一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法与流程

1.本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法。

背景技术：

2.目前，隧道钻爆法开挖仍为主流方法。为减小对围岩的扰动，有效减少超欠挖，将光面爆破应用于隧道爆破开挖中，光面爆破具有较好的光爆效果，可在很大程度上控制超欠挖，且保证轮廓线的平整圆顺，减少应力的集中。
3.但是在层理、节理、裂隙发育的隧道中，使用传统的光面爆破，爆炸应力波及爆生气体受地质原因的影响，无法完全沿隧道开挖轮廓线进行有效切割，大部分能量顺层理、节理流失，出现较大的超欠挖。若通过调整装药量改变超欠挖，则会出现孔底爆破漏斗过大或孔口挂口等现象；若通过调整周边眼的最小抵抗线，则会造成更大的超挖或欠挖。在此类围岩中使用光面爆破，无法保证开挖质量。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，为保证爆破开挖质量，减少超欠挖，保证轮廓线，根据爆炸机理及预裂爆破原理，本发明的隧道预裂微震控制爆破开挖工法，在不增加施工成本的条件下，通过采用预裂爆破的方式，有效解决了光面爆破在层理节理发育隧道爆破中超欠挖较大的问题。
5.本发明通过调整段位并改变起爆顺序，即周边眼采用低段位，先进行起爆，再依次起爆掏槽眼、辅助眼、底板眼。采用预裂爆破，周边眼仅有孔口一个临空面，爆破效果不受制于抵抗线，既能预先在周边眼间形成有效贯通裂缝，减小辅助眼对围岩的扰动，又能引导辅助眼破岩外的爆生能量，对贯通裂缝进行二次切割，提高预裂效果。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，包括以下步骤：
7.s1、测定开挖轮廓线以及炮孔位置；
8.s2、钻取炮孔，根据炮孔分布设计，沿开挖面径向由中心向外依次钻出掏槽眼、辅助眼和周边眼，以及在隧道掌子面底部钻取轮廓线的底板眼，并对钻取的掏槽眼、辅助眼、周边眼和底板眼进行清洗；
9.s3、向掏槽眼、辅助眼、周边眼和底板眼内装填并联线，起爆方式采用混合网路起爆法，其中，周边眼使用不耦合间隔装药；周边眼间隔装药可降低爆轰能力，减少周边眼对围岩的破坏作用；
10.s4、采用预裂爆破，即起爆顺序依次为周边眼、掏槽眼、辅助眼、底板眼。
11.本发明的技术方案还有：所述周边眼钻设角度小于3
°
，所述周边眼避开层理、节理打设于完整围岩处。
12.本发明的技术方案还有：相邻两个所述周边眼之间的间距大于1.2倍的周边眼间
距e时，在其中间位置打设1个空眼，空眼的尺寸与周边眼一致。
13.本发明的技术方案还有：所述掏槽眼采取直眼加三级楔形复合掏槽，所述掏槽眼包括设置在开挖面中心线上的直眼掏槽和对称设置在开挖面中心线两侧的一对一级掏槽、一对二级掏槽、一对三级掏槽，所述一级掏槽、二级掏槽、三级掏槽均为斜眼掏槽；
14.所述掏槽眼深度较周边眼、辅助眼深0.5-1米，所述深度为垂直于掌子面的深度。
15.本发明的技术方案还有：所述周边眼间距e＝(8～12)d，单位为cm，其中d为炮眼直径，单位为cm，最小抵抗线w＝e/m，单位为cm，m为炮眼密集系数，线装药密度单位为kg/m，为岩石极限抗压强度，根据试验测得，单位为mpa。
16.本发明的技术方案还有：步骤s1中，开挖轮廓线的设置标准为：净空半径r1+设计二衬厚度+初支厚度+预留量+(3～5)，单位为cm。
17.本发明的技术方案还有：所述周边眼使用ms1段，所述周边眼、掏槽眼、辅助眼和底板眼的爆破网路中的段位按照起爆顺序相互间隔两个段别差。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在层理节理发育隧道开挖中采用预裂爆破的方式进行爆破，与光面爆破相比，本发明可有效减小对围岩的扰动，减少超挖，进而有效减少了出渣量、喷射混凝土量，降低了整体成本并加快了施工进度。
19.同时利用本发明的爆破开挖方法提高了开挖后围岩的圆顺度，减少了应力集中，更加安全。
20.本发明的工艺原理：
21.①
爆破机理
22.a.动力学理论
23.爆炸时，强大的冲击波冲击和压缩周围的岩体，在岩体中激发成强烈的应力波。当应力波达到自由面时，从自由面反射而形成拉伸应力波，当这种波的强度超过岩体的极限抗压强度时，则产生拉伸片裂破坏作用。
24.b.静力学理论
25.爆炸时，产生大量高温高压的爆生气体，这种气体膨胀时所产生的压力作用在周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起不同的径向位移，导致在岩石中形成剪应力，当剪应力超过岩石的极限抗剪强度时，则会引起岩石的破裂。当爆生气体的推力大到一定程度时，则会引起岩石隆起、抛掷。
26.c.动力学与静力学联合作用理论
27.应力波拉伸破坏与爆生气体的推力、尖劈共同作用，根据岩体的性质，作用程度不同。在整体性较好、致密坚韧的岩体中，因其波阻抗较高，应力波传播性能好，岩石的破坏程度主要取决于应力波拉伸破坏作用；在围岩较破碎、完整性较差的岩体中，因其波阻抗较低，存在不同介质，应力波传播性能较差，岩石的破坏程度主要取决于爆生气体的作用。
28.②
预裂爆破原理
29.预裂爆破先于其他炮眼起爆，预先形成贯通裂缝，不耦合间隔装药，待外圈辅助眼爆破，爆生气体及应力波到达贯通裂缝时，因介质发生变化，应力波穿过不同介质，会发生较大的衰减，作用于围岩的应力将大大减弱，且应力波到达贯通裂缝时，因介质的改变，发生反射作用，相互叠加，增强破岩作用。爆生气体到达贯通裂缝，沿已形成的裂缝进行尖劈，
对围岩的作用减小，且可以对贯通裂缝进行二次切割。
附图说明
30.图1为本发明所述预裂爆破布孔联线图；
31.图2为本发明所述隧道轮廓线示意图；
32.图3为本发明所述掏槽眼的结构示意图；
33.图4为本发明所述周边眼装药结构示意图；
34.图5为本发明实施例1和对比例1-3中所述左洞和右洞的开挖轮廓线示意图；
35.图6为本发明实施例1所述预裂爆破周边眼布置示意图；
36.图7为本发明实施例1所述右洞k57+794段掌子面断面图；
37.图8为本发明实施例1所述右洞k57+797段掌子面断面图；
38.图9为本发明实施例1所述右洞k57+794段和k57+797段掌子面实况图；
39.图10为本发明对比例1所述光面爆破周边眼布置示意图；
40.图11为本发明对比例1所述右洞k57+789段掌子面断面图；
41.图12为本发明对比例1所述右洞k57+789段掌子面实况图；
42.图13为本发明对比例2所述左洞za3k57+842段掌子面断面图；
43.图14为本发明对比例2所述左洞za3k57+842段掌子面实况图；
44.图15为本发明对比例3所述左洞za3k57+845段掌子面断面图；
45.图16为本发明对比例3所述左洞za3k57+849段掌子面断面图；
46.图17为本发明对比例3所述左洞za3k57+845段和za3k57+849段掌子面实况图；
47.图18为本发明所述左洞爆破效果对比图；
48.图19为本发明所述右洞爆破效果对比图；
49.图中，1掏槽眼、11直眼掏槽、12一级掏槽、13二级掏槽、14三级掏槽；2辅助眼、3周边眼、4底板眼。
具体实施方式
50.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明，本发明的实施方式中的左洞为岩石完整隧道开挖段，右洞为层理发育隧道开挖段。
51.术语介绍：(1)顶：就是把隧道断面上松动或软弱围岩、石块清除。
52.(2)挂口：也就是常见的孔身爆破效果良好，但孔口出现完整炮眼的情况。产生挂口的原因是由于孔口受爆炸产生的作用力不足以将岩石破裂而致。
53.(3)二衬：“二衬”是坑道施工中的一个术语。在坑道开挖时沿着掌子面向前开进，而其后已挖成的坑道四面则需要加固。“二衬”即是指经加固后的坑道四周仍需继续二次加固来做的工作。
54.通常来说，根据围岩情况以及初衬、二衬受力情况，隧道支护可以分为两种：1、初衬完全受力，等围岩变形稳定、初支完全受力的情况下再施作二衬；2、初衬与二衬共同受力。
55.(4)拱脚和拱腰：起拱线就是拱脚，即路面和隧道墙面交界；拱脚是一个切面上的2个点而已，而起拱线是将这些点连起来贯穿整个隧道。
56.隧洞拱顶至拱脚这段弧，弧长的中点，称为拱腰。
57.本发明层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法的施工方法，具体步骤如下：
58.1)放线定位，测定开挖轮廓线以及炮孔位置
59.①
通过施工监控量测数据，确定实际预留量，可根据围岩相近性原则，采用相同相近围岩段监控量测数据作为确定开挖轮廓线的依据，具体详见图2。
60.②
净空半径r1+设计二衬厚度+初支厚度+预留量+(3-5)，单位为cm，以此作为开挖轮廓线标准，其中(3-5)cm是为保证二衬不侵限的富余量。
61.2)钻孔、装药、联线
62.如图1所示，钻取炮孔，根据炮孔分布设计，沿开挖面径向由中心向外依次钻出掏槽眼1、辅助眼2和周边眼3，以及在隧道掌子面底部钻取轮廓线的底板眼4，并对钻取的掏槽眼1、辅助眼2、周边眼3和底板眼4进行清洗，向掏槽眼1、辅助眼2、周边眼3和底板眼4内装填并联线。钻孔机具采取yt28型气腿式凿岩机，a42mm直径的钻头钻孔。钻头为“一”字型硬质合金钢，钻杆规格为中空六棱型，钻杆长度分别为：2m、3m、4m、5m几种规格。
63.掏槽眼：如图1和图3所示，所述掏槽眼1采取直眼加三级楔形复合掏槽，所述掏槽眼1包括设置在开挖面中心线上的直眼掏槽11和对称设置在开挖面中心线两侧的一对一级掏槽12、一对二级掏槽13、一对三级掏槽14，所述一级掏槽12、二级掏槽13、三级掏槽14均为斜眼掏槽，角度垂直于掌子面依次为65
°
、70
°
、75
°
。为保证掏槽效果，提高炮眼利用率，掏槽眼1垂直于掌子面的深度较周边眼3、辅助眼2深0.5米至1米。采用复合掏槽方式，旨在直眼掏槽11与一级掏槽12提升掏槽效果，为后续炮孔起爆提供较大的临空面。
64.周边眼：保证周边眼3钻设角度小于3
°
，在层理、节理处不可钻眼，避开此处，炮眼打设于完整围岩处，若相邻两个周边眼3的间距大于1.2倍的周边眼间距e时，可在其中间位置打设1个空眼以作导向。
65.周边眼3使用不耦合间隔装药，使用ms1段，在所有炮孔前起爆，其他炮眼按照常规方式装药。具体详见图1和图4。具体装药量及使用情况见表1，装药量及具体数量根据围岩的情况设定，具体方法为现有技术，在此不做赘述。
66.表1上台阶爆破参数表
[0067][0068]
[0069]
3)起爆方式
[0070]
起爆方式采用混合网路起爆法，周边眼起爆采用非电毫秒-起爆网路，其它眼起爆采用非电毫秒，材选用非电毫秒，爆破网路设计时，如图1所示，按1～17段设计，所述周边眼3使用ms1段，所述周边眼3、掏槽眼1、辅助眼2和底板眼4的爆破网路中的段位按照起爆顺序相互间隔两个段别差，两个段别差为最优配置。段位是为体现段别差，段别不同，起爆时差不同，高段位后起爆先起爆的可形成临空面，保证后起爆的效果。起爆顺序依次为周边眼3、掏槽眼1、辅助眼2、底板眼4。
[0071]
实施例1
[0072]
如图1所示，本实施例在右洞选取k57+794、k57+797段，为ⅳ级加强衬砌类型，衬砌厚度40cm，初期支护i18工字钢，喷射混凝土厚度24cm，设计预留变形量8cm。其中右洞的岩石为层理发育的岩石，采用本发明的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法。
[0073]
施工中根据现场围岩情况及监控量测数据，预留5cm变形量，正台阶法开挖，实际开挖轮廓线如图2所示。钻孔前测量人员使用全站仪对掌子面开挖轮廓线进行放样，红油漆标注孔位，保证钻孔精度。
[0074]
周边眼爆破参数如下：
[0075]
所述周围眼间距e＝(8-12)dcm，其中d为炮眼直径42mm，e＝33.6-50.4cm，取40cm，炮眼密集系数m＝0.8，最小抵抗线w＝e/w＝50cm，线装药密度炮眼密集系数m＝0.8，最小抵抗线w＝e/w＝50cm，线装药密度试验取得岩石极限抗压强度则q＝0.367
×
(4.2)
0.5
×
0.042
0.36
＝0.24，取q为0.25kg/m。
[0076]
即得到，周边眼间距e＝40cm，最小抵抗线w＝50cm，线装药密度q＝0.25kg/m，炮眼密集系数m＝0.8，拱顶周边眼采用ms-1非电毫秒导爆管，孔内两发实现间隔装药，详见图6的周边眼布置图。
[0077]
右洞开挖顶后，对掌子面断面进行扫描，实际超欠挖见下：
[0078]
如图7所示，从k57+794掌子面断面图分析，本循环超挖较小，最大超挖11.3cm，位于左拱肩处，线性平均超挖7.6cm，每延米超挖1.56m3。
[0079]
如图8所示，从k57+797掌子面断面图分析，本循环超挖控制较好，最大超挖18.5cm，位于右拱肩处，线性平均超挖9cm，每延米超挖1.85m3。
[0080]
如图9所示，从现场掌子面实拍影像进行分析，右洞爆破开挖后，炮孔残存率高，拱顶预裂区域达到100％，且超挖较小，但两个循环最大超挖均出现在拱肩处，此处为层理结合处。
[0081]
对比例1
[0082]
选取右洞的k57+789段，设计类型、开挖轮廓线、炮眼布置与实施例1一致，与实施例1不同之处在于采用光面爆破的方式进行，周边眼爆破参数不同。
[0083]
周边眼爆破参数如下：
[0084]
炮孔间距e＝50cm，最小抵抗线w＝60cm，线装药密度q＝0.25kg/m，炮眼密集系数m＝0.83，周边眼采用ms-15非电毫秒导爆管，孔内两发实现间隔装药，详见图10的周边眼布置图。
[0085]
右洞爆破开挖顶后，对掌子面断面进行扫描，详见图11掌子面断面图。
[0086]
如图11所示，从掌子面断面图分析，本循环超挖较大，最大超挖27.7cm，位于拱腰处，拱顶超挖较严重，存在多处20cm以上超挖，通过计算，线性平均超挖19cm，开挖断面轮廓线弧长20.56米，每延米超挖3.91m3。
[0087]
如图12所示，从现场掌子面实拍影像进行分析，拱顶处全面超挖，尤其拱肩处超挖较大，现场分析为水平层理岩层，开挖后线形尚可，顶后掉块较严重，且围岩平整度较差。
[0088]
对比例2
[0089]
选取左洞的za3k57+842段，与实施例1不同之处，采用光面爆破的方式进行，设计衬砌形式、开挖工法、实际开挖轮廓线、炮眼布置、爆破参数等与对比例1一致。
[0090]
左洞爆破开挖顶后，对掌子面断面进行扫描，详见图13掌子面断面图。从掌子面断面图分析，本循环超挖控制较好，最大超挖18.2cm，位于拱顶处，线性平均超挖10.8cm，每延米超挖2.22m3。
[0091]
如图14所示，从现场掌子面实拍影像进行分析，拱顶处存在部分欠挖、挂口现象，虽有部分残孔，但孔间有炮茬，存在不同程度的超欠挖。总体来说，超挖较可控。
[0092]
对比例3
[0093]
选取左洞的za3k57+845、za3k57+849段，与实施例1一样采用预裂爆破的方式进行，设计衬砌形式、开挖工法、实际开挖轮廓线、炮眼布置、爆破参数等与实施例1一致。
[0094]
左洞开挖顶后，对掌子面断面进行扫描，实际超欠挖见下。
[0095]
如图15所示，从za3k57+845掌子面断面图分析，本循环超挖较光面爆破略有增大，最大超挖25.2cm，位于拱顶处，线性平均超挖13.6cm，每延米超挖2.8m3。
[0096]
如图16所示，从za3k57+849掌子面断面图分析，本循环超挖控制较好，最大超挖29.1cm，位于拱肩处，线性平均超挖12.6cm，每延米超挖2.59m3。
[0097]
如图17所示，从现场掌子面实拍影像进行分析，拱顶处存在部分超挖，但超挖可控，主要原因为周边眼外插角度所致。
[0098]
综上，如表2所示，每循环进尺3.2米，拱顶区域光面爆破打设18个周边眼，预裂爆破打设22个周边眼，炮眼增加4个，增加8发，增加3kg。增减成本具体如表2所示。
[0099]
表2光面爆破与预裂爆破成本比较
[0100]
[0101][0102]
备注：1.循环进尺3.2米；2.以光面爆破为基准成本；3.、价格为市场价格，仅供参考；4.人工费以台班计，增加炮眼数量无成本增加。
[0103]
(一)开挖效果分析
[0104]
(1)如图18所示，左洞采用预裂爆破后，与采用光面爆破相比，平均线性超挖由10.6cm增大至13.6cm、12.6cm，超挖由2.22m3增大至2.8m3、2.59m3，平均每延米超挖增大0.495m3，超挖率增大22.3％。
[0105]
左洞最大超挖由18.2cm，增大至25.2cm、29.1cm，且随机性较强，基本位于拱顶、拱肩处。
[0106]
(2)如图19所示，右洞采用预裂爆破后，与采用光面爆破相比，平均线性超挖由19cm减小至7.6cm、9cm，超挖由3.91m3减小至1.56m3、1.85m3，平均每延米超挖减少2.205m3，超挖率较小56.4％。
[0107]
右洞最大超挖由24.9cm，减小至11.3cm、18.5cm，且均位于拱肩处。
[0108]
(二)总结
[0109]
基于预裂爆破的钻孔施工量大于光面爆破，并且预裂爆破效果没有光面效果好的经验，因此在实际隧道爆破施工中，本领域技术人员均采用光面爆破方法进行，本领域技术人员很难想到在层理节理发育隧道再采用预裂爆破的方式进行开挖，打破了本领域技术人员的固有经验，得到意想不到的效果。本发明通过实施例和对比例对比后也表明，预裂爆破技术可应用于层理发育隧道，但不适用于围岩完整的隧道。
[0110]
从整体效果来看，预裂爆破技术能有效减少拱顶处超挖，并可将线性超挖整体控制在10cm左右，且最大超挖不超过20cm，爆后掌子面围岩轮廓较好，圆顺平整，超挖率降低近60％，考虑因周边眼外插角度造成的不可避免的超挖因素，此爆破技术已从很大程度上减少了超挖。
[0111]
从成本来看，采取预裂爆破虽增加了、的使用量和成本，但大大节约了喷射混凝土使用量和成本，每延米降低成本900元。同时，减少了混凝土的总耗量，也减少了回弹量，按定额规定回弹20％来计算，节约成本180元，总体每延米降低成本1080元。
[0112]
从进度来看，降低了超挖量，减少了出渣的时间，缩短了喷浆的时间，整体循环工效得到提升。
[0113]
从安全来看，拱顶爆破炮痕保存率近100％，岩面圆顺，降低了拱顶掉块和地应力的集中，提高了安全系数。
[0114]
从质量来看，岩面圆顺，可减少顶时间，第一时间对围岩进行初喷，保证了应力的重分布，提高了整体质量。
[0115]
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特性在于，包括以下步骤：s1、测定开挖轮廓线以及炮孔位置；s2、钻取炮孔，根据炮孔分布设计，沿开挖面径向由中心向外依次钻出掏槽眼(1)、辅助眼(2)和周边眼(3)，以及在隧道掌子面底部钻取轮廓线的底板眼(4)，并对钻取的掏槽眼(1)、辅助眼(2)、周边眼(3)和底板眼(4)进行清洗；s3、向掏槽眼(1)、辅助眼(2)、周边眼(3)和底板眼(4)内装填并联线，起爆方式采用混合网路起爆法，其中，周边眼(3)使用不耦合间隔装药；s4、采用预裂爆破，即起爆顺序依次为周边眼(3)、掏槽眼(1)、辅助眼(2)、底板眼(4)。2.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：所述周边眼(3)钻设角度小于3
°
，所述周边眼(3)避开层理、节理打设于完整围岩处。3.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：相邻两个所述周边眼(3)之间的间距大于1.2倍的周边眼间距e时，在其中间位置打设1个空眼。4.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：所述掏槽眼(1)采取直眼加三级楔形复合掏槽，所述掏槽眼(1)包括设置在开挖面中心线上的直眼掏槽(11)和对称设置在开挖面中心线两侧的一对一级掏槽(12)、一对二级掏槽(13)、一对三级掏槽(14)，所述一级掏槽(12)、二级掏槽(13)、三级掏槽(14)均为斜眼掏槽；所述掏槽眼(1)深度较周边眼(3)、辅助眼(2)深0.5-1米。5.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：所述周边眼(3)间距e＝(8～12)d，单位为cm，其中d为炮眼直径，单位为cm，最小抵抗线w＝e/m，单位为cm，m为炮眼密集系数，线装药密度单位为kg/m，为岩石极限抗压强度，单位为mpa。6.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：步骤s1中，开挖轮廓线的设置标准为：净空半径r1+设计二衬厚度+初支厚度+预留量+(3～5)，单位为cm。7.根据权利要求1所述的层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法，其特征在于：所述周边眼(3)使用ms1段，所述周边眼(3)、掏槽眼(1)、辅助眼(2)和底板眼(4)的爆破网路中的段位按照起爆顺序相互间隔两个段别差。

技术总结

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种层理节理发育隧道预裂微震控制爆破开挖方法。本发明通过在层理节理发育隧道开挖中采用预裂爆破的方式进行爆破，与光面爆破相比，本发明可有效减小对围岩的扰动，减少超挖，进而有效减少了出渣量、喷射混凝土量，降低了整体成本并加快了施工进度。同时利用本发明的爆破开挖方法还提高了开挖后围岩的圆顺度，减少了应力集中，更加安全。更加安全。更加安全。