膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工技术

膨胀性泥岩隧道钻爆法快速施工技术
发表时间：2019-06-11T15:43:28.303Z 来源：《建筑模拟》2019年第15期作者：梁金星
[导读] 通过对膨胀性泥岩隧道钻爆法施工技术的研究，吕合一号隧道月进度达到66米/月，比西南地区地质复杂隧道的月进度指标42.5米加快了23.5米/月，进度加快后极大的降低了项目管理费、机械设备租赁费等大宗成本。

梁金星
中交一公局桥隧工程有限公司
摘要：目前国内外对于对于“滇中红层”地质构造下隧道施工的施工方法的研究不多，由于特殊的地质构造，围岩等级低，遇水膨胀，失水收缩，围岩整体性不完整，打设炮眼成孔率低，不利于钻爆法施工，开挖方法基本上是机械开挖，施工进度慢，通过对膨胀性泥岩隧道钻爆法施工技术改善研究，在吕合一号隧道的施工中取得了显著效益，可以进一步推广应用。

关键词：滇中红层；膨胀性泥岩；泥浆护壁技术；环形开挖预留核心土
1.技术特点
吕合一号隧道道位于云南省楚雄至大理段著名的“滇中红层”区段，由薄-中厚层状泥岩、砂岩等组成，一般呈互层状产出，生结构特征其一是红层多为泥岩、泥岩砂岩互层，层与层之间的层面结合力差，当岩体解除约束力，出现临空面时，极易顺层面解体滑落，这是红层成岩过程中就形成的薄弱环节。

其二是红层软岩岩体的亲水性强、透水性弱，在水的作用下易软化、塑变，吸水后岩体膨胀，失水后岩体收缩，易崩解，抗风化能力弱，整体性差等特性。

基于此地质构造施工隧道，研究了本技术，特点主要有：
（1）充分发挥了钻爆法较机械+人工在“滇中红层”地质构造下隧道施工中的快速优势，减少了机械及人员的投入，缩短工期并缩减了施工成本，施工质量得到保障。

（2）改进了传统炮孔钻设时使用压力水的施工工艺，采用适合“滇中红层”地质构造下施工隧道的新的炮孔钻设工艺——稀释的黏土泥浆冷却造壁技术。

（3）专业技术人员编制炮孔定位程序，利用仪器设备精准的测量炮孔位置，确保了爆破设计的严谨施工，改善钻爆施工隧道的超欠挖，减少了喷射混凝土的损耗，有效的控制了施工成本。

（4）设计出适合此地质条件下的爆破方案，在环形导坑处实现了光面爆破技术，提高了施工生产效率，保障了隧道施工安全生产。

2.工艺原理
2.1 “滇中红层”V级围岩岩性分析
膨胀性围岩是有原始地层的超固结特性，围岩中储存有较高的初始应力，当隧道掌子面裸漏出来后，会引起围岩应力释放，围岩膨胀崩解，变形明显。

围岩的膨胀性主要表现在吸水膨胀，失水收缩，岩体的整体性急剧变差，隧道打设炮眼成孔率低，钻爆施工不能实现。

在施工中采取钻爆施工，钻孔时需要使用大量的水，而水是膨胀围岩发生膨胀的外因。

因此，膨胀围岩尽量对钻孔用水量进行控制，保证炮孔质量，不出现塌孔、堵孔现象。

2.2 隧道掘进工艺选择
在“滇中红层”区段施工隧道，传统的施工工艺采用机械开挖配合人工整修，效率低、劳动强度大。

在保证、强化安全生产的前提下，隧道施工将原方案由机械掘进改为钻爆掘进能更高效的提高生产效率，节约生产成本，由三台阶法改为环形开挖预留核心土法。

2.3 精确控制炮孔布设
为保证光面爆破效果与质量，一个重要因素就是能够按照爆破方案确定的炮孔间距精确控制炮孔布设，更好地保证开挖线形，减少隧道爆破超欠挖，采用编程好的 BJSD-3激光隧道断面仪定位炮孔的放样方法，在钻孔前在开挖面将炮孔用激光一一定位并用醒目的红漆标记，确保钻孔位置准确，炮眼实际布置严格按照爆破方案实施。

2.4 爆破方案确定
针对环形上导坑临空面小的特点，多设置掏槽孔，多创造临空面，减小岩体爆破挟制作用，提高爆破效果及炸药利用率。

对周边孔孔径增大，增大炮孔与药卷的不耦合系数，减小爆破应力波及爆轰高压气体对预留光面的破坏，将“滇中红层”地质极软岩中炮孔痕迹保存率由30%提升到60%，有效的控制超欠挖，保证了隧道线型控制质量，减少了渣土运输量及喷射混凝土超方，只此一项便大大减少了施工费用。

（1）光面爆破参数
光面爆破是利用不耦合装药减小开挖轮廓线光爆层的扰动从而产生光面。

要使炸药在孔内爆炸而光爆层不被破坏，不使药卷直接接触周边眼的外侧，应使炮孔压力低于周边眼岩壁抗压强度，而高于其抗拉强度，“滇中红层”这种特殊岩层，围岩等级低，整体性差，围岩节理面多，不耦合系数选用2；周边眼的炮孔间距E一般取炮孔直径的8～15倍，在节理裂隙比较发育的岩石中，选用E=40cm；最小抵抗线W 一般它应大于或等于光面炮孔间距，选用60cm。

光面爆破周边眼采用细药卷，起爆顺序为有临空面的先起爆临空面处的孔，无临空面的先起爆掏槽孔，再辅助孔，辅助孔起爆后再起爆周边孔、底孔，底板孔应该装粗药卷组，以克服岩体挟制作用。

（2）炮孔深度
根据吕合一号隧道设计要求，V级围岩循环进尺为1榀0.6米，所以炮孔深度设计如下：
掏槽孔深度：L=l/η+0.2=0.6/0.85+0.2=0.9米，
其中：l—每循环计划进尺数，取0.6米；
η—炮孔利用率，一般不低于0.85；
周边孔、辅助孔深度计算：L=l/η=0.6/0.85=0.7米；
（3）炮孔布置：环形开挖预留核心土工法，掌子面的临空面狭小，数量少的掏槽眼爆破时，围岩的挟制效应明显，爆破效果差。

所以根据环形开挖的施工技术特点对炮孔布置进行了特殊的设计，①部环形导坑处多设掏槽眼，主动创造临空面，共设计5处掏槽孔，掏槽孔采用楔形掏槽，克服临空面狭小带来的挟制作用，减少同时起爆用药量对围岩的振动破坏，爆破顺序为：毫秒雷管1段→3段→7段。

②部、③
部、④部、⑤部、⑥部（不采用光面爆破）、⑦部的爆破顺序。

图环形开挖预留核心土炮孔布置图
（4）装药结构及起爆方式
装药结构：采用反向爆破装药方式，周边孔用小直径药卷连续装药。

起爆药包装于孔底，雷管的聚能穴朝向孔口的反向起爆。

反向起爆提高了爆炸应力波的作用，使得传导到临空面（或结构面）处的反射应力波在爆轰波产生的纵向裂缝处得到拉伸增益效果，利于岩石破碎；增长了应力波的动压和爆轰气体静压的作用时间；增大了孔底的爆破作用。

通过反向起爆，提高了炮孔利用率，减小岩石的块度，降低炸药消耗量和改善爆破作业的安全条件及运输条件。

堵塞方式：所有装药炮孔用炮泥堵塞，炮孔堵塞长度为炮孔未装药长度。

起爆方式：光面爆破用电雷管引发导爆管雷管起爆，起爆网路采用簇联法。

2.5 优化炮孔施工工艺
泥浆护壁技术的应用。

传统炮孔钻设工艺大多采用压力空气、压力水配合凿岩机钻孔，对于“滇中红层”这种特殊地质构造不适用。

由于“滇中红层”中褶皱、断层节理非常发育，膨胀岩层遇水极易崩解、掉块，使用压力水容易浸泡岩体，造成炮孔坍塌、岩体碎块堵孔，炮孔不圆顺，爆破时不圆顺处应力集中，使得爆破破坏面没有沿着相邻炮孔连线的理想面断裂，尤其对周边孔的影响极大，光爆效果不佳，不利于对隧道超欠挖的控制。

针对此一问题，我们研制出了适合“滇中红层”这种特殊地质构造下新的钻孔施工工艺——黏土泥浆护壁技术。

这种技术是将黏土、膨润土和聚合物泥浆造浆挤掺合到隧道施工中使用的高压水池内，水池内安装的泥浆搅拌机充分搅拌均匀，控制其出口粘度在25～35 s内，将搅拌好的黏土泥浆通过高压水池连接水管与凿岩机连接，为防止泥浆压力不足及在水管内沉淀等问题，在高压水管的中间合适位置加设增压水泵，高压黏土泥浆作用在凿岩机上，与高压空气一起提供转动动力，并在钻孔的过程中冷却钻头，凿岩机钻头的离心力作用下，将黏土泥浆甩到炮孔周围，泥浆对炮孔周围的裂隙、节理面等突变位置进行填充作用，防止了炮孔塌孔、堵孔的危害，并起到了护壁及圆润炮孔的作用，炸药爆破时爆轰气体及冲击波就不会从软弱的裂隙、节理处集中释放，从而避免产生不利的爆破效果。

通过泥浆护壁技术的应用，有效的改善了吕合一号隧道膨胀性泥岩地质构造下钻爆施工的效果。

3.关键工序泥浆制备的操作要点
1 在隧道顶压力水箱内配制黏土泥浆，泥浆原料采用黏土、膨润土和聚合物泥浆造浆挤掺合，在水箱上架设搅拌设备。

2 经过现场多次实验，黏土、膨润土和聚合物与水的质量比约为0.2：0.1：0.05：1，按照这个配合比就能配制出粘度在25～35 s内的泥浆。

将泥浆配制好贮存于水箱内，待钻孔使用泥浆时，水箱上的搅拌设备将不间断搅动泥浆，防止泥浆沉淀，直到钻孔结束不使用泥浆为止。

并在泥浆管路上接设接力增压水泵，起到增加泥浆压力与防止泥浆沉淀的作用。

3 为保证泥浆的流动性，在每个钻孔循环施工前，我们都对泥浆的流动度进行现场检验。

如果泥浆流动度太大，浆液太稀，则不利于炮孔周边的制造护壁效果，容易造成炮孔塌孔、堵孔，需在水箱中加入适量的黏土、膨润土和聚合物。

如果泥浆流动度太小，浆液太稠，则不利于泥浆在管路中的输送，容易堵塞泥浆管路，此时在水箱中加入适量的水。

4.结束语
通过对膨胀性泥岩隧道钻爆法施工技术的研究，吕合一号隧道月进度达到66米/月，比西南地区地质复杂隧道的月进度指标42.5米加快了23.5米/月，进度加快后极大的降低了项目管理费、机械设备租赁费等大宗成本。

在“滇中红层”地质构造下隧道施工中研究了与之匹配的钻爆法施工，并且严格控制隧道的超欠挖，施工过程中质量可控、安全稳妥、进度加快，完美的解决了吕合一号隧道施工速度慢、质量差、成本高的难题，为同类型工程施工提供了实践经验。

参考文献：
［1］张云鹏.《爆破工程》.冶金工业出版社.2011年8月
［2］中华人民共和国交通运输部发布《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）.人民交通出版社.2009年9月。