钻爆法施工隧道超挖分析研究.pdf

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———文章编号:10094539(2018)增2017505・隧道/地下工程・钻爆法施工隧道超挖分析研究吴定远(中铁十六局集团第四工程有限公司北京101400)摘要:采用钻爆法进行隧道开挖作业时,超挖是隧道施工时普遍存在的问题。在岩石的爆破破碎机理中,以冲击波反射拉伸理论和爆炸气体膨胀破坏理论综合作用占居主流地位。超挖不仅使支护成本增加,还会引起围岩局部应力集中,影响隧道的稳定性。对超挖原因的统计和国内外文献调查研究表明,其主要因素为钻孔精度、爆破技术和施工组织管理。为减少超挖,考虑地质因素和爆破因素的多元回归分析及人工神经网络等超挖预测模型被相继提出。其“”准确度明显优于前期的峰值粒子速度理论与块体理论。因此,在树立少超少欠观点的基础上,还要在提高钻孔水平、合理匹配爆破技术参数、提高施工管理和组织等方面采取一系列控制措施,从而达到减少隧道超挖的目的。关键词:隧道超挖钻爆法超挖预测控制措施中图分类号:U455.41文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009.4539.2018.s2.046AnalysisandResearchonTunnelOverbreakwithDrillingandBlastingMethodWuDingyuan(ChinaRailway16山BureauGroup4山EngineefingCo.Ltd.,Beijing101400,China)Ablsh'aet:Overbreakisthecommonproblemintheconstructionoftunnelwhendrillingandblastingareused.Inblastingandcrushingmechanismofrock,thecombinedeffectsofshockwavereflectingandstretchingtheoryandexplosiongasexpansionandcoUapsetheoryoccupyadominantposition.Overbreakwillnotonlyincreasethecostofsupport,butalsocauselocalstressconcentrationinthesurroundingrock,thusaffectingthestabilityofthetunnel.Theresultsofstatisticsandliteraturesstudiesofhomeandabroadshowthatmainoverbreakfactorsarethedrillingprecision,blastingtechniqueandconstructionorganizationmanagement.Inordertoreduceoverbreak,onthebasisofgeologicalfactorsandblastingfactors,themultipleregressionanalysisandartificialneuralnetworksofoverbreakpredictionmodelshavebeenproposed,anditsaccuracyissuperiortopreviousPeakParticleVelocityTheoryandBlockTheory.Therefore.inlightofestablishing“thelittleoverbreakandlittle”underbreakview,aseriesofcontrolmeasuresshouldbeappliedtoachievethetargetofreducingoverbreak,suchasimprovingdrillingprecision,matchingreasonableblastingtechnologyparametersandenhancingconstructionorganizationmanagement.Keywords:tunnel;overbreak;drillingandblastingmethod;overbreakprediction;controlmeasures1引言隧道爆破的结果主要通过3个指标评价:(1)进尺率(实际开挖进尺与钻孔长度之比);(2)产生的振动和噪声水平;(3)开挖轮廓的质量,轮廓的质量可以通过超挖量/欠挖量即轮廓的粗糙度,也就是开挖轮廓的凹凸程度来表示。因此研究隧道的——收稿日期:20180310作者简介:吴定远(1982一),男,工程师,主要从事隧道工程施工。超挖问题对于评价隧道爆破效果有着重要的意义。隧道施工过程中遇到的一个重要问题就是因爆破带来的超挖问题,尤其是在大断面隧道开挖施工过程期间,超挖问题发生的可能更大。超挖问题的存在不但会使施工成本增加,同时还使得围岩局部应力集中程度增强,最终会给隧道结构产生负面影响,从而影响隧道建设的稳定性。为更精准对隧道超挖量进行预测,国内外学者做了很多研究。出现了专门考虑地质因素和综合考虑铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018I增2)175万方数据・隧道/地下工程・地质因素与爆破因素的超挖预测模型,计算方法主要以峰值速度理论、块体理论、多元回归分析、人工神经网络为主,每种计算方法都有各自的优缺点。通过统计与分析隧道超挖主要因素之后,超挖控制技术与措施相应地也被提出来,主要体现在钻孔精度、爆破技术和施工组织管理这三个部分。超挖的控制对于减少工程成本和提高隧道的安全性有着十分重大的意义,对于以后的隧道施工在理论上与技术上也都有很多可借鉴之处。2隧道超挖原因关于超欠挖因素的研究,国内外许多学者都做了大量的研究。…国外方面,Kaushik等人爆破导致超挖的主要因素总结如下:(1)岩石参数;(2)爆破设计参数;(3)装药质量。McKown旧1将超欠挖因素分为4类:(1)钻孔精度;(2)周边孔间距及装药;(3)第一排孔的处理;(4)地质学。Hyongdoo和Erkan旧。将影响超挖因素分为2类:(1)爆破因素,包括爆破几何参数、导向孔、爆破孔偏差、爆炸特性、耦合比、爆炸引起的冲击波和能量水平等;(2)地质因素,属于固定因素,其中不连续性是影响超挖现象的一个主要因素,如Hoek和Brown提出,与不连续面平行于隧道轴线时出现大量超、欠挖相比,当不连续面近乎垂直于隧道轴线时出现超挖和欠挖会很少的。Pusch和StanforsHo在瑞典ASPO地下岩石实验室进行全面的现场原型测试,结果表明越仔细的爆破操作中,受干扰的围岩厚度越小。国内方面,以关宝树为代表,对国内百余座隧道之中利用钻爆法施工的276个开挖∞循环进行统计J,结果如图1所示。由图1可知,上述几个要素中对超欠挖类别图1超挖因素统计的影响作用来看,钻孔精度影响作用为44.2%,爆破技术和施工组织管理影响作用分别为20.3%和17.6%,然后是测量放线(7.6%)、地质条件变化(6.1%)、其它(4.2%),前三项因素所带来的作用最显著,加起的影响力超过82%,因此,要想实现对176铁道建筑技术超欠挖问题的有效控制,就必须从钻孔精度、爆破技术和施工组织管理三个问题进行重点管理。3隧道超挖预测3.1峰值粒子速度理论峰值粒子速度理论(PPV)通过阈值级别获取损坏估计值来归纳隧道超挖量经验公式。以Ibarra等人为代表,现根据PPV的阈值级别来判断是否发生损伤,再在考虑岩体参数、爆破参数和装药质量的基础上计算超欠挖量OB。超挖量计算公式为:‰OB=一%l+鼻q。一K03log(Q)式中,OB为超挖量(%);Ko。、Ko:、Ko,为超挖点特征系数;q。为作者自己定义的PCF,且PCF=(周边眼装药质量/内圈眼装药质量)/周边眼至内圈眼之间的体积;Q为巴顿岩体指标。以Murthy等人为代表,根据远场模型的PPV值公式推导出近场模型的PPV值,确定了岩体损伤的PPV界限值,如图2昕示.图2损伤估计的PPV界限值其超挖量计算公式为:OB:0.2687X1・999总而言之,该超挖预测公式只考虑了最大线装药密度这一单一因素,是不太可靠的,工程局限性较大,无法推广使用,并且PPV只是一个特定的值,不同的模型得出结果也不同,无法用它来准确衡量损伤的发生与否。3.2块体理论块体理论是隧道建设的一个重要理论基础,特别是对于最大块体和块体最大可动域分析有着重要意义,但从实际情况来看,隧道中存在的最大块体和最大可动域并不等同于并超挖块体及与之相关的可动域。导致该现象发生的主要原因在于结构面间距,受该因素的影响,使得隧道开挖过程中RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018f:IN2)0OOOO0000OOOO0OOO00OOO7654321>厶厶万方数据・隧道/地下工程・实际所产生的块体体积明显要小。随后,利用块体理论对这些块体的结构面受力情况进行分析,并在此基础上对其塌落可能性进行判定,如果存在塌落情况就代表其是超挖块体。魏继红M。o等人在研究中,基于块体理论对红枫连拱隧道超挖块体的最大可动域分布范围进行分析,研究结果表明该位置主要位于为隧道顶部及其左边墙,同时超挖块体也存在于隧道右拱肩位置,但数量较少。从超挖块体的最大可动域体积来看,分布面积大约处于15~35m3区间范围,所分布数量在6~7个之间,引外其它部位所分类的数目在—34个之间。隧道左边墙为关键块体的集中分布区,超挖块体同样出现于隧道右拱肩但数量也相对有限,具体来看,超挖块体积主要集中在0.1~0.3m3区间范围,其中体积为0.1~0.2m3的块体数目有100多个,体积较大的块体0.3~O.8m3其数目只有约10个,而大于0.9m3的块体数量不足10个。由此可见,隧道左边墙位置是红枫隧道超挖块体的主要集中地,且多数块体体积不超过0.2m3。但是,如果结构面延展性较好且组合不合理,则超挖块体不但会出现而且出现的面积范围也相对较大。为此可以看出,隧道超挖问题的出现会受到来自结构面不利组合以及实际隧道开挖方法等因素的综合影响,这就要求在隧道具体施工期间,对于结构面组合形式要进行合理设计,同时还要对结构面发生的可能性进行精准预测。3.3多元回归分析Kaushik和Murthy在总结前人考虑的各个超挖因素的基础上,其中主要考虑岩石参数、爆破设计参数和装药质量,利用多元线性回归分析得出超挖量计算公式,如下式所示:OB=27.91+0.97%-1.59CpU-1.89务式中,OB为超挖量(%);g,为上文定义的PCF;c,为P波的波速(km/s);u为岩石的?自松比;A,为进尺率(m/m);正为夹滞约束因子(m/m2)。此后用统计学中t分布和F分布检验超挖预测模型误差,共采用了5个样本,结果表明两者预测的误差均在5%以内,从而证实了该公式的可信度。此后又采用了4组实测的爆破超挖数据和超挖预测模型结果对比,如表1所示。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY表1超挖量预测值与实测值对比超挖量爆破1爆破2爆破3爆破4实测值/%24.7323.619.9724.91预测值/%22.5522.7921.3223.17误差/%8.8l3.446.786.98从表1中可以看出预测误差在10%,是可以接受的。因此该模型的超挖量预测公式还是相对可靠的。3.4人工神经网络人工神经网络是人工智能方法之一,它是通过简单模拟人类大脑的生物结构获得的计算推理模型。人工神经网络可以由训练期间给定的实际模式推广得到广义的解决方案。一旦神经网络经过足够的样本数据集训练,输入一个全新的类似模式,它将能在先前学习的基础上完成预测。人工神经网络包含一组层状结构:输入层、隐含层、输出层。人工神经,简称神经,是一种相互之间有着复杂联系的处理单元。图3所示为一种典型的前馈反向传播人工神经网络,最优输入层神经元数为Ot,在隐藏层上的神经元个数为/3以及隐含层数为y。blasting1Comparing§芝兰毗岫薛1乡…Input-Iayer…Hidden-layer…Output.1ayer…—TargetI"图3典型的ANN前馈反向传播结构4超挖对隧道工程的影响4.1对工程成本和进度影响首先,超挖也导致了渣体体积和喷浆、出渣时间增加,减缓了工程进度;其次,隧道超挖产生的空间一般用喷射混凝土或衬砌混凝土来填充,从而增加了支护成本;此外,超挖必然需要消耗炸药,增加炸药费,还有增加了额外的渣体装运费用。以韩国隧道超挖为例,其超挖部分是充满了一半喷射混凝土和一半的衬砌,平均超挖支护成本达到了隧道施工总成本的15%~18%。2002年,Lee和韩国高速公路研究中-1、5"在2个隧道爆破15次调查中指出其超挖量达到了28.2~47cm,几乎达到了允许超挖值(10~20cm)的两倍,所以Kim和Moon提出了在花岗岩岩体中的超挖控制方针,减少了15%~73%的喷射混凝土和3%~22%的衬砌混凝土,在不到2km2018f#t2J177万方数据・隧道/地下工程・的隧道内节省了工程成本6.5~13万美元。此外,国内冯海暴等人通过对九瑞高速岩质隧道钻爆法施工超欠挖控制成本进行分析,发现严格控制超挖将开挖合格率从67.4%提高到83.9%后,隧道每延米平均超挖耗费由3433.5元降低到了1719.1元,平均每延米节约成本l714.4元,效益提高49.9%IS]。4.2对围岩应力影响王明年和关宝树一。通过对圆形和马蹄形隧道的超挖进行分析,发现超挖深度和宽度对应力集中影响很大,随着深宽比的增大,其应力集中系数也迅速增大,应力影响范围也会增大,塑性区也增大,并且在宽深比达到1.0时,其应力集中系数达到10.6,在脆性岩体中容易产生岩爆,且多组超挖比单组超挖对围岩应力集中程度大得多。此外,回填不密实的喷层给隧道所提供的支护作用相对有限;但回填密实的喷层却能够使隧道应力集中度有效下降,并且还可以有效控制塑性区扩展所带来的不利影响。5隧道超挖控制技术与措施5.1“”改变宁超勿欠的传统观念“在超挖控制过程中,要彻底转变过去宁超勿”欠的思维,做到少超少欠,可以在某个区间范围内进行欠挖,如日本容许存在16%的欠挖区间,具体来说就是从开挖断面上取100个点,只要保证低于16个点欠挖仍处于合理范围。同时根据我国铁路隧道施工规范(TB—1024200)有关要求,如果围岩状态完整且坚硬度较好时,可以让岩石某些突出位置侵入衬砌,该位置应保持在每1m2小于等于0.1ill2位置;从侵入值来看,需保持在小于等于衬砌厚度的1/3范围内,且不能超过lOcm,而喷锚衬砌应则应小于5cm。5.2提高钻孔水平在具体钻孑L过程中,开口位置(e)、钻孔深度(£)和周边炮孔的外插角(口)三个因素会给超挖情况带来明显影响。具体可利用h=e+Ltan(0/2)公式来计算超欠挖高度。可以看出随着£、口的增大,^也会相应的增大。钻孔示意如图4所示。10~气o178图4钻子L示意铁道建筑技术£是一个设计参数,可以在设计中加以控制,尽可能采用浅孔爆破,£一般采用3.5m,不超过4nl;为了实现对插角p更好控制的效果,一方面要将钻机性能进行改善提升,另一方面则要对相关设备操作人员的技能进行提升与培养;为了控制好开口位置e,应首先确定钻孔位置然后开始钻进,同时还应在掌子面上将周边孔位线进行认真标识,尽量将开口位置的大小控制在合理范围(即3cm)。5.3合理匹配爆破技术参数在爆破方法上,尽量采用控制爆破,通过国内100余座隧道统计¨0。11J,控制爆破超挖平均减少量能达到47.3%。在爆破方式上,在地质条件许可时可以采用全断面一次爆破减少振动快速施工,为了减少超挖预留光面层、导洞先行开挖的爆破方式是比较好的,还要确定孔距E和光爆层厚度形的关系以保证光面效果,一般取E=0.8形;此外,线装药密度要合理,防止过大或过小,还有周边炮孔布置、炸药单耗等技术参数需合理搭配。在爆破器材和装药方法上,尽量选择不耦合间隔装药并用导爆索连接,防止装药太集中,确保填塞质量,光面、预裂爆破最好采用齐发爆破,需要控制时,齐发数量不应小于5发,延时时间小于25ms为宜。5.4提高施工管理和组织为了保证项目实施进度及施工质量,在隧道施工中要做好组织管理工作,首先应构建起一套较为完善的质量管理体系,并基于该体系对整个项目实施全流程管理;其次要积极开展相关培训活动,提升施工人员专业技能;再次就要是加强对整个施工过程的监督控制,保证超挖量处于有效范围。5.5测量放线采取激光指向仪控制隧道掘进方向,提高轮廓线放线精度,首先要提高中线和标高的精度,其次采取正确及合理办法手段等对轮廓线位置进行明确,提升其精准性。5.6信息化施工项目施工过程中,要基于开挖面对围岩开展观测描述;同时还要有效预测围岩的节理裂隙状态,并在此基础上对爆破设计参数进行及时调整修正;此外也应根据实际需要对施工方法或其它辅助措施进行调整,如局部内移炮眼、局部空孔不装药或加密炮眼等。RAILWAY”CONSTRUCONTECHNOLOGY2018t增2)万方数据・隧道/地下工程・6结束语(1)通过统计与分析,隧道超挖的主要因素为钻孔精度、爆破技术和施工组织管理。(2)对隧道超挖预测时,以多元回归分析和人工神经网络的适用性最强,其预测结果可靠度较高。(3)隧道超挖产生的影响,除了增加工程成本,减缓了工程进度,还降低了隧道的安全性,使得隧道的应力集中现象加剧,在脆性岩体中容易发生岩爆。“(4)在超挖控制过程中,要彻底转变过去宁”超勿欠的思维,做到少超少欠,其次要提高钻孑L水平、合理匹配爆破技术参数、提高施工管理和组织,从这三个主要方向去严格控制超挖,当然还包括测量放线、地质条件等等。参考文献[1]DEYK,MURTHYVMSR.Predictionofblast-inducedoverbreakfromuncontrolledbum-cutblastingintunnelsdriventhroughmediumrock—class[J].Tunnelling&UndergroundSpace—Technology,2012,28(3):4956.[2]KIMY,MOONHK.Applicationoftheguidelineforover-breakcontrolingraniticrocknlas¥e¥inKoreantunnels[J].Tunnelling&UndergroundSpaceTechnology,2013,—35(3):6777.(上接第151页)[3]JANGH,TOPALE.Optimizingoverbreakpredictionbasedongeologicalparameterscomparingmultiplerejgression—analysisandartificialneuralnetwork[J].Tunnelling&Under-groundSpace—Technology,2013,38(3):161169.[4]PUSCHR,STANFORSR.Thezoneofdisturbancearoundblastedtunnelsatdepth[J].InternationalJournalofRockMechanics&MiningScience&GeomechanicsAbstracts.—1992,29(5):447456.[5]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通—出版社,2011:5664.[6]魏继红,孙少锐,彭建忠,等.高速公路连拱隧道超挖预测及评价研究[J].岩石力学与工程学报,2006—(S1):33243329.[7]魏继红,吴继敏,陈显春,等.块体理论在高速公路连拱隧道超挖预测中的应用[J].水文地质工程地质,—2005(5):6063.[8]冯海暴,蒋万德,曲俐俐,等.九瑞高速岩质隧道钻爆法施工超欠挖控制措施及成本分析[J].隧道建设,—2012,32(6):887891.[9]王明年,关宝树.隧道超挖对围岩内应力状态的影响—[J].铁道学报,1997(2):8690.[10]佘健,钟新樵.公路隧道超欠挖统计规律研究[J].重—庆交通学院学报,2000(2):1520.[11]苏永华,孙晓明,赵明华.隧道围岩超挖的分形特征研究[J].中国矿业大学学报,2006(1):89-93.——————————————————————++一+一+一+一卜+.--4--+-+-+卜-+-+卜-+一+-+-++一+一卜卜+一卜卜・+一一卜+.一-卜一0一・[3]戴俊,王淑仁.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2005.6结束语通过在施工过程中的对比,单从提高每循环进尺及节省炸药的方面来对比,水压爆破法占据了明显优势,节约了施工成本也提高了施工进度。由于采取了炮孔内灌水,降低了爆破后的有毒气体及粉尘颗粒,净化了施工环境。在减少了炸药用量的同时也降低了因爆破而造成的振动,这对于在城市施工项目来说,无疑避免了因爆破施工的振动波而造成的对周围建筑结构的破坏。参考文献[1]何广沂.节能环保工程爆破[M].北京:中国铁道出版社,2007(6).[2]齐景澈,刘正雄,张儒林,等.隧道爆破现代技术[M].北京:中国铁道出版社,1995.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY[4]汪旭光.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.[5]汪旭光,于亚伦,刘殿中.爆破安全规程实施手册[M].北京:人民交通出版,2004.[6]杨军,陈鹏万,胡刚.现代爆破技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005.[7]杨小林.地下工程爆破[M].武汉:武汉理工大学出版社,2009.[8]刘正雄.隧道爆破关键技术与发展[J].现代隧道技—术,2004(S2):118125.[9]张有勇,刘旭全.高盖山隧道4号缓坡长斜井井身快速钻—爆施工技术[J].科技创新导报,2011(2):5354.[10]郭陕云.隧道掘进钻爆法施工技术的进步和发展[J].—铁道工程学报,2007,24(9):6774.[11]张应立.工程爆破实用技术[M].北京:冶金工业出版社,2005.[12]齐景搬,刘正雄.隧道爆破现代技术[M].北京:中国铁道出版社,1995.2018(.fir2J179万方数据
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