小断面隧洞开挖单循环进尺试验研究

小断面隧洞开挖单循环进尺试验研究
杨玉银1段建军1赖世骧2
(1 中国水利水电第五工程局，河北高碑店 074000;
2 武汉水利电力大学,湖北武汉 430072)
摘要：通过温州赵山渡引水工程许岙隧洞进口开挖的工程试验,论述了六空孔平行直孔掏槽与水平V形掌子面的联合应用对提高小断面隧洞开挖单循环进尺的重要作用。

试验结果表明,这种联合应用,可使小隧洞单循环进尺提高到隧洞宽度的94.3%,隧洞高度的122.2%,这一数据大大超过了国内现有文献资料开挖单循环进尺与洞径的比值,并且这一联合应用为小断面隧洞开挖提供了一种新方法,使隧洞开挖单循环进尺不再受洞径减小的影响,对指导同类工程施工有重要意义。

关键词：隧洞;单循环进尺;直孔掏槽;水平V形掌子面
1 问题的提出
在巷道掘进、小隧洞开挖施工中,为了加快工程进度,常在出渣设备和循环工序衔接上下很大功夫,但效果仍不理想。

在保证出渣设备和充分挖掘工序衔接潜力的前提下,只有尽可能增大单循环进尺,才能更有效地提高巷道、隧洞的掘进速度。

从目前国内常见的权威性文献资料看,对于小隧洞,钻孔深度一般为隧洞宽度或高度的50%～85%,钻孔利用率按90%计算,单循环进尺也只有洞宽或洞高的45%～76.5%。

因此,为了提高单循环进尺,首先要增加钻孔深度。

随着钻孔深度的增加,爆破受到的夹制作用就会更大。

可见,要提高单循环进尺,就必须先解决夹制作用问题,而水平V形掌子面［1］的出现,可以完全有效地解决这一技术难题,从而使单循环进尺接近或超过隧洞断面宽度或高度成为可能。

笔者通过许岙隧洞进口开挖的工程试验研究,得出了一种提高小断面隧洞开挖单循环进尺的有效方法,下面将详细介绍工程试验及其成果的分析、研究与应用情况。

2 试验目的
(1)研究水平V形掌子面对提高单循环开挖进尺的作用;
(2)挖掘六空孔平行直孔掏槽对提高掏槽孔钻孔利用率的潜力;
(3)探讨提高小断面隧洞单循环开挖进尺的新方法。

3 工程试验研究
3.1 试验隧洞及其概况
试验工作在温州赵山渡引水工程许岙隧洞进口段,桩号(南干)8+326.1～
8+352.52和8+529.3～8+569.12两洞段进行,隧洞呈城门洞形,断面尺寸3.5
m×3.525 m(宽×高),断面面积11.55 m2。

岩性均为晶屑玻屑熔结凝灰岩,围岩呈弱微风化,节理不发育,完整性好,硬度f=8～12。

3.2 爆破器材
试验洞段地下水不发育,掏槽及崩落孔炸药为φ32 mm、长20 cm、重150 g 的4号岩石粉状铵梯油炸药;雷管为1～10段非电毫秒塑料导爆管雷管。

3.3 试验洞段开挖面积
(南干)8+326.10～352.52洞段采用全断面开挖,开挖断面面积为11.55
m2;(南干)8+529.30～569.12洞段采用顶拱预留光爆层法。

拱部预留80 cm厚光爆层,下部主爆区先行于拱部光爆层15～20 m,光爆层紧随其后,并且始终保持这一距离。

这样该洞段实际开挖高度只有2.725 m,实际试验开挖面积仅为8.85 m2。

3.4 炮孔布置
钻孔采用YT28型气腿式手风钻,钻孔直径φ43 mm,孔深3.2～3.3 m,平均孔深3.25 m,炮孔布置见图1。

3.5 掌子面型式
采用目前最为先进的水平V形掌子面。

图2为通过掏槽中心的掌子面水平剖面图。

掌子面要素［1］确定如下:
(1)设计开挖洞径:B=3.5 m;
(2)设计钻孔深度:取L=3.25 m≥0.5～0.85B;
(3)掌子面内斜角:由于围岩硬度较高、节理不发育,钻孔相对洞径较深,取α=45°;
=(B/2)tgα=1.75 m。

(4)掌子面内斜深度:L
1
3.6 掏槽方式
由于设计钻孔深度较深,达洞宽的92.9%,而对洞径只有3.5 m的隧洞,采用楔形掏槽,受工作面限制最大钻孔深度也只有2.3 m。

因此,只能选用直孔掏槽。

试验中选择了图3所示的六空孔平行直孔掏槽,中心掏槽孔和六空孔钻孔深度取l=3.40 m,非电毫秒雷管引爆。

3.7 装药量计算
根据文献［2］表7-6依围岩硬度f值的大小,按炮孔装药系数计算,试验段岩石f=8～12。

(1)掏槽孔单孔药量:中心装药孔按炮孔装药系数η=0.9计算;内、中、外圈扩槽孔按炮孔装药系数η=0.8计算;
(2)崩落孔药量:按炮孔装药系数η=0.7～0.75计算;
(3)单孔药量计算:Q=η×l×r;
式中Q为单孔药量(kg);l为孔深(m);η为炮孔装药系数;r为每m长度炸药量(kg/m)。

3.8 装药、封孔
在钻孔工序完毕后,须先对各炮孔吹风,将孔内水、石渣吹干净,再按设计要求装药。

掏槽孔和崩落孔封堵前,应将孔内炸药用炮棍轻捣,使炸药尽量与炮孔偶合,以增加爆炸威力,提高掏槽孔和崩落孔的钻孔利用率。

炮孔封堵采用土卷封堵50～60 cm,封堵应尽量用炮棍捣实。

3.9 起爆方法和顺序
孔内采用1～10段非电毫秒雷管,将孔外导爆管分成2组,用1段非电毫秒雷管联炮,火雷管引爆。

各炮孔段位及起爆顺序见图1。

4 试验成果
经过多次试验,其试验成果见表1。

5 试验成果分析
5.1 理论基础
(1)岩体夹制作用的克服。

要提高爆破单循环进尺,首先要提高钻孔深度,而随着钻孔深度的增加,岩体的爆破夹制作用也会更大。

但采用水平V形掌子面,使掌子面由原来1个平齐自由面变成2个相对倾斜的自由面,自由面的面积随之增大;前排炮孔为后排炮孔创造的临空面也比平齐掌子面增大很多,并且前排炮孔创造的临空面深度都大大超过后排钻孔孔底,从而使爆破夹制作用减少到最小［1］。

(2)掏槽爆破效果的保证。

掏槽爆破效果的好坏,直接影响到单循环进尺。

因此,选择最优的掏槽方式是试验成功的关键。

试验中所采用的六空孔平行直孔掏槽,由图3可以看出,其中心装药孔与周围六个空孔的中心距离只有7.0 cm左右,中心孔与空孔间的岩石只有2.0～4.0 cm厚,而各空孔之间也只有2.0～4.0 cm,以中心孔0.9的装药系数,有绝对的把握将其与空孔间岩石100%的粉碎,且空孔利用率达100%;内圈扩槽孔抵抗线只有15～18 cm,以0.8的装药系数,绝对能将其100%粉碎,钻孔利用率100%;中、外圈扩槽孔抵抗线也分别只有20～23 cm和40～43cm,以0.8的装药系数,同样能将其抵抗岩石绝对粉碎,钻孔利用率不低于100%。

因此,首先保证了掏槽钻孔利用率不低于100%,这就为试验成功奠定了基础。

于是就出现了图2所示掏槽后产生的临空面。

5.2 试验数据分析
由表1可以得出:
(1)在钻孔深度等其它条件相同时,随着开挖断面面积的减少,单循环进尺并没有减少,钻孔利用率也并未降低。

故用六空孔平行直孔掏槽和水平V形掌子面进行隧洞开挖,其单循环进尺并不受断面大小影响。

事实上,影响单循环进尺的主要因素应为水平V形掌子面的内斜角大小和掏槽的爆破效果;
(2)在开挖面积相同,其它条件不变的情况下,随着钻孔深度的增加,须适当增大水平V形掌子面的内斜角度,以减小岩体本身对爆破的夹制作用;
(3)在开挖面积等条件相同的情况下,增大钻孔深度的同时,适当增大水平V 形掌子面的内斜深度,岩石炸药单耗不会有所增加,钻孔利用率也不会有所降低。

6 试验成果应用情况
尽管这一试验是很成功的,但由于许岙隧洞进口现有出渣、装渣设备较差,且数量少,不能满足将大量石渣迅速运出洞外的要求,加之现场施工队伍自身人员组织的问题,未能将这一技术成果全部实施。

我们根据现有设备及人员组织情况,经过认真分析后,认为钻孔深度2.7～2.8m是比较合理的。

钻孔深3.2～3.3 m,渣量大,出渣时间太长,出渣人员难以承受,循环时间也相对较长,不利于提高施工进度,表2对上述2种钻孔深度开挖单循环作业时间进行了对比,不难计算出:孔深2.7～2.8 m时,平均每m进尺需循环时间283 min,孔深3.2～3.3 m时每m 进尺需循环时间304 min左右,显然,选用孔深3.2～3.3 m对加快施工进度是不利的。

通过以上对比,在施工中我们选择了钻孔深度2.7～2.8 m。

在1999年7、8两月共105个循环,总进尺285 m,其间停电累计39 h,机械设备故障等造成停工36 h。

正常施工期间,平均日进尺5 m以上,从1999年6月至2000年3月,总平均单循环进尺2.7 m以上,钻孔利用率在99%以上。

许岙隧洞单循环2.7 m这一进尺,在赵山渡引水工程整个渠系十几条隧洞中,一直是领先的,其它隧洞单循环进尺多为1.8～2.2 m,钻孔利用率也只有90%左右。

就相近断面尺寸而言,单循环进尺2.7 m,从现有文献资料中也是不多见的。

可见,六空孔平行直孔掏槽与水平V形掌子面的联合应用,对提高小断面隧洞单循环进尺是行之有效的。

7 讨论
本次试验取得了良好的爆破效果,这是与六空孔平行直孔掏槽的作用密切相关的。

该掏槽方式与其它方式相比,对提高掏槽孔钻孔利用率具有明显的优越性。

实践证明,它能将掏槽孔的钻孔利用率提高到100%,为提高隧洞开挖钻孔利用率及单循环进尺奠定了坚实的基础。

但由于该种掏槽要求钻孔精度相当高,六空孔及其与中心装药孔之间仅隔有2.0～4.0 cm薄岩体,并且要求各孔之间保持相当的平行,不得打穿亦不得外插。

因此掏槽孔的钻孔须由有相当经验、水平的钻工进行。

在以后的工程实践中还应对该种掏槽,在扩大钻孔孔径、加大掏槽孔深、提高钻孔精度,并使之成为机械化方面作进一步探索,以利于进一步提高隧洞开挖单循环进尺。

8 结论
根据爆破试验及其成果的分析研究和实际应用情况,可以得出以下结论:
(1)水平V形掌子面的采用是提高小断面隧洞开挖钻孔利用率和单循环进尺的重要因素之一;
(2)六空孔平行直孔掏槽的应用成功是提高小断面隧洞开挖单循环进尺的先决条件;
(3)六空孔平行直孔掏槽和水平V形掌子面的联合应用是提高小断面隧洞开挖单循环进尺的行之有效的方法;
(4)单循环进尺的深度应根据各施工队伍自身机械设备及人员情况并结合经济效益分析后,最终确定。

参考文献:
［1］杨玉银.水平V形掌子面在赵山渡引水工程隧洞开挖中的应用［J］工程爆破,2000,(1):66～69
［2］孙学忠,等.爆破工程［M］北京:冶金工业出版社,1992
［3］水利电力部水利水电建设总局 水利水电工程施工组织设计手册［M］北京:水利电力出版社,1990.。