成贵铁路瓦斯长大隧道控制爆破技术

杨延勇

(中铁二十局集团有限公司第四工程有限公司, 山东青岛 266061)

成贵铁路瓦斯长大隧道控制爆破技术

杨延勇

(中铁二十局集团有限公司第四工程有限公司, 山东青岛 266061)

针对在建的成贵铁路高瓦斯兴隆坪隧道爆破施工难题，结合该隧道工程地质及水文条件，运用基础理论分析、最优化方法和现场验证等方法，确定了隧道开挖循环进尺、炸药单耗、孔网参数以及起爆方法等，充分保证了隧道开挖施工的安全稳定顺利进行。结果表明，提出的瓦斯长大隧道爆破控制技术能够保证工程施工安全，可为类似工程提供了较好的借鉴和参考。

隧道工程; 控制爆破; 瓦斯; 施工

新建铁路成都至贵阳铁路兴隆坪隧道，进口里程D2K185+090，出口里程DK187+893，中心里程D2K186+491.5，隧道全长2 803 m，为单洞双线隧道。隧道围岩类别为：Ⅲ级围岩1 340 m、Ⅳ级围岩590 m、Ⅴ级围岩755 m。隧道洞身最大埋深约60 m，线间距4.6 m，设计速度250 km/h。DK185+090～DK186+379.631段位于半径为9 000 m的曲线上，其余段位于直线段上。兴隆坪隧道位于老翁场大型气田核心区，线路右侧1 200 m位置为老翁场六号气井，为高瓦斯隧道。

1 瓦斯长大隧道工程条件与开挖方法分析

1.1 隧道工程地质条件分析

1.2 隧道开挖方法

参考隧道工程技术[1-2]，Ⅲ、Ⅳ级围岩均采用台阶开挖方法，Ⅴ级围岩采用台阶法附加仰拱施工，具体如图1和图2所示。上台阶每循环进尺按围岩类别控制，Ⅲ级围岩不大于2 m，Ⅳ级围岩不大于2榀拱架，Ⅴ级围岩不大于1榀拱架，下台阶边墙不大于2榀拱架；Ⅳ、Ⅴ级围岩仰拱一次开挖不大于3 m。开挖后，及时施作初期支护，尽早封闭成环。Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护封闭成环距离掌子面不得大于35 m。

图1 台阶法开挖横断面

图2 台阶法附加临时仰拱开挖横断面

2 瓦斯爆破参数设计

按照隧道爆破技术及理论[3-5]，爆破参数如下。

2.1 循环进尺L0和孔深L

根据地勘资料中的围岩条件，暂定爆破循环进尺为2 m，实际开挖后再根据现场实际地质情况进行动态调整。孔深为循环进尺长度加上炮孔超深长度，其中一般炮孔超深长度定为0.2 m，掏槽孔的超深长度定为0.4 m(垂直深度，掏槽孔实际孔深根据设计图确定)。故一般炮孔孔深为2.2 m，掏槽孔孔深为2.4 m。

2.2 单耗q与总装药量Q

单位岩体炸药消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩石飞散距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、钻眼工作量、劳动生产率、材料消耗、掘进成本、断面轮廓质量以及围岩的稳定性。合理的单耗决定于多种因素，其中有岩石的物流力学性质、断面、炸药性能、炮眼直径和深度等。可以利用明捷利公式式(1)进行计算。

(1)

式中:C为装药直径对单位耗药量的影响系数，见表1，取1.0；K为炮眼深度对单位耗药量的校正系数，见表2，取0.8；S为隧道断面面积(m2)；e为炸药做功能力校正系数，按照式(2)计算；φ为装药密度矫正系数，一般φ=0.78～0.8，取0.8；f为岩石坚固性系数，该隧道Ⅳ级围岩取f=6。

(2)

式中:ex为炸药作功能力(ml),煤矿许用炸药ex≥210ml；h为炸药猛度(mm),煤矿许用炸药h≥8mm。

表2 炮眼深度对单位耗药量的校正系数

根据《隧道工程》，总装药量Q可以根据单位岩体炸药消耗量q、隧道断面面积S和炮孔孔深L按式(3)计算确定。

Q=qSL0

(3)

式中:Q为总装药量(kg)；q为单位岩体炸药消耗量(kg·m-3)；S为隧道断面面积(m2)；L0为循环进尺(m)。

2.3 掏槽形式

采用二级复式楔形掏槽进行掏槽爆破，掏槽布置如图3所示。

图3 二级复式楔形掏槽(单位:cm)

2.4 光爆参数

以Ⅲ级围岩为例，围岩相对较为坚硬，因此周边眼间距适当缩小，可以控制爆破轮廓，避免超欠挖，隧道断面周边眼间距E值选用E=45 cm。

光面爆破层就是周边眼与最外层辅助眼之间的一围岩层，光面爆破层厚度就是周边眼的最小抵抗线W，隧道断面W=65 cm。

光爆孔装药不耦合系数r=D/d。其中D为炮孔直径，取42 mm;d为药卷直径，取25 mm。R=42/25=1.68。

2.5 装药结构

掏槽眼和底眼采用正向起爆，用“封口机”自动灌水，自动泥封口。周边眼采用间隔不耦合装药结构，炮泥封口。

3 炮孔布置及起爆网路

依据爆破设计施工方法[6-7]，只允许采取串联网路。

3.1 炮眼布置原则

(1)掏槽炮眼布置在开挖断面的中部采用直眼掏槽，炮眼方向在岩层层理或节理明显时，不得与其平行，应呈一定角度并尽量与其垂直。

(2)周边炮眼沿设计开挖轮廓线布置，以保证爆出的断面符合设计要求。

(3)辅助眼交错均匀布置在周边眼和掏槽眼之间，力求爆下的石渣块度适合装渣的需要。

(4)周边眼与辅助眼的眼底应在同一垂直面上，以保证开挖面平整，但掏槽炮眼应加深10～20 cm。

(5)炮眼布置数量视隧道开挖断面的大小和围岩情况而定。

3.2 炮眼布置

为能更好地阐明炮眼布置，在此仅对Ⅲ级围岩的正洞上台阶掘进炮眼进行说明，其他不做赘述。

上台阶炮眼数目按式(5)进行计算

(5)

式中:q为单位用药量，根据隧道爆破以往经验取q=1.0 kg/m；s为隧道面积；r为炸药每米重量，本工程选用φ32 mm药卷，r=0.78 kg/m；n为炮孔装药系数，本隧道为减少爆破震动，控制最大药量，采取密孔，小药量，取n=0.53。

计算可得N=qs/rn=1.0×59/(0.78 ×0.53)=143个

根据断面实际布置情况，优化为156个，其炮孔布置图上台阶如图3，爆破参数列于表3。

表3 正洞Ⅲ级围岩上台阶爆破参数

3.3 起爆网络及相关设计计算

3.3.1 起爆网络及计算

网络联结采用串联，按掏槽眼→辅助眼→底板眼→周边眼→起爆器顺序连接。正洞全断面上台阶爆破时，雷管数156个，孔口联结线(铜线1mm2，单股，电阻17.5Ω/km)需要150m，起爆器主线(铜线5.5mm2，7股，电阻3.18Ω/km)需要700m(起爆距离300m，超过安全距离200m的要求)。网络总电阻按式(6)进行计算:

R=R1+R2+nr

(6)

式中:R为总电阻；R1为主线电阻；R2为孔口联结线电阻；n为电雷管数目；r为每个电雷管电阻。

计算得:

R=700×3.18÷1000+150×17.5÷1000+156×6.3=988 Ω

通过网络及每个电雷管的电流为:

(7)

式中:R为总电阻；V为起爆电压；I为通过网络电流；I为通过每个电雷管电流。

计算可得:I=2000/988=2.03A

根据《爆破安全规程(GB6722-2014)》规定直流电起爆流经每个雷管的电流不小于2A，符合要求，本网络可以起爆。正洞下台阶爆破设计中，雷管数目远小于正洞上台阶数目，更可以起爆，此处不作计算。

3.3.2 起爆方法

采用毫秒电雷管起爆炸药，防爆起爆器起爆电雷管。

从实际施工看，按本文确定的施工开挖方法、爆破设计参数和炮孔布置及起爆方式，能够满足高瓦斯隧道安全施工要求。采用目前确定的爆破控制技术能够保证经改装后施工机械设备安全使用，同时满足施工要求围岩稳定，为类似工程提供了一个全新的思路。

4 结论

(1) 在建高瓦斯兴隆坪隧道地质条件较为复杂，必须结合工程实际情况，确定出合理循环进尺、炸药单耗、孔网参数以及起爆方法等才能保证工程施工顺利。

(2) 确定合理爆破控制技术，不仅可以解决洞内高瓦斯燃烧或者爆炸保证工程安全进行，同时也能保证施工机械设备安全使用。

(3) 参照文中爆破控制技术，能够有效解决这类高瓦斯隧道安全施工，为类似工程提供了较好的借鉴经验。

[1] 郝俊锁, 沈殿臣, 王会军. 梅岭关瓦斯隧道施工技术[J]. 现代隧道技术，2011(2):141-144.

[2] 张俊波. 铁路隧道施工技术研究[J]. 黑龙江交通科技，2012(1):75-76.

[3] 张平祥. 宝峰隧道下穿既有线铁路隧道施工技术[J]. 广州建筑，2012(5):24-28.

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[5] 姚旭君. 成简快速路龙泉山2#高瓦斯公路隧道爆破施工技术[J]. 四川水力发电，2010(S1):14-16.

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杨延勇(1980～)，男，高级工程师，从事隧道与地下工程施工技术与管理工作。

U456.3+3

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[定稿日期]2015-12-02