小断面隧道施工中斜眼掏槽的应用

小断面隧道施工中斜眼掏槽的应用

摘要：结合太行山隧道4#斜井爆破方案的选择和应用。介绍斜眼掏槽对小断面隧道爆破效果的影响，通过工程实际情况进行类比。分析斜眼掏槽爆破在小断面隧道中优势。

关键词：爆破；斜眼掏槽

1. 工程概况

1.1 工程简介

太行山隧道4#斜井起讫里程为斜01+500～斜0+00，全长1500m，隧道以Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩为主。洞身段为圆拱直墙型断面，断面尺寸6.3×6.9m（宽×高），综合纵坡为10.07%。斜井最大埋深285m。

1.2 工程地质及水文

隧洞沿线出露地层为大理岩、石英片岩、夹变粒岩、片麻岩。洞身段大多位于风化岩体～新鲜岩体中，岩体从较破碎到较完整。洞身段大多位于地下水位以下。地下水分布主要受节理、裂隙、溶隙的发育和分布情况控制，主要表现为裂隙水、岩溶水。

1.3 施工方案基本情况

1.3.1 开挖断面大小

洞身段为圆拱直墙型断面，断面尺寸6.3×6.9m（宽×高），面积为41m2。

1.3.2 施工设备配备

在斜井施工中，采用工字钢、钢管、钢筋等焊接自制成钻孔台架，台架上安装有高压风、钢管、通用闸阀、连接风钻及照明灯具，可以供15台风钻同时钻眼施工。采用11台YT-28气腿式凿岩机同时钻眼，钻眼孔径为42mm。

2. 理论依据

光面爆破作为一项较为先进的控制爆破技术，在其掏槽眼、辅助眼和周边眼中，掏槽眼的主要作用是爆破出新的自由面，为其他炮眼创造有利的爆破条件；辅助眼的作用是进一步扩大和延伸掏槽的范围；周边眼的作用是控制隧道断面的规格和形状。因此，掏槽成败是光面爆破的关键，它不仅影响周边眼的爆破，而且关系到进尺长短。

3.光面爆破设计

3.1 光面爆破的起爆顺序

掏槽炮→扩槽炮→内圈炮→周边炮→底板炮。

3.2 光面爆破参数的确定

3.2.1 周边孔间距E

周边眼通常布置在距开挖断面边缘0.1m至0.2m处,光爆孔的孔底朝隧道开挖轮廓线方向倾斜3～5°。当炮孔孔径D为42mm时，周边孔间距E=（10～16）D，Ⅱ、Ⅲ级围岩周边眼的间距为0.55m。

3.2.2 光爆层厚度W

光爆层厚度就是周边眼最小抵抗线，它与开挖的隧道断面大小有关。断面大，光爆眼所受到的夹制作用小，岩石比较容易崩落，光爆层厚度可以大些；断面小，光爆眼受到的夹制力大，光爆层厚度相对要小些。同时，光爆层厚度与岩石的性质和地质构造有关，坚硬岩石光爆层厚度可小些，松软破碎的岩石光爆层厚度可大些。太行山隧道4#斜井光爆层厚度W=0.5m～0.8m，Ⅱ、Ⅲ级围岩W取55cm。

3.2.3 密集系数K

周边眼密度系数是周边眼间距E与光爆层厚度W的比值，是影响爆破效果的重要因素。

K=E/W（K取值0.8）。

3.2.4 孔深L

围岩循环进尺：L=0.5×B×90%=0.5×6.3×90%=2.80m(隧道宽度B=6.3m)。掏槽眼取值3.5m，其余各眼炮孔深度取3.0m。在实际操作中应视掌子面的凹凸情况，调整各炮眼钻孔长度，使所有炮眼眼底处于同一垂直面上。

3.2.5 装药量Q

一是确定炸药单耗量q，炸药单耗量对装药效率、炮孔利用率、开挖壁面的平整程度和围岩的稳定性都有较大的影响。它取决于岩性、断面积、炮孔直径和炮孔深度等多种因素。q取值1.2kg/m3。二是装药集中度Q。光面爆破装药量的计算，主要是确定周边眼光爆层炮眼装药集中度，即Q=qEWQ确定为0.11～0.30kg/m。

3.2.6 炮孔数量N

炮孔数量取决于掘进断面积、岩石性能和炸药性能。孔数过少将造成大块增多，周壁不平整，甚至会出现炸不开的情况；相反，孔数过多将使凿岩工作量增大。

N=0.0012qS/ad2 式中N—炮孔数量，个；q—单位炸药消耗量,取1.2kg/m3；S—开挖断面面积，（Ⅱ、Ⅲ级围岩S=41m2）a—炮眼装填系数，取0.62；d—炸药直径，乳化炸药为32mm。Ⅱ、Ⅲ级围岩炮孔数量N=95个。

3.3 装药结构

周边眼装药采用径向不偶合间隔装药结构，不偶合系数为1.5～2.0。所有炮眼统一装φ32标准药卷，周边眼药卷需绑在竹片上装入，孔口用炮泥堵塞。光面爆破装药过程中，如果只注意控制周边眼用药量而忽视内圈辅助眼的药量控制，很难达到理想的爆破效果。因此，为保证光爆效果，钻工定岗定位，掏槽眼、底板眼、辅助眼、周边眼（又分拱部、拱墙、边墙）都实行专人负责。

3.4 起爆方法

隧道爆破从掏槽眼到辅助眼至周边眼，采用多段微差毫杪雷管起爆由里向外起爆，其中周边眼比辅助眼要跳2段，间隔时间为25～100毫秒，且用同一段雷管同时起爆。

4. 爆破方案设计

4.2 斜眼掏槽爆破设计

直眼掏槽设计方案每循环钻眼耗时较长，掘进速度与原计划相比较慢。需要再设计一套斜眼掏槽的爆破方案，以达到预期目标。

结合直眼掏槽调查的资料，首先选用耗药量较少、易于掏槽、钻眼也较为方便的楔形掏槽方案。其方法是将两列掏槽眼的水平间距拉至2.0ｍ～2.4ｍ，这样可防止因钻眼误差而将对称炮眼打通，同时，在一定程度可以减少整个断面的钻眼工作量。岩层较为坚硬时，为防止斜眼掏槽中产生大块岩石，在中间可以增设了4个较浅的垂直炮眼，增加岩石破碎程度、加强抛掷、促进掏槽。其次，从核心加强抛掷掏槽的外围着眼，为了更好地为周边眼创造自由面，促进“掏槽”效果，将锥形掏槽思想用到辅助眼、崩落眼上，使它们内倾一定角度，然后利用斜眼平均抵抗线较小、岩石嵌制力小的特点，加强核心掏槽外围碎石的抛掷，从而构成一个庞大的近似锥形掏槽爆破的外围系统。结合有关光面爆破设计要求，对周边炮眼做光面爆破设计，炮眼布置见图1，炮眼装药参数表见表1。

斜眼掏槽爆破方案实施后表明，钻眼全部采用3.5m钻杆时，所用风动凿岩机在掌子面可以钻出设计的角度，钻工在经过几个循环培训后，钻眼精度有了很大的提高，钻眼时间大大缩短，每循环耗药量随之大大减少，平均每循环的进尺多在2.6ｍ～3.0ｍ，爆破效果比较理想，同时也加快了施工进度。