浅埋软质岩隧道控制爆破施工方法.docx
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浅埋软质岩隧道控制爆破施工方法
浅埋、软质岩隧道控制爆破施工方法
夏俊勇
（中铁五局集团第五工程有限责任公司沪昆客专云南段TJ1标二分部，云南富源，655500）
摘要：
减少隧道超欠挖，实现隧道施工的安全、质量、工期、经济效益最大化。
关键词：
浅埋、软质岩隧道控制爆破施工技术。
1前言
随着我国高铁的快速发展，地下工程的数量不断增加，面对当前的市场竞争形势下，在施工过程中，如何减少超欠挖提高开挖质量，确保安全快速的组织施工已经成为了决定成败的关键。
我单位在施工过程中的实践经验表明：
开挖质量的好坏不仅影响隧道施工的安全、质量、工期，而且直接影响企业经济效益。
客运专线隧道施工标准越来越高，技术创新是发展的必然选择。
因此，我单位对隧道，尤其是软质岩隧道爆破施工工法的改进势在必然，在我单位承建的沪昆客运专线TJ1标水井山隧道和多乐铺隧道软质岩地段得到了很好的应用。
从施工组织、成本方面分析，采用优化后的控制爆破施工工法，从安全、质量、工期、成本等方面均取得了良好效益。
现将该工艺方法进行论述如下。
2工法特点
2.1采用控制爆破技术开挖隧道，有效的减小了爆破震动对周边围岩的扰动和周边结构物的破坏；
2.2采用短进尺、及时支护等工法配合施工，保证了隧道施工安全。
2.3结合超前地质预报探测结果和监控量测数据指导施工，根据围岩状况调整装药量与变换进尺深度，从而在保证安全的前提下加快施工进度。
2.4能有效控制隧道超欠挖、减少出碴及喷射混凝土工程量，改善工作环境和降低施工成本，隧道工程施工工序是一个系统工程，开挖质量的好坏直接影响安全、质量、成本、工期、效益。
3适用范围
对于浅埋、软质岩隧道及隧道洞口段开挖具有广泛适用性，能够应用于铁路、公路、水利、市政等地下工程的爆破开挖。
4工艺原理
隧道工程施工核心为开挖质量，开挖质量既能确保施工安全，是决定施工进度、工期、成本、效益的关键。
在隧道开挖中采用控制爆破技术，能有效的提高开挖质量，加快施工进度，从而达到安全、质量、进度、成本、效益最大化。
控制爆破核心为“以超前地质预报结论和监控量测为指导，根据实际揭露围岩状况不断调整爆破参数及变换开挖进尺，在确保安全质量前提下加快施工进度。
”采用控制爆破技术原理为“多打眼、少装药、短进尺，根据围岩状况，不断调整爆破参数及循环进尺，坚持做到岩变爆破参数变、循环进尺变的原则。
”
5施工工艺流程、施工方法及操作要点
5.1施工工艺流程
见图5.1.1-1。
图5.1.1-1施工工艺流程图
5.2施工方法
5.2.1爆破方式选择
控制爆破是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术，是通过一系列措施对开挖工程周边部位实行正确的钻孔和爆破，并使周边眼最后起爆的爆破技术。
现以在建沪昆客专云南段TJ1标水井山隧道及多乐铺隧道软弱围岩施工段上台阶控制爆破设计进行阐述。
5.2.2控制爆破设计
1、施工机具设备情况
采用国产YT28型手持风枪,钻头直径42mm,钻爆平台（自制）分三层,共设16台钻。
高压风、水管路用软管通过设置在岩壁上的悬挂设备引到开挖面。
2、爆破设计参数的计算
爆破能有效控制岩体开挖轮廓减少超欠挖，确定合理的爆破参数是获得良好爆破效果的重要保证。
其中主要控制参数：
周边眼间距（E）、最小抵抗线（W）、周边眼密集系数（m）和装药集中度（q）。
1）每循环进尺：
0.6m。
2）炮眼直径和孔深：
钻孔采用YT-28风钻，炮眼孔径采用φ42mm，除掏槽眼和个别岩面突出的部位采用3m的钻杆外，其余部位均采用2.5m的钻杆。
3）炸药品种：
周边眼采用φ32mm×200mm岩石乳化炸药。
4）炮眼数量：
N=0.0012qs/ad2。
其中N——每循环炮眼数量；
q——单位炸药消耗量，取1.2kg/m3；
s——开挖断面积，s=77.105m2；
a——炮眼装填系数，取a=0.62；
d——炸药直径，硝铵炸药d=32mm；
N=0.0012×1.2×77.105/0.62×0.0322=175（个），实际操作过程中有少许变化。
5）每循环炸药用量
Q＝q×s×L×η式中：
q——爆破单位岩石炸药消耗量q（kg/m3），以本断面V级围岩取1.2kg/m3。
S——开挖断面积（m2）：
77.105m2
L——炮眼深度，按0.8m
η——炮眼利用率,取0.95
Q＝q×s×L×η＝1.2×77.105×0.8×0.95＝70.32kg
3、炮眼布置、钻眼及装药
1）炮眼布置
①掏槽方式：
采用楔形斜眼掏槽，如图5.1.1-2（单位：
cm）：
图5.1.1-2斜眼掏槽布置图
②上台阶开挖炮眼布置：
用全站仪在掌子面按炮眼布置图准确画出开挖轮廓线、周边眼及掏槽眼的位置。
根据测量放样位置按照如下炮眼分布图采用油漆在开挖掌子面上进行炮眼位置的标识,上台阶具体的炮眼布置如图5.1.1-3所示：
图5.1.1-3炮眼布置图
4、钻眼要求
1）按照炮眼布置图正确钻孔；
2）掏槽眼：
深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不大于5cm；
3）辅助眼：
深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不大于10cm；
4）周边眼开眼应布置在开挖断面轮廓线上，调整范围不得超过5cm，方向应以3°～5°斜率外插。
不同的炮眼深度，可调整斜率，但须保证眼底不超过开挖轮廓线10cm；
5）内圈炮眼至周边眼排距误差不大于5cm，并与周边眼用相同的斜率钻眼；
6）当开挖面凸凹面较大时，应按实际情况，调整炮眼深度，力求所有炮眼（除掏槽眼和底板眼外）眼底在同一垂直面上。
5、爆破器材使用的炸药要求
选择低爆速、低密度、低猛度、高爆力、小径、传爆性能良好的炸药，本隧道炸药采用φ32mm×200mm（200g）号岩石乳化炸药。
非电毫秒导爆管雷管等。
炮泥采用比例为1:
3的黏土和砂子加上含有2%～3%食盐的水搓制而成。
6、装药作业
周边眼采用间隔装药，眼底部分适当增加药量。
并使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。
为满足装药结构要求，可借助导爆索来实现空气间隔装药。
方向装药，在采用竹片串联安装药卷时，竹片应放置在靠边墙的一侧，这样可以减轻爆破对侧墙围岩的扰动。
具体装药结构如下图：
图5.1.1-4装药结构图
装药按下列的《围岩装药参数表》自上而下进行，雷管对号入座，如图所示装药后所有炮眼均应堵塞炮泥，掏槽眼堵塞长度≮0.4m，其他眼堵塞长度≮20cm。
7、装药参数及装药参数计算表如下所示：
表5.1.1-1装药参数表
5.3操作要点
1）严格测量放线，确保设计轮廓线准确无误，钻孔时严格沿设计轮廓线开钻，控制钻孔外插角，最大限度的减少超挖；
2）严格按爆破参数表进行装药试爆，并在爆破后仔细进行爆破效果评估并进行爆破参数及循环进场调整，并认真开展交底培训，以便指导下步开挖工作；
3）软弱围岩施工，一般情况开挖进尺不得大于1榀钢架间距，根据围岩稳定情况、监控制量测及爆破效果可适当调整，以保证施工进度；
4）隧道上方存在建筑物建筑物时，还应进行爆破震动检测，根据《爆破安全规程》，最大爆破震动速度不得超过3cm/s；
5）控制爆破的关键在于根据围岩变化情况及爆破效果，不断优化总结，寻找适合某段围岩状况下的，合理爆破参数，达到提高开挖质量，加快施工进度的目的。
6材料与设备
控制爆破技术实施，材料设备市场广泛，主要设备和材料见表6.1.1-1、表6.2.1-1。
6.1主要材料
表6.1.1-1主要材料表
序号
材料名称
材料规格
备注
1
乳化炸药
Φ32
2
电雷管
8#
3
粘土
粉质粘土
4
细砂
粒径《5mm
5
油漆
桶装
6.2主要设备
表6.1.1-2主要设备表
序号
设备名称
设备规格
备注
1
开挖台车
自制
满足钻眼要求
2
风钻
YT
3
空压机
电动空压机或螺杆空压机
4
炮棒
Φ20PVC管
长度根据开挖进场确定
5
通风机
轴流通风机
可根据隧道长度选择
6
风镐
G10
7
全站仪
带激光指示即可
断面测量
7质量控制
建立一个完善而系统的质量保证体系，对作业全过程及相关因素实行严格科学的管理，对控制隧道超欠挖中是非常重要和必要的。
现场管理与组织是指人员组织、作业安排、技术交底和指导、质量检测和反馈以及相应规章和技术标准等的制定，管理的目的就是要把众多的因素置于可控的状态，达到爆破设计的基本要求。
7.1在爆破质量管理中，应坚持以下基本原则
7.1.1必须坚持采用控制爆破，通过工程类比和现场实验，优化爆破参数设计；
7.1.2在满足技术经济要求的情况下，应优先考虑采取操作简单且精度高、有良好性能的钻孔机械、测量放线仪器、断面检测仪器以及爆破器材等；
7.1.3应严格控制断面的测量放线精度，特别是要避免随意放大或缩小断面的现象；
7.1.4必须严格控制钻孔精度，重点是控制周边眼的外插角、开口误差以及炮眼的断面分布的均匀性；
7.1.5必须严格控制重要爆破作业质量，特别是要控制装药量，并保证正确的起爆顺序；
7.1.6必须做到及时检测和及时反馈；
7.1.7必须强化施工组织管理、推行作业标准化，并经常加强作业人员文化和责任心的教育等。
在钻孔过程中以及钻孔完毕装药前对钻孔效果进行检查，在开挖前的测量放线时对前一循环的光爆效果进行检查，测量、记录分析检查结果，具体检查项目按照下列技术要点进行，以便在下一开挖循环中合理调整爆破参数；
7.2具体的隧道允许超挖值应符合下表7.1.1-1要求：
表7.1.1-1隧道允许超挖值（cm）
围岩级别
其它
部位
开挖部位
Ⅰ
Ⅱ～Ⅳ
Ⅴ～Ⅵ
拱部
平均10
平均15
平均10
最大20
最大25
最大15
边墙、仰拱、隧底
平均10
平均10
平均10
7.3隧道开挖不应欠挖。
当围岩完整、石质坚硬时，允许个别突出部分侵入衬砌（每1m2不大于0.1m2、高度不大于5cm）。
拱脚和墙角1m范围内严禁欠挖；
7.4炮孔痕迹保存率：
硬岩不少于80％，中硬岩不少于60％，软岩不少于50%，周边炮眼痕迹应在开挖轮廓面上均匀分布；两茬炮衔接台阶不得大于10cm；
7.5炮眼利用率≥90%；
7.6装药前应将炮眼内泥浆、石粉吹干净，所有装药的炮眼均应堵塞炮泥，炮眼堵塞长度不小于20cm；
7.7钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并作好记录，有不符合要求的炮眼应重新钻眼，经检查合格后才可装药起爆。
7.8起爆网路采用簇并联网路时，每一簇导爆管不超过20根。
8安全措施
为确保施工度安排，必须建立一个完整的施工安全保证体系。
施工安全保证体系见图8.1.1-1的《施工安全保证体系框图》。
严格执行安全管理制度及操作规程，认真贯彻国家法律规定的相关事项，确保工程环境的安全与稳定。
图8.1.1-1施工安全保证体系框图
9环保节能
施工中，严格遵照隧道或地下工程相关规范、规程关环保、节能方面的规定，确保施工环境卫生。
同时，重点注意以下几点：
9.1以“预防”为核心，以“控制”为手断，通过“监督”和“监测”不断发现问题，约束自身行为，调节自身活动，为实施环境持续改善取得依据；
9.2实施绿色施工的组织措施；
9.3施工现场所产生的废水，经沉淀后排放；油污及其它分类回收或处理；
9.4施工现场整洁，工完场清，按施工进度计划进料，减少二次搬运，按照布置堆料，点数收料、限额使用以减少环境污染也达到节能的目的。
10技术经济效益
实施控制爆破技术，提高开挖质量。
在隧道施工中能在安全、进度、成本投入和效益方面起到连锁效益。
具体体现为:
10.1安全效益
实施控制爆破开挖，对周边围岩扰动小，隧道开挖轮廓圆顺，软弱围岩施工，及时进行初喷砼封闭，能抑制围岩掉块，对后续工序施工提供安全可靠地工作环境，有效减低安全事故发生。
10.2进度效益
搞好控制爆破开挖，随着开挖质量的提高，能有效缩短出碴、欠挖处理、喷砼工序时间，提高单工序循环时间，在施工进度方面起承上启下的作用。
现以水井山隧道进口施工为例，采用控制爆破施工后进度方面效益突出：
表10.1.1-1实施前后施工进度情况统计表
序号
年月
实施阶段
上台阶开挖进度（m）
施工进度指标
m/d
备注
1
2013.01
实施前
15
0.5
2
2013.02
实施前
13.7
0.46
3
2013.03
实施前
31.3
1.04
4
2013.04
实施后
55
1.83
5
2013.05
调整期
68
2.3
6
2013.06
调整期
57
2.85
受安全距离影响，暂停施工10d，实际施工20d。
进度比较
实施前每天循环进尺不到1.0m，实施后平均循环进尺达2m/d（按自然天计）
从表10.1.1-1可知，采用控制爆破进行隧道开挖作业，在施工进度方面成效显著。
软质岩地段，施工进度指标可达到60m/月，在软质岩隧道施工中施工进度的快慢是确保安全的关键因素，尤其是在软弱围岩大变形地段施工，快速开挖支护显得尤为重要，只有快速施工，才能确保初期支护尽早成环，安全才能得到保障。
10.3成本投入和经济效益
实施控制爆破技术，在缩短出碴、欠挖处理、喷射砼工序时间的同时，无形中减少了装运设备油料及运转费用，欠挖处理人工费，喷射砼材料、拌合、运输、喷浆机运转、电费、水费、人工费、机械磨等费用，大大降低成本投入。
现以水井山隧道进口施工为例，采用控制爆破施工后成本投入和经济方面效益突出：
表10.1.1-2水井山隧道进口2013年上半年喷射砼消耗情况统计表
序号
施工
年月
实施
阶段
喷射砼
设计量（m3）
理论用量（含允许超挖+30%回弹）（m3）
实际
消耗量（m3）
节+，超-
（m3）
超耗率
平均超挖（cm）
备注
1
2013.1
实施前
146.82
347.17
466
-118.83
80.94%
20.23
2
2013.2
实施前
230.26
368.42
524
-155.58
67.57%
16.89
3
2013.3
实施前
318.98
510.37
757
-246.63
77.32%
19.33
4
2013.4
实施后
386.94
619.1
851
-231.9
59.93%
14.98
5
2013.5
调整期
711.68
1138.69
1387
-248.31
34.89%
8.72
6
2013.6
调整期
580.96
929.54
1123
-193.46
33.30%
8.33
时间-超耗率曲线图
从表10.1.1-2可知，采用控制爆破进行隧道开挖作业，从开挖质量控制方面成效显著，有效减少了因超挖造成的一系列成本投入增加。
下面以客专双线隧道为例，以“隧道平均超挖5cm，每延米增加的主要成本增加投入及相关的经济效益情况”，详见表10.1.1-3。
表10.1.1-3主要指标经济效益计算表
其它
序号
增加项目
相应增加成本
增加经济投入（元）
备注
1
出碴
增加出碴量2.2m3
29.7
含运费
2
喷射砼
增加喷射砼设计量2.2m3,考虑30%回弹后，应增加喷砼2.86m3。
2150.72
含速凝剂、商砼单价、人工费
3
挖装设备运转
10分钟
104.98
含1台挖机、1台轮装租金和燃料费
4
110*2轴流通风机运转
20分钟
4.25
含租金
5
空压机运转
1.0小时
0.23
含租金
6
TK600
湿喷机机运转
1.0小时
0.45
含折旧费
7
用电
1台空压机用电1小时、风机20分钟、喷浆机1.0小时、照明1小时
208.5
含用电设备和照明用电电费
合计（元/m）
2498.83
从以上阐述可知，坚持采用控制爆破，在隧道施工中能在安全、进度、成本投入和效益方面能实现效益最大化。
11应用实例
在建沪昆客专云南段TJ1标水井山隧道全长2195m，由中铁五局（集团）有限公司承建，该隧道兼运梁通道，为管段内控制性工程之一。
隧道位于云贵高原丘陵区，区内地形总体比较平缓，基岩裸露，覆土薄，最大埋深120m，地面高程1970-2140，相对高差约170m，洞身主要通过二叠茅上统宣威群（P2xn）砂岩夹泥岩及二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2B）玄武岩夹凝灰岩等。
洞身围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级，本隧Ⅴ级围岩610米，为总长的27.79％，Ⅳ级围岩1540米，为总长的70.15％。
洞身岩性为玄武岩夹凝灰岩，岩体破碎，不良地质有夹煤层瓦斯、采空区，综合分析本隧工程地质条件差。
隧道进出口端均为浅埋地层，岩性为风化砂岩夹泥岩，在该隧道开工后我单位从始至终紧紧围绕以“严格控制超欠挖，有效控制成本投入，提高施工效益”的原则，以控制爆破为爪手，全面督促落实开挖工作，通过不断总结和摸索，隧道开挖质量得到很大提高，在施工安全、成本投入、工期、经济效益方面取得了良好效果。
另外在沪昆客专云南段TJ1标多乐铺隧道软质岩段控制爆破也得到很好应用。
在实际施工中控制爆破技术实施仍然存在一些不足，主要表现为：
1）作业人员素质参差不齐，对爆破参数的随时调整，多数人无法接收，管理难度大；
2）作业人员不能长期固定，流动性较大，培训、试验、调整循环过程长，现场熟练掌握人员较少；
3）管理人员对同一掌子面围岩节理裂隙、软硬情况、风化破碎程度等岩性的辨识能力还不够，同一掌子面实行多参数控制爆破作业，效果不好。
目前根据以上存在的问题，已建立了爆破开挖定人、定位尤其是周边眼施作人员，相对固定，由工班长包保制度；制定实施了从控制爆破基础知识培训→初步设计方案→试验爆破→调整→培训交底的循环式培训模式，提高了作业人员对控制爆破技术的了解；成立了以各口生产领导为组长的控制爆破自检小组，每茬炮开挖前带领技术、施工、工班相关人员对掌子面围岩情况进行综合评价，确定循环进尺、打眼应避开的裂隙位置、掌子面各部位的炮眼间距调整、药量调整情况并作现场交底，由施工员现场督促落实，在实现“岩变、进尺变、参数变”方面取得一定效果，有效提高了开挖质量控制。
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