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1、复杂条件下隧道揭煤前段爆破施工工艺摘 要：桃子垭隧道是目前我国已知地质条件最复杂的公路隧道，工区前方即将 穿越第1 层煤，且穿煤隧道最大有900 m 的埋深，开挖前进行高地应力、高瓦 斯压力、围岩等情况勘察，并制定上下台阶爆破设计方案，通过现场试验和计算 分析确定二号乳化炸药进行爆破，确定光面爆破参数的排距、角度、深度、装药 量等，施工监测得最大爆破振速、拱顶沉降值、水平收敛值均在规范允许变化范 围内，为类似工程提供技术施工参考。关键词：穿煤隧道；高地应力；高瓦斯；光面爆破；施工监测 随着工程建设在西南部的发展，隧道施工中不免遇到穿越煤层，高地压等的 复杂地形条件，因此在穿越煤层前的专项施工方
2、案如何制定，成了一项重要课题。 李书兵、费鸿禄等研究了软弱围岩隧道机械化在软弱围岩下全断面爆破方案 ，1-2 并检测爆破振动对地面的研究；施有志、罗志翔等对交叉隧道和大断面隧道进行 了分部开挖的光面爆破技术进行了分析研究，提出了合理的爆破控制参数 ；邓3-4 祥辉、张建刚等对变断面的喇叭口、曲线段等施工方案进行了研究，制定了钻爆 方案 。以桃子垭隧道爆破施工技术为例，对揭煤前段的高地应力，瓦斯压力和5-6突出风险的围岩进行专项施工设计，并确定爆破参数的排距、角度、深度、装药 量的光面爆破，通过现场监测，使得最大爆破振速、拱顶沉降值、水平收敛值均 在规范允许变化范围内，为后期复杂条件下隧道施工提
3、供一套完整的设计参考。1 工程概况正习高速公路新建桃子垭隧道位于遵义市桐梓县境内，隧道最大埋深约978m,有较高的应力与高地温。隧道纵坡为人字坡，纵坡坡度为1.95%，左右幅隧道平面线进口及洞身段均位于直线上。隧道在ZK57+326( YK57+343)处穿过1处断层破碎带（楠木园断层），断层影响带宽度100 150 m,破碎带岩体节理裂隙发育，区段的岩性比较复杂复杂，该地区降雨丰富，存在突水，塌方，在5 000 m 的距离内共要穿越5 层煤，每层煤都存在煤与瓦斯突出的风险，施工 难度大，是目前已知在建的高地应力，高瓦斯压力，高地温，有突出风险的最复 杂地质隧道。2 实际探测情况2.1 探孔布
4、置在揭煤段前 50 m 左右，停止施工，进行工况实际探测，左幅已施工至 ZK58+593 处，按照设计及规范要求在该位置施工超前钻探孔4 个，施工4 个 地质勘探钻孔，钻孔布置图如图1。沿隧道掘进方向1个钻孔（探1 号孔），沿 隧道掘进方向垂直煤层布置1 个钻孔（探2 号孔），沿隧道掘进方向偏左（探 3号孔）、偏右（探4号孔）各1个钻孔。探1、探2号孔穿透C5煤层并 进入顶板10 m。距离煤层法向距离20 m时，施工4个地质勘探钻孔进行探 测，1 个钻孔偏左上方，1 个钻孔偏左下方，1 个钻孔偏右上方，1 个钻孔偏右 下方。控制隧道轮廓线外10-20 m范围，探测钻孔穿过C1煤层10 m。图1
5、 钻孔布置图2.2 探测结果钻探结果显示：距离掘进工作面法向距离20 m 处，出现一厚度约2 m 的 煤层，该煤层在地质钻探时具有喷孔、顶钻等动力现象，探孔内最大瓦斯浓度 100%，瓦斯压力在0. 51.02 MPa。该煤层与隧道轴向水平夹角47 ，煤层与 隧道轴向竖夹角43 ，煤层真倾角52。对该隧道:K1、ZK2钻孔测试了声波， 根据岩样测试及钻孔波速结果，测区岩体声波分析见表1。表1 声波测试岩体分析结果表樹L血圧nd顼口；笛注平均液連Mhts）完整系數扎粉砂质昇体I 2200.20破碎ZK1Sfi渥岩岩样2 674白玄质3 9680.50灰岩岩样5 Sfifi白云岩岩体2 736ZK2
6、T.m-0.42岩样4 243碎-泥质岩体2 1320.39白云岩昇样3 409为了获取隧道施工当前地段埋深附近的地应力情况，采用水压致裂法获取地 应力，在测点区域得出隧道洞身部位的最大水平主应力值范围为14.3421.41 MPa ,最小水平主应力范围为7.97 14.49 MPa ,垂直主应力范围为13.92 16.17 MPa。利用钻孔获得水平最大主应力数据计算得到650 m左右的侧压系 数最高为1.32，平均值为1.12，说明水平主应力作用明显，设计及施工应予以 足够重视。2.3 揭煤前提条件在实施钻爆施工前，应严格遵守2 个“四位一体”的综合治理方法 ，只有7隧道内残余瓦斯压力小于
7、0.74 MPa 或残余瓦斯含量小于 8 m/t 的指标临界3值，并经防突考察（钻屑量S,钻屑瓦斯解析指标K ），钻屑瓦斯解析指标K1 1maxv 0.50 mL/gmin，若煤样为湿煤，则得的K 0.40 mL/gmin，钻屑量S1/21max1/2max 6 kg/m，只有在测量指标达到要求，安全措施准备齐全有效的前提下方可进 行施工作业 。8岩爆破设计3.1 爆破施工工艺流程爆破施工工艺流程如图2。揭煤段同样为高地应力段，根据掘进工作面及已 附近已施工段落围岩情况来看，该处高地应力表象应为岩爆（不存在软岩大变形 现象），但因岩体的裂隙较发育，不同位置岩性变化较多，围岩自稳能力较好， 岩体
8、的物理性质普遍较硬，但岩爆现象不突出，所以本方案中揭煤段采用上、下 台阶法施工，一方面能够保证结构稳定，一方面有利于隧道掘进的掘进工作面通 风安全及瓦斯排放。爆破施工过程中，不论探测情况如何，必须在进入揭煤段施 工前到揭煤施工结束后5 m 范围内采用洞外放炮作业。族样布眼|底k开號|*| 加淸孔|彳联结拭爆刚塔爆陂做果険件陆炮处理 通厲 寸泗水降尘* 起爆图2 爆破施工工艺流程图3.2 爆破参数选取3.2.1 炸药选取隧道施工段围岩为灰质岩，查阅文献9得灰质岩的密度为2 g/cm，皮速在2 800 m/s，计算可得岩石波阻抗为5 600。岩石动应力为：(T,=pcv-5 600 v( I)式中
9、：。为岩石的动应力，Pa;p为岩石密度，g/cm ;c为纵波传播速度， b3m/s ; v为质点速度，m/s。爆破设计中炸药的匹配性上需要与岩石的波阻抗相当，该岩石的波阻抗与炸 药较好的匹配系数为0.81.7之间，即为4 480-9 520 ,炸药密度1.05- 1.25 g/m3，炸药爆速为4 267-7 616 m/s，所以爆破施工区段应该选用爆速3 200-500 m/s 的二号岩石乳化炸药可以很好地满足设计要求。为了减少对前 方煤层的振动影响，所以尽可能地减少震动对前方的扰动，设计上下台阶的爆破 方案，使用二号乳化炸药可控制爆破飞石，地震波动等。在爆破开挖前先对所选 参数进行试验试爆并
10、通过测试数据分析得到爆破振动衰减系数K=110 -150, a = 1.8,以掏槽f为例，最大单段爆破药量为2.9 kg，按距离70 cm,进行计算式中：v为介质质点的震动速度，cm/s ; R为测点至爆心的距离，m;K、a为与爆破条件、岩石特征有关的系数；Q为最大段炸药量，kg。计算得出的数值小于安全标准(2 m/s )控制的范围内。初步设计的在每10种岩性围压等级中光面爆破设计参数见表2。表2 光面爆破参数咆舸单轴周边眼周边眼彊相对周边眼装岩衍装妁不偶抗压极限间跖小抵抗线距离药集中度种类合系数强度商Pah7cmIt7rmEfW/( kg. n-1)1.2S-1.M550佃850.8-i.O
11、U.30-035中硬崙30-601.52.0045-600-750.8- J .00.2(1-0.30软岩W302.00-2,5030-500,07-0.153.2.2 炮眼布置对于掏槽眼的设计为2对垂直的锲形掏槽，掏槽眼深度2.8 m，掏槽眼角度a=75上下2对炮眼间的距离L =70 cm ,两炮眼间的水平间距L =80 cm ,ab不同等级的围岩在进行掏槽时的初步设计参数见表3。表3 垂直楔形掏槽爆破参数表别a/()斜度比tinAiAtII炮眼数址IV级及以|-708070-S0304nm75-80：0.27- U).60-7()3U4-6ii筑70-7127-1=0,2750-60255
12、1级；35-701：0.47-13730-502U6周边眼的设计要求必须满足形成光面裂隙的成型，在孔间距和最小抵抗线的 选取上，根据不同的岩性初步设计周边眼间距E在30-50 cm,最小抵抗线W 在40-80 cm ,在现场施工过程中为了避免排距之间优先在周边眼之间形成裂 缝，所以在设计中应使周边孔之间的距离小于最小抵抗线距离。在断面k58+210 处设计取E/W=0.8，避免了孔距过大不能形成裂缝，孑L距过小，工作量增大， 施工成本增加的弊端，E的值选用50 cm。在光面爆破层的设计中，层间距的大小即为周边眼的最小抵抗线W，在工 程实际中一般密集系数K二E/W=O.50.8，本设计取W=70
13、 cm。在辅助眼的间距设计时，类似于周边眼间距的设计要求。一般施工工况下， 辅助眼艰间距根据岩性的不同，软岩取值在100-120 cm，中硬岩约为80 -100 cm，坚硬岩在60 80 cm之间，特硬岩50 60 cm不等；为达到高11效率最小抵抗线W取值在（0.60.8 ） E之间。辅助眼在装药时宜采用孔底的 连续装药，减少成本的同时可达到超深的要求，在起爆方式上，可采用由孔底到 孔口起爆的方法，分层逐步由内到外起爆进行隧道断面开挖。桃子垭隧道的该断 面属于V级围岩，主要为灰岩，灰砂岩等，属于软岩，由于岩性的特征设计辅助 眼间距E取值为100 cm，相应的最小抵抗线取80 cm。3.2.3
14、 装药结构 为了节约成本、提高爆破效率，减少爆破振动对煤层段的影响，采用不耦合系数为1.52.0的装药结构，每个炮孔内的装药量可通过爆破漏斗试验计算出 二号乳化炸药的爆破漏斗最小抵抗线W，然后根据炮眼得距离和最小抵抗线的 大小按照Q=KW等，分别计算每个炮孔的装药量。光面爆破的周边眼采用空气2间隔装药（图3），其他炮眼采用连续装药。21-律爆？h戈-泡池 4炮眼怡R-祈乐予-约卷图3 装药结构图3.2.4 方案设计设计为上下台阶开挖方式上台阶的掘进深度为0.8 m炮眼的角度为90,周边眼水平投影长度L =0.80/n=0.8/0.9=0.89 m,取0.9 m（L为循环进尺，11n为炮眼残留率，取90%）。周边眼水平投影取值0.9 m,所以，在水平投影方向上辅助眼等于底板眼的大小m。在掏槽眼设计上一般会计划20 cm的超深长度，所以，掏槽眼水平投影L为1.1 m。在炮眼的实际开挖过程中，周边眼的3眼口应当与轮廓线有5 cm距离，在炮孔底部的超深要有10 cm，所以得周边眼的深度L =0.9 m，辅助眼的深度L=0.9 m，掏槽眼的深度L = 1.13 m，底板zft眼的深度L =0.9 m。下台阶的设计深度与上台阶的及计算方法类似，掘进深度d计划为1.6 m周边眼在水平投影方向的长度L =1.6/n = 1.7
