,台阶回填部分的作用除了便于施工外,主要是给掌子面台阶面增加一个侧压力;其次,用楔形掏槽形式爆破开挖三台阶掌子面①部,松动爆破中台阶和下台阶的②、③、④、⑤部,并施作初期支护紧跟;再次,用装载机通过此护坡拖回简易台架,出渣①部,并及时进行后期支护,施工时中台阶开挖左侧约2/3宽度,右侧约1/3宽度,便于上下施工机械设备。

图3 岩石渣体临时护坡(单位:cm)

三台阶法爆破技术措施要点:

(1)三台阶法在保证机械正常工作和围岩稳定性许可的情况下,上台阶使用简易台车,安装钢拱架、喷浆施工方便灵活,对异常情况的处理更有效,保证施工作业人员设备的安全;

(2)台阶长度为6～10 m。过长时,初期支护短期内得不到封闭,不利于初期支护;过短相互影响严重,不利于施工效率的发挥;

(3)中台阶开挖时,悬空工字钢拱架为2榀,且不得在同一环上,前后需错位2～3 m,确保围岩稳定。

3 爆破技术设计

3.1 台阶开挖高度确定

三台阶法施工的关键在于上台阶的爆破开挖,台阶高度矢跨比控制在0.3以上[4]。以SⅤa衬砌为例,上台阶高度3.80 m,开挖断面积31.85 m2;中台阶高度3.15 m,开挖断面积39.10 m2;下台阶(带仰拱)高度3.73 m,开挖断面积40.70 m2,如图4所示。本文主要阐述三台阶法钻爆施工参数设计及工艺。

图4 三台阶法上中下台阶高度及面积(单位:cm)

3.2 上台阶爆破参数设计

3.2.1 循环进尺及炮孔深度

循环进尺:由于该隧道地段为Ⅴ级软弱围岩,开挖后自稳时间在10～16 h。根据支护工作的跟进速度,每次开挖循环进尺L=1.5 m,初期支护钢架间距为0.5 m/榀或0.6 m/榀。

炮孔深度:炮孔深度l0为1.7 m。

3.2.2 掏槽孔形式及掏槽孔参数

掏槽孔形式:槽腔爆破效果决定整个上台阶的爆破效果,考虑上台阶炮孔所处位置和岩石的夹制作用很大,采用三对楔形掏槽孔形式,三台阶法的上台阶炮孔及掏槽孔设计如图5所示。

图5 上台阶炮孔布置及掏槽孔设计(单位:cm)

楔形掏槽参数:第1排掏槽角α=50°;炮孔间距为0.5～0.6 m;孔口距离为3.2 m,孔底距离为0.4 m,掏槽炮孔长度为2.21 m。

扩槽孔布置及参数:槽腔内设计二排扩槽孔,其目的是用以扩大掏槽的体积。把槽腔内碎石送出槽外,为下一级爆破提供新的临空面,为保证爆破效果,保证不补炮。

考虑到此台阶扇形掌子面高3.8 m、宽10.96 m,距离掏槽孔0.6 m、0.70 m处布置2排扩槽孔,角度为60°、75°,炮孔长度为1.88 m、1.76 m,炮孔数量各为2×2个。

3.2.3 其他炮孔布置及参数

(1)掘进孔布置及参数[6]。掘进孔为周边孔爆破创造有利条件。掘进孔应交错均匀地布置在周边孔与掏槽孔之间,并适当倾斜或垂直于开挖面打孔,力求爆下的石渣块体大小适合装渣要求。掘进孔炮孔间距为0.85～0.9 m,抵抗线W=0.6～0.9 m,炮孔深度为1.7 m,炮孔数量:二圈孔13个,压爆孔2个,其他孔2个,总共为17个。

(2)周边孔布置及参数。周边孔参数:依据文献[1]和爆破经验取软岩数据,其周边孔间距E=0.3～0.5 m,实际取0.5～0.55 m;光爆层厚度V=0.4～0.6 m,实际取0.6 m。经计算,周边孔数量为27个。周边孔深度为1.7 m。

(3)底板孔布置及参数。底板孔垂直于开挖面打孔,孔距为0.80～1.2 m,底孔抵抗线W=0.70～0.85 m,炮孔深度为1.7 m,炮孔数量为11～13个。

3.2.4 装药量计算

(1)按照体积法计算。上台阶爆破炸药单耗[5]平均按q=0.6～0.8 kg/m3取值,上台阶体积为54.15 m3,则装药量Q上=32.49～43.32 kg。

(2)按照图解法计算。根据图5计算,炮孔数为67个,上台阶装药量为35.7 kg。

(3)周边孔装药集中度。按照文献[1],板岩软岩按q=0.15 kg/m取值。

Ⅴ类围岩三台阶法上台阶爆破参数见表2,三台阶上台阶钻爆经济技术指标见表3。

表2 隧道Ⅴ类围岩三台阶法上台阶爆破参数

表3 三台阶法上台阶钻爆经济技术指标

3.2.5 爆破网络设计

上台阶起爆顺序为掏槽孔→扩槽孔→辅助孔→周边孔→底板孔;起爆方式采用1～13段毫秒延时导爆管雷管(15段较少采用),利用圈(排)间的毫秒差延时起爆;起爆网络采用孔内延时起爆,每个炮孔内装一发相对应毫秒导爆管雷管,将约20根导爆管采用“一把抓”的方式捆扎1束,为第一次“过桥”,每1束导爆管再用2发1段导爆管雷管,一般要求反向连接,最后再将“过桥”雷管捆扎1束,用高能起爆器起爆塑料导爆管直至整个网络。

3.3 中下台阶爆破设计

(1)中下台阶炮孔设计:由于中下台阶的开挖都有上面、侧面和立面三个自由面,因此,中台阶可以适当减少炮孔数量,其周边孔、辅助孔和底板设计图如图6(a)、图6(b)所示。

图6 中下台阶炮孔设计(单位:cm)

(2)中下台阶爆破参数:隧道Ⅴ级围岩三台阶法中下台阶药量分配见表4。

表4 三台阶开挖法中下台阶爆破药量分配

4 结论与建议

三台阶法在山岭隧道Ⅴ级围岩爆破施工实践,尤其在板岩地质条件中具有如下优点:

(1)上台阶施工空间大,可直接用挖土机扒渣后装车和装载机吊运钢拱架,与预留核心土法相比,工效可提高20%～30%;

(2)炮孔布置能适合钻机钻孔;

(3)爆破施工可以在上台阶和中下台阶左右5个作业面进行,上台阶采用楔形掏槽方式,减少了对围岩的扰动,增加了爆破临空面,降低了炸药单耗;

(4)简易台车制作设备投入少,操作性强,三台阶的上台阶爆破设计是二台阶上台阶爆破的缩小版,爆破技术易掌握。

建议及时跟进沉降位移检测工作,严格控制下台阶的开挖进尺。