青山岭隧道光面爆破设计优化应用研究.pdf

青山岭隧道光面爆破设计优化应用研究冯万才(中铁二十局集团市政工程有限公司甘肃 兰州)收稿日期:作者简介:冯万才()男土族青海互助人本科助理工程师主要从事隧道工程相关工作摘 要:隧道开挖时爆破振动对围岩的扰动有可能危害围岩的整体稳定性应力波在岩层中传递可能导致软弱节理的剥落或断层爆炸当量的控制也关系着隧道开挖过程中超欠挖的影响光面爆破是目前隧道开挖主要手段合理选取光爆参数是光面爆破的关键 设计光面爆破方案采用 建立模型模拟五级围岩下采用光面爆破方法起爆后爆炸冲击波对周围岩壁产生的扰动取监测点应力、位移、震速分析对比结合爆破安全规程给出方案优化关键词:光面爆破数值模拟爆破方案设计中图分类号:文献标志码:文章编号:():/(.):.:引 言目前光面爆破技术已经十分成熟主要运用在边坡、隧道开挖、矿场开采等方面 光面爆破技术解决了开采及开挖过程中的超欠挖问题爆破后形成的完成轮廓线为接下来步骤施工提供便利 光面爆破减少的炸药量对岩体的整体稳定性更好减少爆破带来的振动对周围复杂环境友好 光面爆破施工既减少了超欠挖现象又在普通爆破的基础上减少爆破振动及药量对围岩定性及资源消耗友好 由于光面爆破能有效减少超欠挖现象减少了隧道开挖工作量爆破产生的裂缝及碎石相较于普通爆破更少由于对围岩的扰动减少很大程度上减少了支护的工作 根据隧道施工的需要和工程地质条件结合施工现场实际情况光面爆破有效加快了施工的进度 工程概况青山岭隧道全长 主段围岩强度级施工方法采用台阶法预计爆破开挖工程量 万 进出口段地表覆盖第四系崩坡积层隧道中部地表坡度较陡相对高差较大大量基岩裸露 目标采用光面爆破根据实际工程地质资料选择合适的光爆参数通过有限元软件验证爆破效果完善青山岭隧道光面爆破方案 光面爆破设计 工艺流程工艺流程见图 图 开挖流程示意图 光面爆破参数设计)光面爆破设计 光面波普参数选取于围岩等级相关其次是炸药种类、断面尺寸、装药结构与起爆方法 围岩等级级爆破断面面积为 用 号岩石乳化炸药爆破周边孔采非耦合空气间隔装药用电子雷管和导爆索延时起爆周边孔装药时尽量采用空气不耦合或者水包不耦合装药排列时均匀分布不可集中在炮眼底部或炮眼口部影响爆破效果 在光面爆破中根据豪柔公式装药量、爆破系数、周边孔间距、炮眼长度这些时影响光面爆破效果的关键炮眼深度的影响对爆破效果十分显著 炮眼深浅同时受隧道开挖轮廓影响钻孔过深周边岩石的夹制作用较大故炮眼深度不宜过大钻孔过浅爆破不充分岩石不剥落同时考虑到岩石的硬度一般钻孔倾角不易过大 钻孔采用 钻头钻头直径为 炮眼孔径为 为克服及减少岩石的夹制作用采用先后起爆的顺序先爆套槽孔再爆周边孔起爆时间上形成前后差增加自由面数量达到光面爆破的效果)光面爆破不耦合系数()及装药直径()填药不耦合系数是指炮孔直径比上药卷直径合理设计的不耦合系数能使炸药在爆破腔体内充分爆炸压缩空气再膨胀产生完整的裂缝有利于光面爆破 围岩等级不高、软弱围岩不偶合系数在 时缓冲作用最佳光爆效果最好 /()式中:为不耦合系数 为炮眼直径 为装药直径现场爆破用 号乳化炸药光爆孔采用 号岩石乳化炸药不耦合系数取 炸药纵向排列间隔装药炮口用炮泥堵塞)周边眼间距()、最小抵抗线()和相对距系数()最小抵抗线即光爆层厚度光爆层厚度是光面爆破的重要参数 厚度过厚反射拉伸波不能很好地与压缩波重叠形成的爆破裂缝不完整爆破效果不好容易欠挖厚度过薄爆炸冲击作用在炮孔上方安全区内造成超挖影响隧道结构安全 该地形岩质主要为软岩故确定最小抵抗线()为 相对距系数是光爆孔间距()与最小抵抗线()的比值是影响爆破效果的重要因素 /()式中:为光爆孔间距 为最小抵抗线 值总是小于 当 时 考虑岩层内部节理发育并参照规范光爆孔间距取值范围 对周边孔间距取 最小抵抗线值取 /图 为不间隔填药示意图图 为填药间隔图 不间隔填药示意图图 填药间隔)装药量计算 装药量集中体现在周边孔的填药密度即以/表示根据经验公式及相同工况选取合适填药量 ()式中:为装药集中度/为单位体积耗药量/为光爆孔间距 为最小抵抗线经验公式及类似工程验算确定 /按照 /计算炮眼数量:/()式中:为填药炮眼数量 为单位药量(填药密度)为断面面积 为爆破系数取 为单位药卷炸药质量取 经计算 个 数值模拟模型采用 建立本案例采用三维计算模型建立以级围岩为基础的岩体结构模拟隧道开挖过程时上台阶开挖的爆破效果采用 号岩石乳化炸药炮眼深度为 简化炮眼数量等效换算为同质量的炸药模拟爆破效果 简化后的炸药量为 模型尺寸为 模拟炮孔耦合装药起爆位置为炸药中心计算时间为 模型下边界为不设置约束上、左、右边界设置无反射边界条件 单元网格采用四面体自由划分单元数量约为 个 图 为模型单元图 模型单元分析监测点数值情况观察洞体周围监控点受力情况取洞体上、左、右三侧各个方向三个监测点读取数据对比分析应力分布与距爆炸中心的距离相关洞口处各监测点应力、位移、质点加速度均小且爆炸振动峰值发生在前半段岩石受爆炸冲击波粉碎、开裂形成破碎区冲击波在传递过程中也随着传播距离的增加而递减最外侧监测点峰值、持续时间均小于洞口周围 图 为测点应力取监测点位移洞口各方向距离爆炸中心距离相同的位置爆炸冲击导致岩体周围监测点发生位移虽然距左右距离爆心距离相同但由于能量不均匀扩散与传递过程中折减消耗相同距离的监测点可能位移大小不同 与应力不同的是测点位移显示爆破带来的振动振动过大影响周围建筑物安全控制在合理范围内也是光面爆破的要求之一 图 为测点位移图 测点应力图 测点位移对比分析发现距离洞口爆炸中心较近的测点位移较大大于同方向其他监测点此时的质点振动是沿岩石传递的爆炸冲击波形成的 振动位移与震速是监测爆炸安全范围的关键数据 所以控制爆炸当量是减少爆破振动的关键光面爆破要求有严格的振动范围测得监测点震度峰值为/小于爆破振动安全规范所以次光爆方案可以实施 爆破效果)洞体周围情况分析数据可得质点振动、位移、受应力均在安全范围符合光面爆破振动要求减少的炸药量较传统爆破相比能有效地减低爆轰冲击波产生所以各质点振动较小同时能有效节约资源降低工程消耗)经过现场实践未采用光面爆破的边坡开挖过程中容易出现超欠挖形成的边坡平面不完整 这对接下来的施工步骤带来麻烦有时需要进行二次爆破增加了对边坡整体性的破坏)光面爆破能减少单孔填药量以最小破坏程度形成爆生裂纹来减小对整体岩石的振动扰动 有效减少开挖过程中炸药消耗减少后期维护提高施工进度减少工程造价节约施工成本)光面爆破炮眼残余率是验证爆破效果的方法经过参数设计的光面爆破参数及炮孔数据能很好地保留爆破现场炮孔残余率高达)光面爆破的利用提高了公路高边坡及路堑高边坡的爆破效率加快施工进度对包括经济效益、工程效益以及工程的施工建设都有较好的作用建议将光面爆破推广应用解决边坡开挖中的超欠挖问题)洞体周围情况分析数据可得质点振动、位移、受应力均在安全范围符合光面爆破振动要求减少的炸药量较传统爆破相比能有效的减低爆轰冲击波产生所以各质点振动较小同时能有效节约资源降低工程消耗:参 考 文 献:奉武贵杨志桐.光面爆破技术在高等级公路石质路堑开挖中的应用.公路():.刘军张晁.大孔距光面爆破技术在路堑边坡开挖中的应用.西部探矿工程():.罗泽贵.光面爆破在公路高边坡石质路基开挖中的应用.西部探矿工程():.喻江武郑晓平谢全敏等.蒙内铁路路堑边坡开挖光面爆破设计.中外公路():.戚乐方.公路岩质高陡边坡爆破开挖稳定性研究.路基工程():.谭显波.隧道光面爆破施工关键技术.石家庄铁路职业技术学院学报():.张庆华.光面爆破技术在矿山隧道掘进中的应用研究.中国石油和化工标准与质量():.杨水波.武夷山隧道爆破施工技术.福建建材():.(上接第 页)结 语本文通过 语言编写了强度折减法以位移突变为失稳判据输出安全系数的脚本文件并结合随机响应面法进行了边坡可靠度分析 同时探讨了样本数和阶数对随机响应面法拟合精度的影响结果表明低阶多样本试验方法拟合精度更高分析了、变异系数和相关系数对边坡可靠度的影响并和蒙特卡洛法进行了对比响应结果和蒙特卡洛法结果基本一致边坡的失效概率随着、变异系数的增大而增大、随、负相关性的增大而增大本文提出的基于位移突变的响应面法可靠度分析方法相比蒙特卡洛法在不损失计算精度的前提下大大减少了计算量同时克服了传统基于计算不收敛的计算缺陷对实际工程具有借鉴价值:参 考 文 献:李典庆周创兵陈益峰等.边坡可靠度分析的随机响应面法及程序实现.岩石力学与工程学报():朱彬裴华富杨庆.基于高斯过程回归的响应面法及边坡可靠度分析.岩土工程学报():刘金龙栾茂田赵少飞等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论.岩土力学():周罕曹平张科.基于响应面法和强度折减法的边坡可靠性计算研究.中国安全科学学报():任斌斌苏立君张崇磊等.基于 语言和 平台的边坡可靠度计算自动化算法开发.土木建筑与环境工程():苏永华赵明华蒋德松等.响应面方法在边坡稳定可靠度分析中的应用.岩石力学与工程学报():.().刘志楠.极限平衡法的边坡稳定分析研究.合肥:合肥工业大学 .():.():.