深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术.pdf

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深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术1 深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术2 深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术3 深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术4 深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术5 深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术6
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・隧道/地下工程・深埋隧道内小净距地下洞室群钻爆开挖技术李长帅陈娜(中铁十七局集团第五工程有限公司太原030032)摘要结合云山隧道3#斜井地下风机房小洞室群的开挖施工,根据《爆破安全规程》中交通隧道安全振动速度标准的要求,施工中区别洞室断面大小与毗邻净距等因素,选用合理开挖顺序及施工方法,通过爆破振动监测和爆破参数优化确保既有洞室围岩稳定,探讨地下风机房小净距洞室群开挖减震控制措施。关键词深埋隧道小净距洞室群安全振动速度爆破控制中图分类号U455.41文献标识码B———文章编号10094539(2014)07002505DrillingandBlastingExcavationTechniqueontheConstructionofUndergroundSmallSpacingCavernGroupinDeep・depthTunnelLiChangshuai,ChenNa(ChinaRailway“17BureauGroupCo.Ltd.,Taiyuan030032,China)AbstractThisarticle,basedontheexcavationofcaverngroupofNo.3undergroundinclinedshaftventilatorroominYunshantunnel,accordingtothetunneltrafficvibrationvelocitysafetystandards”inblastingsafety”regulations,aswellasthedistinctionofthecavityprofilesizeandadjacencydistanceandotherfactors,introducesthechoiceofreasonableex・cavationsequenceandconstructionmethod,insurancesofthestabilityofexistingundergroundcavernsurroundingrockthroughblastingvibrationmeasurementandparameteroptimizationandinvestigateshockabsorptionmeasuresonunder-groundsmallspacingcavemgroupventilatorroomexcavation.Keywordsdeep-depthtunnel;smallspacingcaverngroup;safetyvibrationvelocity;blastingcontrol1工程概况和榆高速云山隧道位于山西省左权县城东北5km处,横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延,为分离式隧道,全长1l408m,共设4座地下风机房,其中本合同段内有1#竖井和3#斜井2座风机房。1#竖井与3#斜井地下风机房与云山隧道正洞相连接,地下风机房洞室较多,洞室群断面形式多,埋深200~500m,各段洞室围岩为微风化围岩,围Ⅲ岩等级主要为级。和榆高速云山隧道3#斜井地下风机房,位于斜井与隧道右洞间,有联络排风道、联络送风道、地下风机房、地下变电站、检修通道、——收稿日期:20140305逃生通道、运输通道共lO条通道,各通道间最小净距为9.2m(施工平面布置见图1)。洞室相互交叉、断面变化大,爆破振动对相邻洞室稳定性影响大,开挖技术难度突出。如何避免在开挖过程中对相邻洞室围岩扰动,确保相邻洞室的施工安全成为地下风机房开挖施工的关键。下面主要针对3#斜井地下风机房的开挖施工,探讨地下风机房小净距洞室开挖施工应采取的主要技术措施。2小净距隧道爆破振动基本要求—根据《爆破安全规程》(GB67222003)的规定,—交通隧道安全允许振动速度标准为1020cm/s【lJ84,综合考虑围岩状况、断面大小、埋深等因素,确定地下铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY201417)2s万方数据・隧道/地下工程・风机房开挖的安全允许振动速度为15cm/s,在地下风机房后行洞室开挖时必须确保先行洞室的安全性,应将先行洞室周壁处质点振动速度控制在15cm/s以内。ol浏执~r‘1l|r2‘350一一)UU355。25003375—250800\联络逃生(检修)通适送风道,≮风道检修检修/众2彩缯由#风逃生通道rr妯.下峦由站|_№7-目礼屠IIIJIlII羹『奏『\{翠V心逃生(检修)l≮道图13垛}井地下风机房施工平面布置(单位:cm)3地下风机房开挖控制措施3.1控制措施的提出按照萨道夫基公式对质点速度进行计算,此公…式已写入《爆破安全规程》86,其具体形式为:尺=(等)吉・Q丁1式中,R为爆破振动安全允许距离(171);Q为炸药量(kg),齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量;V为保护对象所在地质点振动安全允许速度(cm/s);K、a为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。由式(1)分析得出:质点振动速度的大小,在K、d一定的条件下,主要取决于炸药量Q和测点至爆破中心的距离R;而小净距地下风机房洞室间距尺不可变,控制爆破时质点振动速度的重点即为控制炸药量Q。考虑到爆破施工中爆破振动的主要表现形式为地震波,地震波具有叠加、干扰、衍射等属性。质点的振动速度在很大程度上也受爆破震动波叠加的影响。3.2控制措施的制定小净距洞室开挖爆破振动的控制措施主要从2个方面着手:一是减少振源的爆炸能量,二是阻断或减弱地震波的叠加。(1)减少振源的爆炸能量。从减少炸药量的角度考虑,在隧道开挖施工中采取减少单段起爆药量的措施有以下几个方面:①控制开挖进尺,减小单段起爆药量;②采用上下台阶法开挖,进一步减少单段起爆药量;③与齐发爆破相比,采用微差控制爆破技术,控制单段起爆药量;④炮泥堵塞炮眼,提高炸药能效,减少装药量,在条件允许的情况下可采取水压爆破;⑤选取低威力、低爆速的炸药,减少炸药能量。(2)阻断或减弱地震波的叠加。从干扰或者阻断地震波传播的方面考虑,在隧道开挖施工中能做到的有效措施包括以下几个方面:①选取大于50ms的爆破间隔时间,避免爆破震动波的叠加;②采用光面爆破技术,采取不耦合装药,减弱地震波的叠加;③在周边眼的基础上加打不装药的空眼,作为减震和光爆导向眼,减少对围岩扰动,阻断地震波的传播。3.3控制措施的实施综合已制定的各项控制措施,遵照《公路隧道—施工技术规范》(JTGF602009)及《爆破安全规—程》(GB67222003)中的相关规定,针对云山隧道3#斜井地下风机房的开挖施工采取以下控制措施:3.3.1原材料的选取(1)炸药选用厂家直接生产的低爆速、低威力炸药。(2)雷管合适的间隔时间既可以避免爆破振动的叠加,也可以获得光面爆破的最好效果,这样一方面保证了邻洞的安全稳定,另外还可以取得最优的经济效果。高精度非电毫秒延期雷管的时间间隔大于50ms时地震波基本不叠加旧J,我国现阶段主要生产第一毫秒系列非电毫秒延期雷管,其1~15段延期秒量见表1。26铁道建筠技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2014f7J万方数据・隧道/地下工程・表1非电毫秒延期雷管的段别及延期秒量段号l2345678910ll12131415延期02550751lO]50200[250B10380460550650TooB80秒量/ms由表1可见,为使段间隔大于50ms,爆破在选择雷管段位时,要加大相邻段的段位差,而地下风机房洞室群断面不一,需要使用的段位数也不同,遵循增大段位差的原则,对于大断面(排风道、送风道、地下风机房、运输通道),需要段位数多的断面选取1、3、5、7、9、11段位的非电毫秒延期雷管;对于断面小,需要段位数少的断面(检修通道),加大段位差,选择1、5、9、13段。3.3.2开挖顺序及方式的选取(1)联络排风道施工。联络排风道作为连接斜井与左、右洞的主要运输通道,应首先施工。同时施工与斜井相连的送风道,约30El_长,以避免后续施工送风道时影响排风道的交通。联络排风道净宽7.1nl_,净高6.3m,长137.75m。为控制单段用药量,采取正台阶法开挖。(2)地下风机房及地下变电站的施工。联络送风道施工完成后,进行地下风机房及地下变电站施工。地下变电站与地下风机房在一条直线上,同宽不同高。地下风机房净宽8.0nl,净高12.0m,长52.51[1,地下变电站净宽8.0m,净高6.0m,长34.0m,两者采用正台阶法开挖,同步进行挂网喷浆初期支护作业,确保施工安全。先选择施工此洞室的原因,一是有利于洞室群内的通风排烟,二是提供更多的工作面,加快施工进度。(3)运输通道(逃生通道)与检修通道(逃生通道)施工。运输通道(逃生通道)和检修通道(逃生通道)平行,相距2.5m,与右洞垂直相交。①运输通道(逃生通道)净宽8.0ZTt_,净高6.0m,长38l"n。采用正台阶法开挖,同步进行挂网喷浆初期支护作业,确保施工安全。②检修通道(逃生通道)净宽2.5lrl,净高3.75rlrl,长3813.3.。采用反台阶法开挖。③与联络排风道和联络送风道垂直相交的检修通道(逃生通道)共2条,长均为33.75m,净宽2.5m,净高3."/5nl,采用反台阶法开挖。④与联络排风道和联络送风道平行,并与地下风钐}道建篦技术RAILWAYCONSTRUC"lIONTECHNOLOGY机房垂直相交的检修通道(逃生通道)长分别为20.72m和19.4.5m,净宽2.5m,净高3.7513"1_,采用反②③④台阶法开挖(、、可同时施工,加快施工进度)。3.3.3钻爆方法(1)爆破施工是整个隧道工程的一道主要工序,爆破效果和质量好坏直接影响整个隧道的施工进度、安全和质量。爆破效果好,块度均匀,爆碴堆积高度和范围适中,炮孔利用率达到了设计要求就能方便出碴,节省清运时间,提高作业效率。爆破质量包括循环进尺、超欠挖、光面爆破效果等内容,爆破质量好可节省支护费用和时间,加快工程进度。光面爆破施工工艺流程见图2。①I放样布眼l●②l钻孔F-t③清孔④I--t装药●⑤联结起爆网络●⑥I起爆●⑦l洒水降尘H⑧⑨瞎炮处理H爆破效果l图2光面爆破施工工艺流程(2)与齐发爆破相比,采用微差控制爆破技术,能有效的降低震动,降震率为50%左右,微差控制爆破使用的段别越大,段数越多,降震效果越好,为使段间隔大于.50ms,爆破在选择雷管段数时,应加大相邻段的段位差。(3)为了达到光面爆破的减震效果,要合理选用光面爆破参数,尤其要加大对掏槽眼、周边眼及炮眼深度的控制。①隧道爆破开挖的关键是掏槽,掏槽的效果直接影响到整个断面的爆破效果,掏槽爆破的作用是形成槽腔,为继续爆破创造补偿空间和自由面。显然掏槽爆破是在一个自由面的条件下发生的,受岩石的夹制作用比较大,并且单位药量也较大,所以掏槽爆破产生的地震效应也最明显。对于隧道掏槽爆破技术中,掏槽形式主要分为:楔形掏槽、扇形掏槽和大直径中空直眼掏槽,各自的优缺点见表2。Ⅲ隧道地下风机房围岩主要属于级围岩,而考虑到开挖时受断面限制,检修通道不宜采取楔形掏槽,改用大直径中空直眼掏槽,掏槽深度为2.6m,孔间距为40一50cm;其它洞室采取楔形掏槽口J。2DT4f刁27万方数据・隧道/地下工程・表2掏槽形式及其优缺点掏槽形式优点缺点适用于中硬岩和楔形掏槽硬岩,不需要大直受断面限制,钻孔角度不好掌径钻孔设备握,岩渣抛弃较远适用于岩石内有钻孔分布不对称并且需要准确扇形掏槽明显断层的情况设计钻孔深度和开始位置大直径中要求钻孔准确,在深孔爆破中钻空直眼掏槽适用各类岩石孔有偏差,容易出现殉爆或掏槽效果不良现象②—根据《公路隧道施工技术规范》(JTGF60…2009)中规定,光爆破参数采用工程类比或根据漏斗及成缝试验确定,在无条件试验的情况下可按表3选用。表3光面爆破参数参数饱和单周边眼围岩轴抗压装药不周边眼周边眼相对距装线集陂限强度偶合间距最小抵抗ⅫE,∥中度状况系数DE/cnl线W/cmRb/MPa“(kg・m)硬岩>601.25~1.5055~7070~850.8~1.O0.30~O.35中硬岩—30601.50~2.oo45~6060~750.8~1.00.20~O.30软岩≤30Z.00~2.50—305040~60O.5~0.8D.07~o.25Ⅲ由于隧道地下风机房围岩主要属于级围岩,选用符合中硬岩的光面爆破参数,周边眼在打眼时加打不装药的空眼,用于减震和光爆导向眼,减少对围岩扰动。③采用小循环进尺,分台阶开挖。对于小净距隧道震动要求较高的施工条件,进尺小则循环爆破方量小,一次爆破药量小,相对地爆破振动也小,分区开挖则也减小了一次起爆的药量。且为后续的区间爆破创造了更多临空面,也可减小爆破振动。为了降低振动速度,严格控制单循环进尺,本地下风机房循环进尺为2.0m,周边眼、辅助眼的炮孔深度为2.51TI。④控制单段爆破药量是减小爆破振动最有效的方法,如果采用的雷管不出现延时或窜段现象时,先行洞内最大振速出现在装药量最大段位。减少装药量,加强炮孔堵塞可以提高炸药能量利用率、有效地降低单位耗药量,减小爆破振动。3.3.4实施实例在小净距段采用光面爆破的云山隧道地下风机房,由于各断面形状不规则,净宽和净高差别较大,装药量段位布置等则也存在差异,根据以上各项控制措施参数,选取2个具有代表性的开挖断面进行举例论证。(1)运输通道(逃生通道)净宽8.0Ill,净高6.0In,长38m。采用正台阶法开挖,其断面装药量及段位布置见图3、表4。(2)检修通道(逃生通道)净宽2.5Ill,净高3.75Ill,长38m。采用反台阶法开挖,其断面装药量及段位布置见图4、表5。通过对施工过程中各项参数的有效控制,云山隧道3}}斜井地下风机房小净距洞室群开挖工作取得了较好的爆破效果。n’n丌州问同1图3运输通道爆破网络设计图4检修通道爆破网络设计表4运输通道断面爆破设计参数装药起爆雷管炮眼炮眼孔备注顺序段别名称个数泓m装药单孔装药量系数药量中空眼182.6l1掏槽眼62.6O.801.9211.5223辅助眼102.5O.751.7317.30上35掘进眼182.5O.651.5027.00断面47内圈眼142.50.601.3819.3259底板眼152.50.701.6l24.1561l周边眼252.50.300.6917.25l1掘进眼62.50.651.509.0025内圈眼82.50.601.3811.04下断37底板眼132.5O.701.6l20.93面49周边眼182.50.300.6912.42合计15l169.93铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2014f7l万方数据・隧道/地下工程・表5检修通道断面爆破设计参数起爆雷管炮眼炮眼孔装药备注顺序段别名称个数影m装药系数单孔药量装药量中空眼82.6l1掏槽眼52.6O.801.929.6025扩槽眼62.5O.751.73lO.38下断37掘进眼82.5O.651.5012.00面59底板眼82.50.701.6112.8861l周边眼122.50.30O.698.28ll掘进眼62.5O.651.509.oo上25内圈眼102.50.601.3813.80断面39周边眼102.5O.300.696.90合计7382.843.4振动速度的监测3.4.1振动速度的估测在地下风机房洞室群开挖过程中,对于相邻洞室振动速度的估测,由萨道夫基公式(公式(1))计算得出。该公式中R为爆破振动安全允许距离,在这里为测点至爆破中心的距离,具体数值由图1各个洞室间的距离得出;Q取微差控制爆破单段最大爆破药量;K、Ot值应由现场试验确定,在无试验数据的条件下可参照国家标准《爆破安全规程》—…(GB67222003)中表585埘选取。爆区不同岩性的K、Ot值见表6。表6爆区不同岩性的K口值岩性Kd坚硬岩石50~1501.3~1.5中硬岩石150~2501.5_1.8软岩石—2503501.8~2.0综合现场围岩等级及岩石硬度,参照表6给出的经验值,我们选取K=250,a=1.5。3.4.2振动速度的监测根据开挖顺序的先后,在先行洞室侧壁用振动测试仪进行振动速度监测,对于后行洞室穿过2个已成型洞室间时,要同时在2个已成型洞室侧壁用振动测试仪进行振动速度监测,测试位置及方法见图5。爆破开挖面面爆破开挖面先行洞室后行洞室先行洞室后行洞室先行洞室图5爆破振动速度测点位置根据图5测试方法,在地下风机房先行洞室岩壁上用振动测试仪进行监测记录,且与公式(1)计算出的振动速度进行比较分析,结果见表7。表7爆破振动监测结果监测点与爆点监测振动理论计算振动序号水平距离R/m“速度/(cm・s)“速度/(cm・s)l33.755.675.84227.58.079.01323.59.7911.44256.437.48519.458.2710.9620.728.559.92712.512.814.289.213.9614.32由表7可以分析得出:(1)实际监测振动速度与理论计算振动速度值均小于交通隧道中安全振动速度标准值15cm/s,能够满足小净距洞室安全爆破要求。(2)实际监测振动速度均小于理论计算振动速度,由此可知所采取的各项控制措施取得较好的减震效果。4结论根据云山隧道3#斜井地下风机房洞室开挖要求,提出了有效的小净距洞室开挖控制措施,得到如下结论:(1)地下风机房等小净距隧道开挖采用台阶法开挖,控制开挖进尺,选取合理的施工工序和开挖方法,最大程度地保证施工安全和施工进度。(下转第34页)铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY201417129万方数据・桥涵工程・5面积比拟法进行验证5.1流域面积比拟法推求桥址处设计洪水流量5.1.1汇水面积确定根据锦江1:5万平面图,锦江特大桥桥址处汇水面积F.=2723.98km2,在桥址上下游各有一处可靠的水文观测站,即牛头山水文站和上高水文站,其锦江汇水面积、水文站与线路的具体关系见图5。图5锦江特大桥汇水面积5.1.2流量推算根据江西省水利规划设计院2010年3月编制的《锦江流域规划修编报告》(征求意见稿),牛头山水文站汇水面积Fz=2710km2,百年流量Q:=5100m3/s;上高水文站汇水面积F3=4076km2,百年流量Q,=5300ITl3/s。(1)按流域面积直线内插,推桥址处百年洪水・+一+-+一+-+-+-+一+一+-+一+流量Q,=5102.1ITl3/s。”(2)按流域面积比的指数倍公式心6:F“Q。=Q:(})j2推得桥址处百年洪水流量为Q。=5102.5m3/s。5.2验证结果因牛头山水文站与桥址的流域面积相差很小,流域面积差值为0.5%,故采用面积比推得的桥址流量可靠。根据形态勘测法推算的百年流量为4996.5ITl3/s,面积比拟法计算的百年流量为5102.5m3/s,两者差值比仅为2.1%,满足勘测设计要求。6结束语通过以上的数据处理分析及验证工作,论证了形态勘测法是一种计算精度较高的方法,该方法广泛运用在缺少水文资料或水文勘测资料不能满足要求的地区,可在今后的铁路、公路勘察设计中推广使用。形态勘测中主观性较大,要求综合分析调查结果,合理选择各个参数的取值,保证各种水文指标的真实性和可靠性,不能随意夸大或缩小。形态勘测法在本条线中得到了很好的运用,给我们提供了评判和参考的依据。参考文献[1]廖建英,李友辉,姚宏,等.锦江流域规划修编报告—[R].南昌:江西省水利规划设计院,2010:15.[2]铁道部第三勘察设计院.桥渡水文[M].北京:中国铁道出版社,2004.(上接第29页)(2)选用低爆速、低威力炸药,增加相邻段位非电毫秒延期雷管段位差,控制单段爆破药量,降低先行洞室周壁质点的振动速度和震动波的叠加。(3)炮泥堵塞炮眼,提高炸药能效,减少装—————●+一+一+-+*P一-+_一・卜一一-+少爆破震动。参考文献[1]中国工程爆破协会.GB—67222003爆破安全规程[s].北京:中国标准出版社,2004.药量。[2]赵禹锋・小净距隧道施工中减震技术研究[JJ・重庆建(4)周边日艮间隔打不装药的中空日艮,作为减震…[3]薹嚣糕淼三萎某.建筑与工程.和光爆导向眼,减少对围岩扰动。—科技信息版,2009(5):319321.(5)采用光面爆破技术,合理选择眼距、最小抵[4]中交第一公路工程局有限公司.JTGF—602009公路抗线和装药系数,主要从改善装药结构,采取不耦隧道施工技术规范[s].北京:人民交通出版社,合缓冲间隔装药,减少单位长度炮眼内装药量,减2009:68.34铁道建笳技术RA『LWAYCONSTFIUCTIONTECHNOLOGY2014f7J万方数据
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