王 瑋，懷平生，降世良

(1.連云港明達工程爆破有限公司，連云港 222021；2.中鐵十二局集團國際工程有限公司，北京 100176)

1 工程概況

阿聯(lián)酋阿提哈德鐵路二期D標段包含9條隧道，全長6936 m，設計為單線隧道。其中T1、T2隧道位于拉斯海馬酋長國，剩余7條隧道則集中在富吉拉酋長國境內。圍巖由輝長巖、方輝橄欖巖、石英巖等一種或多種混合組成，地質情況復雜，巖石單軸抗壓強度為20～180 MPa不等，圍巖支護等級為S1～S6級。

隧道由法國SYSTRA公司設計，美國Jacobs公司監(jiān)理咨詢，執(zhí)行英國標準，采用新奧法施工。其典型斷面為14.7 m(寬)×10.3 m(高)，面積128.3 m2。對于S4級及以上的圍巖，可使用鉆爆法開挖洞身。

2 爆破方案分析

2.1 爆破施工條件

按施工方法要求，開挖工作實施前由施工方和監(jiān)理方地質工程師對隧道斷面做地質素描，根據評級確定支護類型與下一循環(huán)開挖長度。爆破后的支護需立即跟進，嚴禁在未完成支護時開挖下一循環(huán)。根據施工規(guī)劃，鉆爆及錨桿安裝施工應在9 h內完成，否則會擠占其他工序時間，影響后一循環(huán)爆破的實施。

自炸藥到場至爆后解除警戒的所有爆破工序均在警方的現(xiàn)場監(jiān)督下實施，包括清場、裝藥填塞、起爆、測振、銷毀剩余器材等。且每循環(huán)僅有一次爆破機會，不允許二次爆破處理欠挖。爆破器材用量及爆破時間需提前三個工作日上報給警方審批，一旦爆破申請獲得通過，警方不允許爆破時間、雷管段別、炸藥用量等現(xiàn)場施工細節(jié)出現(xiàn)變化。如需要在申請通過后變更施工細節(jié)，則應取消后續(xù)爆破并等待變更申請的生效。

9條隧道中的多條附近存在被保護物，如民居、高壓線塔、燃氣管線等。這些被保護物的產權方均提出了爆破振動監(jiān)測的要求，若未及時提供監(jiān)測數據或爆破振動超標，產權方則有權對施工方采取罰款或停工處罰。

2.2 爆破方案選擇

同樣取90%炮孔利用率，孔深3 m兩天3次爆破與孔深4.5 m每天1次爆破的掘進效率是一致的。但是受多種嚴苛要求的制約，與短進尺、高頻次的爆破方案相比，大進尺、低頻次的爆破方案更能適應項目的現(xiàn)實條件。

若想實現(xiàn)4.5 m的理論循環(huán)進尺，則需要使掏槽孔達到4.7 m的垂直進深。對于楔形掏槽方案，常規(guī)單排掏槽的掏槽角度一般不大于60°，此時掏槽孔的孔深為5.4 m，超出了鉆桿長度。另一方面，楔形掏槽孔為爆破振動峰值出現(xiàn)部位[1,2]，過深的炮孔將導致掏槽孔裝藥增多，不利于控制爆破振動；復式掏槽雖可以解決掏槽角度限制問題，但需要鉆鑿多排掏槽孔[3]，還需考慮到不同排掏槽孔之間的延期時間選擇及后響炮孔內炸藥的沖擊波減敏現(xiàn)象[4]，這將使整個鉆爆施工復雜化且炮孔利用率不高[5]。

空孔直線掏槽則提供了另一種選擇，相較楔形掏槽其循環(huán)進尺僅與鉆桿長度和空孔所創(chuàng)造的補償空間有關[6]。優(yōu)點為爆后巖石塊度均勻，爆堆集中利于鏟裝，方案優(yōu)化完成后炮孔位置和孔內起爆雷管段別可持續(xù)沿用不受進尺影響，單段最大藥量容易控制等。缺點為鉆孔設備昂貴、對鉆孔精度要求較高、對鉆孔設備操作人員的素質要求較高等。

3 工程數學模型

爆破參數通常是與爆破器材品種、地質條件、斷面大小、鉆頭直徑等因素相關的，業(yè)內缺乏公認的爆破參數計算方法。因施工中地質條件多變，通過有限元等方法從微觀上模擬非均質巖石較為困難，且有限元軟件也難以在施工一線應用普及。因此主要通過宏觀統(tǒng)計建立的經驗數學模型來計算爆破參數。

3.1 炮孔數量

工作面上的炮孔數量可用式(1)、(2)估算[7]

(1)

f=F/107

(2)

式中：N為炮孔總數；f為巖石堅固性系數；F為巖石單軸抗壓強度，MPa；S為隧道爆破斷面面積，m2。

3.2 炸藥單耗

影響炸藥單耗的主要因素有炸藥的品種、巖石性質、自由面的數量等?？砂碢okrovsky提出的經驗公式計算[8]

q=q1ef1kcons

(3)

式中：q為修正爆破單耗，kg/m3；q1為未修正爆破單耗，取0.1倍的巖石堅固性系數；e為炸藥換算系數，為TNT爆熱與所用炸藥爆熱的比值；f1為巖石結構系數，致密巖石取0.8，脆性巖石取1.1，板巖和含細碎裂隙巖石取1.3，粘性和多孔巖石系數取2.0；kcons為自由面系數，只有一個自由面時按下式確定

(4)

式中：S為自由面面積，m2。

3.3 底板孔參數

底板孔在起爆順序中靠后，延期時間較長。爆破時有大量巖石覆蓋，因此巖石移動的阻力較大，孔距SL和排距BL的計算方法與其它炮孔不同?？砂聪率接嬎鉡9]

(5)

式中：qe為線裝藥密度，kg/m；PRPANFO為相對做功能力，為所用炸藥爆熱與ANFO爆熱的比值；f2為系數，一般取1.45；SL/BL為底板孔炮孔密集系數，一般為1～2。

3.4 周邊孔和崩落孔參數

周邊孔因線裝藥密度較低，不耦合系數大，孔距SP按兩倍的壓縮破壞半徑Rsh確定。崩落孔則為應力波和高壓氣體聯(lián)合作用破碎巖石，其孔距SS及排距BS等于破裂破壞半徑Rfr。

壓縮區(qū)和破裂區(qū)半徑可使用Andrievskij提出的經驗公式[8]

(6)

式中：Rsh為壓縮區(qū)半徑，m；d為炮孔直徑，m；ρ為炸藥密度，kg/m3；D為炸藥爆速，m/s。

(7)

式中：Rfr為裂隙區(qū)半徑，m；dsh為壓縮區(qū)直徑，m；r為炮孔半徑，m；τc為巖石抗剪強度，一般為抗壓強度的0.1～0.4。

3.5 掏槽孔參數

根據爆破施工目的和使用的機具，常見的空孔直線掏槽空孔數量為1～4個，5空孔和6空孔的布置方法較為少見[10-13]，為確定空孔直徑與空孔數量可按下式計算[14]

(8)

(9)

a=1.5De

(10)

式中：de為空孔直徑，mm；L為理論循環(huán)進尺，m；N1為空孔數量；De為與多個空孔起到相同作用的單個空孔等效直徑，mm；a為中心裝藥孔至空孔距離，mm。

4 實例分析

本項目鉆孔設備為鐵建重工ZYS113型三臂鑿巖臺車，鉆孔直徑φ45～140 mm，可滿足炮孔、地質探孔、大直徑空孔等鉆鑿要求。爆破所使用炸藥為奧瑞凱Senatel Magnafrac乳化炸藥，周邊孔及與周邊孔相鄰崩落孔所用藥卷規(guī)格為φ32 mm×550 mm×0.5 kg，其余炮孔所用藥卷規(guī)格為φ40 mm×360 mm×0.5kg，炸藥密度1.15 g/cm3，爆速5000 m/s，爆熱2800 kJ/kg?？變绕鸨坠転閵W瑞凱Exel LP高精度抗拉導爆管雷管，雷管段別及延期時間見表1。

表 1 雷管段別表

孔外連接雷管為奧瑞凱生產的Exel HTD導爆管傳爆雷管，延期時間有0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四種可選。導爆索規(guī)格為40 g/m，作為光面爆破裝藥使用。

4.1 空孔直線掏槽掏槽爆破

4.1.1 4空孔直線掏槽

T7隧道圍巖為輝長巖，隧道總長1090 m，取樣測試巖石抗壓強度為97～142 MPa，圍巖等級大部分為S2～S3級。根據使用目的不同現(xiàn)場配備了45 mm、64 mm、102 mm三種尺寸的鉆頭，由進尺4.5 m以及公式(8)和(9)可求得空孔直徑為102 mm時，需使用4個空孔方能滿足循環(huán)進尺4.5 m的需求，此時掏槽區(qū)域孔位布置見圖1，爆破參數計算結果見表2。

表 2 爆破參數計算表

圖 1 4空孔直線掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 1 Layout of burn cut with 4 empty holes section(unit:mm)

結合施工經驗對計算得到的爆破參數微調后，形成炮孔布置圖2與爆破參數表3。其中炮孔201個，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。每循環(huán)鉆孔總延米906.3 m，合計裝藥量600 kg，單耗1.04 kg/m3。使用0 ms、9 ms、17 ms、25 ms四種孔外連接雷管將隧道斷面劃分為田字網格區(qū)域，除周邊孔外最大同段炮孔數量為6個，最大單段藥量27 kg。

爆后爆堆集中，巖石塊度均勻，最大粒徑在0.9 m以下。經213次爆破后綜合統(tǒng)計，共掘進914.8 m，平均每炮進尺4.3 m?，F(xiàn)場操作中曾因圍巖變弱而將循環(huán)進尺降低至3.5～4 m，除減少孔深和總裝藥量以外，剩余其它參數仍保持原方案不變，因此實際炮孔利用率高于95.6%。

圖 2 全斷面炮孔布置圖(單位：mm)Fig. 2 Holes layout of full section(unit:mm)

表 3 爆破參數表

4.1.2 6空孔直線掏槽

T10隧道圍巖為輝長巖，隧道總長966 m，取樣測試巖石抗壓強度為79～107 MPa，圍巖等級大部分為S2～S3級。使用公式(8)和(9)可求得空孔直徑為64 mm時，布置6個空孔理論循環(huán)進尺為4 m，此時掏槽區(qū)域孔位布置見圖3。

圖 3 6空孔直線掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 3 Layout of burn cut with 6 empty holes section(unit:mm)

結合施工經驗對計算得到得爆破參數微調后，炮孔186個，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.2 m×1.2 m、底板孔孔排距1.0 m×0.6 m。鉆孔總延米746.2 m，合計裝藥量500 kg，單耗0.97 kg/m3。使用9 ms孔外連接雷管以串并聯(lián)連接起爆網絡，除周邊孔外最大同段炮孔數量降低至3個，最大單段藥量12 kg。

爆后爆堆集中，巖石塊度均勻，最大粒徑在0.8 m以下。經3次爆破后綜合統(tǒng)計，共掘進11.4 m，平均每炮進尺3.8 m，炮孔利用率95.0%。

4.2 楔形掏槽爆破

T7隧道施工初期采用楔形掏槽全斷面爆破方式，設計開挖進尺4 m。其中炮孔200個，周邊孔孔排距0.5 m×0.55 m、崩落孔孔排距1.1 m×1 m、底板孔孔排距0.9 m×0.6 m。鉆孔總延米816.8 m，合計裝藥量575kg，單耗1.12 kg/m3。掏槽孔布置如圖4所示。使用孔內延期起爆網絡，除周邊孔外最大同段炮孔數量為16個，最大單段藥量為80 kg，最大單段裝藥產生部位為第一排掏槽孔。若在楔形掏槽隧道爆破中使用孔內外雙延期方案控制爆破振動，則會將掏槽孔分割為不同段別，破壞了左右兩側掏槽孔的聯(lián)合拋擲作用，不利于將掏槽中心多達51 m3的巖石拋出。

爆后部分巖石被拋擲到70～100 m，且最大巖石粒徑達到了1.8 m。對掌子面巖石噴漆始終表明，大塊巖石為掏槽中心部位產生。經11次爆破后綜合統(tǒng)計，共掘進40.3 m，平均進尺3.7 m，炮孔利用率92.5%。

圖 4 楔形掏槽布置圖(單位：mm)Fig. 4 Layout of wedge cut(unit:mm)

4.3 對比分析

空孔直線掏槽爆破進尺較楔形掏槽爆破提高了0.6 m/循環(huán)，按T7隧道80%長度采用空孔直線掏槽爆破計算，則減少爆破35次，可提前一個月完成隧道開挖任務。同時也可以節(jié)約炸藥、雷管、鉆孔數量，經濟效益顯著。由于鉆桿長度為5 m，現(xiàn)案仍未達到進尺極限，存在0.4 m左右的進尺提升空間，因此可以預計空孔直線掏槽爆破進尺較傳統(tǒng)楔形掏槽爆破的掘進效率最大可增加25%。

在獲得同樣循環(huán)進尺的情況下，空孔直線掏槽爆破方案較楔形掏槽單段最大藥量可降低85%。對41～110 m處的燃氣管線進行了28次爆破振動監(jiān)測，獲得的最大爆破振動速度為2.86 cm/s，低于燃氣公司提出的5 cm/s控制指標，表明空孔直線掏槽結合孔內外雙延期起爆網絡在不縮短循環(huán)進尺的情況下可有效的降低爆破振動。

5 結論

(1)空孔直線掏槽爆破炮孔均勻分布在隧道斷面上，掏槽區(qū)域炮孔被劃分成5個延期段別，爆破后巖石塊度小、爆堆集中。

(2)空孔直線掏槽爆破可通過孔內外雙延期方案降低最大單段藥量，減小爆破振動。在周邊存在被保護物時，相較楔形掏槽爆破可獲得更大的循環(huán)進尺。

(3)空孔直線掏槽爆破的大進尺爆破方案對小進尺向下兼容，減小開挖進尺時只需要減少孔深和裝藥量，其余參數保持不變。

(4)空孔直線掏槽爆破所設置的大直徑空孔可根據現(xiàn)場硬件情況靈活調整，通過空孔直徑、空孔數量與循環(huán)進尺的匹配，建立動態(tài)的替代方案。