隧道工程钻眼爆破工法

在石质隧道中,采用最多的是钻眼爆破法。其原理是利用装入钻孔中的炸药爆炸时产生的冲击波及爆炸物做功来破碎坑道范围内的岩体,可以用爆破漏斗来解释(图4-20)。

隧道工程中,钻爆作业必须按照钻爆设计钻眼、装药、连线和引爆,同时应满足钻眼爆破施工的质量要求。为此岩石隧道开挖前,应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具、爆破器材和出渣能力等因素综合考虑。做好钴爆设计,合理地确定炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法和起爆顺序等,安排好循环作业等,以正确指导钻爆施工,达到预期的效果。

隧道工程中,一般要求钻眼爆破应满足以下条件。

(1)开挖轮廓成型规则,岩面平整,超欠挖量符合规定要求。

(2)爆破对围岩的扰动破坏小,以保证围岩(坑道)的稳定性。

(3)爆破后的石渣块度大小适中,抛掷范围相对集中,符合装渣作业要求。

(4)钻眼工作量少,耗用炸药等爆破材料少等。

(5)防止对周围设备的破坏,减少对环境尤其是水的污染。为此应充分研究下面的问题:岩石的抗爆破性及抗钻性;炸药品种及用量;炮眼布置形式和炮眼数量、直径、长度;装药结构;起爆顺序和起爆网络等。

炮眼的布置

炮眼布置首先应确定施工开挖轮廓线,然后进行炮眼布置。因此钻眼前应定出开挖断面中线、水平线和断面轮廓,标出炮眼位置,经检查符合钻爆设计要求后方可钻眼。而炮眼的布置、深度、角度、间距等应按钻爆设计要求确定。

隧道爆破通常采用掏槽爆破,即将开挖断面上的炮眼分区布置和分区顺序起爆,逐步扩大完成一次爆破开挖,分区是按照炮眼的位置、作用的不同有三种炮眼:即掏槽眼、辅助眼和周边眼。这三种炮眼除共同完成一个循环进尺的爆破掘进外,还各有其作用,并各有不同的布置要求及长度、方向和间距等要求。

(1)隧道洞身开挖轮廓线及预留变形量。坑道开挖后,围岩由于失去部分约束而产生向坑道方向的收缩变形,所以施工开挖轮廓线应在设计开挖轮廓线的基础上适当加大,称为预留变形量预留变形量的大小,主要取决于围岩级别、开挖断面大小,隧道跨度大小、开挖方法掘进方式、支撑或支护方法等因素的影响,变形量的大小可以根据实际测量数据分析确定并可进行调整。

(2)隧道钻爆开挖中炮眼的布置。隧道开挖爆破的炮眼数目与隧道断面的大小有关,多在几十至数百范围内。炮眼按其所在位置、爆破作用、布置方式和有关参数的不同可分为如下几种：

1)掏槽眼的布置。

①掏槽眼的作用是将开挖面上适当部位先掏岀一个小型槽口,以形成新的临空面,为后爆辅助炮创造更有利的临空面,提高爆破效率。

②掏槽眼本身只有一个临空面,且受周围岩石的夹制作用,故常采用较大的炸药单耗量k值和较大的装药系数a值,以增大爆破粉碎区,并利用爆炸冲击波及爆炸产物作功,将岩石抛掷出槽口。

③为保证掏槽炮能有效地将石渣拋出槽口,常将掏槽眼比设计掘进进尺加深10~20cm

并采用孔底反向连续装药和双雷管起爆

④槽口尺寸常在1.0~2.5m2之间,要与循环进尺、断面大小和掏槽方式相协调。要求掏槽眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm。

⑤合理布置掏槽眼,应掌握好炮眼的三度:深度、密度和斜度,并通过计算确定用药量及放炮顺序。

⑥掏槽方式一般可分为斜眼掏槽和直眼掏槽两大类,如图4-21和图所示。

斜眼掏的特点是掏槽眼与开挖断面斜交,常用的形式有垂直楔形掏槽、锥形掏槽、爬眼掏槽等。斜眼掏槽具有操作简单、精度要求较直眼掏槽低,能按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度,容易把石渣抛出,掏槽眼的个数较少且炸药的消耗量低等优点,但斜眼掏槽钻眼的方向不易准确,炮眼深度易受坑道断面尺寸的限制,不易提高循环进尺,也不便于多台钻机同时作业。

直眼掏槽是以空眼作为增加的临空面,利用炸药爆炸的能量将槽内岩石破碎,借助爆破产生气体的余能将已破碎的岩石从槽口抛出。直眼掏槽由若干个垂直于开挖面的炮眼组成。

掏槽眼的深度不受围岩软弱和开挖断面尺寸的限制,可以实现多台钻机同时钻眼,也可采用深孔爆破,实现钻眼机械化,从而为加快掘进速度提供了有利条件。由于直眼掏槽作业较方便,不需随循环进尺的改变而变化掏槽方式,仅需改变炮眼的深度,且石渣的抛掷距离也可缩短,但直眼掏槽的炮眼数目较多,炸药单耗量值也要加大,炮眼位置和方向要求有较高的精度,才能保证良好的爆破效果。因地质多变,几种掏槽方式可以混合使用。

⑦中空眼的作用。近年来由于重型凿岩机的投入使用,使得钻大直径(>100mm)孔眼并不困难。直眼掏槽中多采用大直径空眼,其作用相当于为装药掏槽眼提供了临空面,并取得了良好的掏槽效果。一般在中硬和坚硬岩层中,对于设计循环进尺为3.5m左右时,采用双空孔形式最佳;对3.5~5.15m的深孔掏槽,则采用三空孔形式最好;对3m以下的浅眼掏槽,采用单空孔形式较好。为保证掏槽炮眼爆炸后岩渣有足够的膨胀空间,一般要求空眼体积为掏槽眼体积的10%~20%为宜。

当前国内外掘进的坑道,大都采用直眼掏槽和深眼爆破,可以节省大量辅助作业时间如通风排烟、检查找顶等。

斜眼掏槽和浅眼爆破适用人工施工或机械设备不足的施工条件选择掏槽方式时,要根据具体的施工条件,因地制宜加以选用。

2)辅助眼的布置。辅助眼的作用是进一步扩大槽口体积和爆破量,并逐步接近开挖断面形状,为周边眼创造有利的爆破条件。

辅助眼的布置主要是解决间距E值和最小抵抗线W问题。其布置原则可参照后述周边眼的布置原则进行,只是W、E值及单孔装药量q值较大些。一般取

E/W=0.6~0.8为宜,并采用孔底连续装药。

辅助眼应由内向外,逐层布置,逐层起爆,逐步接近开挖断面轮廓形状,如图4-23所示。

3)周边眼布置。周边眼的作用是爆破后使坑道断面达到设计的形状和尺寸,目的是成型。

周边眼的位置一般应沿设计轮廓线均匀布置,其炮眼的间距和最小抵抗线长度均比辅助眼小,目的是使爆破岀坑道的轮廓较为平顺和控制超欠挖量。当岩质较软或较破碎时,炮眼口则应放在开挖轮廓线以内。炮眼底则应根据岩石的抗爆破性来确定其位置,应将炮眼方向以3%~5%的斜率外插。一方面是为了控制超欠挖,另方面是为了便于下次钻眼时好落钻开眼;对于松软岩层一般眼底应落在设计轮廓线上;对于中硬岩及硬岩,眼底应落在设计轮廓线以外10~15cm。底板眼的眼底一般都落在设计轮廓线以外。此外,为保证开挖面平整,辅助眼及周边眼的深度应使其眼底落在同一垂直面上,必要时应根据实际情况调整炮眼深度。