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.... 1 1.2 隧道开挖施工概述 .................................. 31.2.1 露天开挖 ............................................. 5 1.2.2 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖 ............................. 5 1.2.3 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖 ............................. 5 1.2.4 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖 ....................... 62 露天开挖 ............................................... 7 2.1 露天开挖的推进形式 ................................ 7 2.2 露天开挖中的台阶爆破 .............................. 82.2.1 爆破参数 ............................................. 8 2.2.2 装药结构及爆破网路 .................................. 103 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖 .............................. 13 3.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 ....................... 133.1.1 开挖毛断面 .......................................... 13 3.1.2 毛断面分部开挖范围划分 .............................. 133.2 双侧壁导坑法开挖施工简述 ......................... 14 3.3 侧壁导坑开挖施工 ................................. 153.3.1 施工准备 ............................................ 15 3.3.2 爆破参数 ............................................ 16 3.3.3 炮孔装药结构 ........................................ 21 3.3.5 爆破网路 ............................................ 22I 肖家山隧道开挖爆破设计目录3.4 上台阶开挖施工 ................................... 23 3.5 下台阶开挖施工 ................................... 25 4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖 .............................. 27 4.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 ....................... 27 4.2 导坑开挖施工 ..................................... 284.2.1 爆破参数 ............................................ 29 4.2.2 爆破网路 ............................................ 304.3 上台阶开挖施工 ................................... 31 5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖 ........................ 33 5.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 ....................... 33 5.2 环形开挖留核心土法施工简述 ....................... 345.2.1 开挖参数 ............................................ 34 5.2.2 施工工序简述 ........................................ 355.3 上部环形土开挖爆破工艺 ........................... 355.3.1 爆破参数 ............................................ 35 5.3.2 炮眼布置 ............................................ 37 5.3.3 炮孔装药结构 ........................................ 38 5.3.4 爆破网路连接及其起爆 ................................ 395.4 下部环形土开挖爆破工艺 ........................... 40 5.5 上部核心土与下部台阶开挖爆破工艺 ................. 42 6 总结与建议 ............................................ 44 6.1 本设计要点总结 ................................... 446.1.1 内容回顾 ............................................ 44II 肖家山隧道开挖爆破设计目录6.1.2 相关说明 ............................................ 446.2 相关建议 ......................................... 456.2.1 爆破震动监测 ........................................ 45 6.2.2 施工中异常现象应对措施 .............................. 45附图 1 附图 2 附图 3III 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述1 概述本设计以中铁第四勘察设计院集团有限公司的《肖家山隧道设 计》说明书及相关图纸(2008 年 11 月) (以下称《设计》 )作为原始 资料,依据隧道设计标准及相关规定,对隧道的开挖做出设计说明。 1.1 隧道设计要点 据《设计》说明,肖家山隧道全长 172m;隧道进口隧线分界里 程 DK12+502,进口里程 DK12+510,明暗分界里程 DK12+525;隧道出 口里程 DK12+682,出口隧线分界里程 DK12+690。 隧道内采用有砟轨道,轨道结构高度为 76.6cm,左线内轨顶面 标高=路肩设计标高+0.922。隧道全程直线,隧道内设单面下坡,坡 度为-5‰。 隧道进口端出洞方向为上坡, 洞外路垫侧沟做成 2‰反坡, 并在洞门外 1~2.0m 处设横向截水盲沟一道,以拦截洞外水流入隧 道。隧道内设双侧救援通道,采用双侧水沟排水,每侧一沟两槽,隧 道内前进方向的左侧设Z电力电缆槽及通信、信号电缆合槽,右侧设 信号电缆槽及通信电缆槽。 隧道进出口里程处轨下结构预留与刚性路 基衔接设Z变形缝的条件。 《设计》指出,为确保施工顺利进行,在 进行暗洞开挖前,对洞口衬砌外的边仰坡进行锚喷(网)加固,然后 开挖进洞。具体设计要点详见《设计》及其相关图纸。 《设计》 推荐, 隧道进口至 DK12+525 采用明挖法开挖; DK12+525 至 DK12+555 采用双侧壁导坑法开挖;DK12+555 至 DK12+650 采用环 形开挖留核心土法开挖;DK12+650 至隧道出口采用双侧壁导坑法开 挖。本设计遵循《设计》所推荐的开挖法。 按《铁路隧道设计规范》 (TB1) ,本隧道围岩所在地 层分Ⅳ级、 Ⅴ级两种。 其中 DK12+545 至 DK12+660 之间属于Ⅳ级围岩, 其余属于Ⅴ级围岩。 《设计》对不同围岩级别的隧道段,采用不同的 临时支护方式和衬砌厚度。 图 1-1 至 1-3 为各隧道段的断面形状及结 构。1 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述图 1-1 明洞衬砌图 1-2 Ⅴ级偏压衬砌2 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述图 1-3 Ⅳ级加强衬砌1.2 隧道开挖施工概述 对于隧道开挖施工,首先需要说明的是,为了施工过程的安全及 隧道日后使用过程的稳定性,尽可能不采用爆破的方式进行开挖掘 进,避免保留围岩受爆破震动损伤,影响整体稳定性。 前已述及,在不同围岩级别的隧道段中,设计采用的临时支护方 式及衬砌厚度有所差别,且在不同级别的围岩中,预留变形量也不尽 相同(图 1-1 至 1-3 所示的断面未考虑预留变形量) 。这导致了在不 同级别的围岩中,隧道的开挖毛断面有所不同。同时, 《设计》对不 同的隧道段,推荐使用不同的开挖法。因此,在隧道的现场掘进中, 就产生了多种具体的隧道开挖方式。 如图 1-4 所示。根据围岩的不同级别和推荐的不同开挖法,将具 体开挖方式分成以下四类, 每一类具体开挖方式的现场施工后续内容 详细说明。3 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述高程 60 地表轮廓线 全风化带里程DK12+545隧线分界里程DK12+502隧道进口里程DK12+510明暗分界里程DK12+525里程DK12+555里程DK12+650里程DK12+660岩层风化带分界线隧道出口里程DK12+68250强风化带40弱风化带30九江方向 Ⅴ级隧道 Ⅳ级 Ⅴ级庐山方向围岩级别: 20 推荐开挖方式: 10 明挖法 (15m)双侧壁导坑法 (30m)环形开挖留核心土法 (95m) Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖 (开挖长度95m)双侧壁导坑法 (32m) 露天开挖 (开挖长度须进 一步测量而定) Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖 (开挖长度22m)露天开挖 具体开挖方式: (开挖长度约50m)Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖 (开挖长度10m) (开挖长度20m)Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖 (开挖长度10m)图 1-4 肖家山隧道具体开挖方式说明图4隧线分界里程DK12+690 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述1.2.1 露天开挖 (1)适用范围 隧道进口段,从表土剥离至明暗分界线(里程 DK12+525) ,开挖 长度约 50m;隧道出口段,从表土剥离至隧道出口(里程 DK12+682) , 开挖长度须经进一步测量而定。 (2)初拟施工方法 按图 1-1 所示的断面,以台阶方式向前推进,两旁及前方边坡坡 角控制在设计范围内。 1.2.2 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖 (1)适用范围 隧道进口段,从明暗分界线(里程 DK12+525)至Ⅴ级围岩与Ⅳ 级围岩交界(里程 DK12+545) ,开挖长度 20m;隧道出口段,从隧道 出口 (里程 DK12+682) 至Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩交界 (里程 DK12+660) , 开挖长度 22m。 (2)初拟施工方法 按图 1-2 所示的隧道断面,考虑一定预留变形量,确定隧道开挖 毛断面,并对断面划分分部开挖范围。采用双侧壁导坑法对隧道断面 分部开挖。 1.2.3 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖 (1)适用范围 隧道进口段,从Ⅴ级围岩与Ⅳ级围岩交界(里程 DK12+545)至 两种暗洞开挖法交界(里程 DK12+555) ,开挖长度 10m;隧道出口段, 从Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩交界(里程 DK12+660)至两种暗洞开挖法交 界(里程 DK12+650) ,开挖长度 10m。 (2)初拟施工方法 按图 1-3 所示的隧道断面,考虑一定预留变形量,确定隧道开挖5 肖家山隧道开挖爆破设计1 概述毛断面,并对断面划分分部开挖范围。采用双侧壁导坑法对隧道断面 分部开挖。 1.2.4 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖 (1)适用范围 《设计》推荐的环形开挖留核心土法所在的隧道段,里程范围为 DK12+555 至 DK12+650,开挖长度 95m。 (2)初拟施工方法 按图 1-3 所示的隧道断面,考虑一定预留变形量,确定隧道开挖 毛断面,并对断面划分分部开挖范围。采用环形开挖留核心土法对隧 道断面分部开挖。6 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖2 露天开挖《设计》中,有如下工程地质:剥蚀丘坡,自然坡度较陡,表层 为 Qel+dl 黏土,厚约 0.5~3m,下伏志留系下统粉砂岩,褐黄色间褐红 色, 全弱风化, 围岩以强风化层为主。 由此可知近地表岩层强度较低, 可用挖掘机械直接开挖部分表土。 在前述露天开挖适用范围内,对于表土和风化破碎软岩,可用挖 掘机开挖;遇较硬岩石,若岩体整体性差,块状分明,可对个别大块 实施钻孔装药爆破方式,使其破碎至较小块度,便于搬运;若岩体整 体性较好,机械无法直接挖掘,采用普通露天台阶爆破方式开挖。 2.1 露天开挖的推进形式 无论是采用机械挖掘还是露天台阶爆破, 露天开挖都应遵循一定 的推进形式,以在开挖中形成特定的边坡形式,确保边坡稳定,保证 施工过程的安全。 《设计》中,明挖部分永久边坡坡度大都为 1:0.75,可取露天 开挖的推进边坡平均坡度为 1: 0.75。 下面以隧道进口露天开挖为例, 叙述露天开挖的推进形式。 如图 2-1 为隧道进口开挖境界, 即隧道进口开挖到如图所示的边 坡后,应对边坡进行永久加固,开始施工暗洞部分。边坡台阶高度 6m,台阶平面宽度 3.5m,台阶坡角 81°(选择台阶高度为 6m 的目的 是:当开挖到达明暗交界时,恰有一 6m 高的台阶作为暗洞施工的平 台,可在台阶上施工暗洞管棚钻孔、对隧道顶板进行超前注浆等;小 型挖掘机的工作宽度约为 3.5m,选择 3.5m 作为台阶宽度,便于小型 挖掘机辅助边坡开挖) 。图中正视图所示的开挖线可作为露天开挖的 推进边坡。Ⅱ-Ⅱ剖面是边坡正前方的台阶形式。 隧道出口的露天开挖与进口的露天开挖相似, 不同点不过是出口 段的边坡左边高于右边。 隧道出口段的露天开挖所取的边坡参数与进 口段相同。7 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖图 2-1 露天开挖边坡示意图2.2 露天开挖中的台阶爆破 按设计台阶剥离表土,出露风化岩石,若岩石硬度较大,且整体 性较好, 挖掘机难以施工。 应采用普通台阶爆破方式对边坡进行开挖。 2.2.1 爆破参数 (1)底盘抵抗线 W1 W1 常取 0.4~1.0 倍台阶高度 H,这里取 W1=0.5H=3m。台阶不高, 打垂直中深孔。根据坡角及台阶高度,可算得外排钻孔口到台阶边缘8 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖的距离为 2m。 (2)钻孔直径 d 钻孔直径与现场施工的钻孔机械相关,参照相关工程数据,在台 阶高度为 6m 时,一般取钻孔直径 d=76mm(若无匹配钻机和钻头,可 取 70~80mm 之间的孔径也可满足要求) 。 (3)炮孔深度 L 和超深 h 超深 h 一般取台阶高度 H 的 10%~15%。由于岩石硬度不高,本 设计取 h=10%H=0.6m。 炮孔深度为台阶高度与超深深度之和,即 L=6.6m。 (4)炮孔间距 a 常取 a=(1.0~2.0)W1,这里取 a=1.0W1=3m。 (5)炮孔排距 b 常取 b=(0.8~0.9)a,这里取 b=2.5m。 (6)炸药单耗 q 炸药单耗 q 与岩石坚固性系数 f 有关,如下表所示。表 2-1 中深孔台阶爆破单位炸药消耗量 q 值 f q/kg?m? 0.8~2 0.40 3~4 0.43 5 0.46 6 0.50 8 0.53 10 0.56 12 0.60 14 0.64 16 0.67 20 0.70本设计所开挖岩石属于强风化岩体,坚固性系数较小,属于表中 0.8~2 一列,故取 q=0.40kg/m3。 (7)每孔装药量 Q 单排孔爆破或多排孔爆破的第一排孔的每孔装药量按下式计算: Q=q〃a〃W1〃H 将数据代入上式得第一排孔每孔装药量 Q=21.6kg。 多排孔爆破时,从第二排孔起,以后各排孔的每孔装药量按下式 计算: Q=k〃q〃a〃b〃H k 为考虑受前面各排孔的岩石阻力作用的增加系数,常取 1.1~9 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖1.2 ,这里取 1.1 。将数据带入上式得,非第一排炮孔每孔装药量 Q=19.8kg。 (8)炮孔填塞长度 l 炮孔填塞长度应大于最小抵抗线,以避免炮轰压力从孔口冲出, 形成“冲天炮” 。根据底盘抵抗线及台阶形状,可计算出第一排炮孔 最小抵抗线约为 2.6m。取填塞长度 l=2.8m 将以上爆破参数进行汇总,如表 2-2 所示。表 2-2 爆破参数表 参数项目 底盘抵抗线 W1 孔径 d 孔深 L 孔距 a 排距 b 单耗 q 第一排炮孔单孔装药量 Q 非首排炮孔单孔装药量 Q 填塞长度 l 单位 m mm m m m kg?m? kg kg m 数值 3 76 6.6 3 2.5 0.4 21.6 19.8 2.8 备注2.2.2 装药结构及爆破网路 (1)炮孔装药结构 为保证爆炸网路安全起爆,炮孔起爆雷管应尽可能装在孔内,且 均用双雷管起爆。由于炮孔深部不大,故可不在孔内敷设导爆索,避 免爆炸产生更大声响。 假设所用炸药密度为 1.2g/cm3(如散装乳化炸药) ,根据孔径大 小,可计算出:21.6kg 炸药的装药长度为 4m,19.8kg 炸药的装药长 度为 3.6m。两种装药长度与堵塞长度之和,恰好均接近炮孔长度, 故炮孔采用连续装药结构。可用散装乳化炸药。由于乳化炸药较为钝 感,故设计在孔内装入起爆弹,起爆弹用双导爆管雷管起爆。图 2-210 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖为炮孔装药结构示意图。图 2-2 炮孔装药结构图(2)爆破网路及其起爆 爆破网路采用非电起爆方式。如图 2-3 所示。炮孔内双导爆管雷 管加起爆弹起爆,每个炮孔引出两根导爆管。一个爆区的所有导爆管 (称一级导爆管)捆扎在两发搭桥雷管上[若爆区引出的导爆管数太 多(在 40 根以上时) ,应适当增加搭桥雷管数],将各爆区的搭桥雷 管的导爆管(称二级导爆管)捆扎在总起爆雷管上,总起爆雷管引出 导爆管到达避炮点,用激发枪或其它起爆器(如高压脉冲起爆器等, 2009 年起,国家明令禁止使用火雷管,故不采用火雷管起爆)引爆 爆破网路。 依据相关干扰降震研究成果,当微差起爆时间间隔在 50~70ms, 即两个雷管段位时间间隔时, 前后两次爆炸引起的爆轰波峰值能够很 好的错开,实现波峰与波谷的叠加,从而减小爆破震动,有效降低爆 破对保留边坡的损伤。因此,本设计的爆破网路(包括后续部分的爆 破网路)微差间隔定位 50ms,即前后两次爆炸的微差时间为两个毫 秒雷管段位。此外,爆破网路中,除了总起爆雷管外,其它起爆雷管 均不许使用即发雷管。11 肖家山隧道开挖爆破设计2 露天开挖图 2-3 爆破网路示意图12 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖3.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 3.1.1 开挖毛断面 《设计》中的相关图纸的隧道断面尺寸均为考虑预留变形量,如 图 1-2 所示的 V 级偏压衬砌为未考虑预留变形量情况下的断面尺寸。 根据相关预留变形量的规定,在Ⅴ级围岩中,隧道开挖毛断面应考虑 10~15cm 的预留变形量。本设计考虑 13cm 预留变形量,得如图 3-1 所示的开挖毛断面。 3.1.2 毛断面分部开挖范围划分 (1)断面分布开挖原则 依据隧道施工方法,当隧道采用双侧壁导坑法开挖时,将断面分 成 4 块,即左、右侧壁导坑 1、上台阶 2 和下台阶 3。如图 3-1 所示。 导坑尺寸拟定的原则是,导坑宽度不宜超过断面最大跨度的 1/3,高 度以到起拱线为宜,这样,导坑可分二次开挖和支护,不需要架设工 作平台, 人工架立钢支撑也较方便。 导坑与台阶的距离没有硬性规定, 但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则。 (2)分部开挖结果 本设计取导坑宽度为断面最大跨度的 1/3,即导坑宽度为 1442 ×1/3=480.67cm,取 480cm。 导坑高度定为 804cm,导坑顶点为起拱线。 用光滑弧线将导坑顶点、最大宽度点及底点连接起来,便得到导 坑的断面形状。 断面上下台阶高度的划分没有硬性规定,一般情况下,上台阶的 高度应形成合适的工作高度空间,方便工作人员站在下台阶上施工。 本设计取上台阶高度为 540cm,下台阶高度 704cm。 隧道开挖毛断面分部开挖划分结果如图 3-1 所示。13 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖图 3-1 隧道开挖毛断面及其分部开挖划分3.2 双侧壁导坑法开挖施工简述 一般情况下,双侧壁导坑法中左右两导坑不能同时开挖,避免围 岩应力重分布过于严重, 导致围岩失稳垮塌。 左右导坑通常错开开挖, 以避免在同一断面上同时开挖不利于围岩稳定, 错开的距离应根据开 挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导 坑的原则确定,亦可工程类比确定,一般取 7~10m。本设计定左右 导坑开挖错开距离为 10m,先开挖左导坑,后开挖右导坑。 根据双侧壁导坑开挖法常用施工顺序, 将本设计导坑法作业顺序 作如下叙述: (1)明洞开挖完毕后,对暗洞部分进行管棚施工; (2)对即将开挖的导坑进行超前加固(如小导管超前注浆等) ;14 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖(3)开挖左侧导坑,及时将其初期支护闭合; (4)相隔 10m 后开挖右侧导坑,将其初期支护闭合; (5)开挖上台阶,施作拱部初期支护,拱脚支承在两侧壁导坑 的初期支护上; (6)开挖下台阶,施作底部初期支护,使初期支护全断面闭合; (7)拆除导坑临空部分的初期支护; (8)待隧道周边变形基本稳定后,施作二次模注混凝土衬砌。 3.3 侧壁导坑开挖施工 为减小施工对围岩整体稳定性的影响, 隧道的开挖施工尽可能不 采用爆破方式。 施工中可用风镐等破岩机械进行开挖, 遇到坚硬岩体, 机械无法直接开挖,才考虑使用爆破法。下面仅叙述用爆破法开挖的 施工方法,对机械开挖不做叙述。 爆破采用“掏槽眼+辅助眼+周边眼”光面爆破。 3.3.1 施工准备 在进行暗洞开挖之前,除了按《设计》说明对隧道顶拱进行管棚 施工外,还应对导坑断面四壁进行超前加固。 参照相关资料, Ⅴ级围岩有如下工程地质条件: ①工程地质特征: 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内, 裂隙乱杂, 呈石夹土或土夹石状; 结构特征和完整状态:呈角(砾)碎(石)状松散结构。②工程地质 特征: 一般第四系的半干硬~硬塑的黏性土, 及稍湿至潮湿的一般碎、 卵石土,圆砾及黄土(Q3,Q4) ;结构特征和完整状态:非黏性土呈松 散结构;黏性土及黄土呈松软结构。 Ⅴ级围岩开挖中围岩易坍塌,处理不当会出现大坍塌,侧壁经常 小坍塌,浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表。 由Ⅴ级围岩的特征可知,本设计隧道所在的岩层性质极差,开挖 后围岩不能自稳。由于《设计》中未说明如何对导坑四壁进行超前加15 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖固,故在对导坑进行开挖之前,应沿着导坑断面打入小导管,对导坑 围岩进行超前加固,待确定加固效果后方可开始凿岩爆破工作。 3.3.2 爆破参数 (1)孔径 d 及药卷规格 隧道掘进钻孔常用普通气腿子凿岩机,钻头直径 38mm,钻孔直 径 d=40mm。 对于孔径 40mm,常用普通 2#岩石硝铵炸药,采用标准型药卷规 格:直径φ35mm、长度 165mm、质量 150g、密度 0.95g/cm3。 (2)孔深 l 一般气腿子凿岩机所打钻孔长度在 3m 以下,考虑到Ⅴ级岩层的 稳固性问题,应控制一次爆破进尺。本设计定一次爆破进尺 L=2m, 若炮眼利用率为 95%,则钻孔深度 l=2.1m(掏槽眼除外) 。 (3)周边眼钻孔参数 周边眼采用光面爆破,应采用“多打眼,少装药”的方式,甚至 应对周边眼采用更小孔径、更小药卷爆破的方式。为避免现场更换钻 孔设备造成钻孔作业时间延长,本设计周边眼孔径与普通眼相同, d=40mm。 对一般铁路隧道光面爆破来说, 周边炮眼的孔间距 E 一般为 (8~ 18)d,这里取 E=50cm。由孔距可初步确定周边眼 39 个,其中底眼 9 个,帮眼及顶眼 30 个。 (4)掏槽类型 隧道开挖爆破掏槽类型分斜眼掏槽和直孔掏槽。 斜眼掏槽又分单 向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽等类型。其中楔形掏槽爆力比较集中, 爆破效果好,掏出的槽子体积较大,可以适应各种不同坚固程度的岩 层。本设计选用水平楔形掏槽。 楔形掏槽炮眼的对数, 视围岩类型而定。 一般Ⅰ类围岩掏槽眼 3~ 4 对,Ⅱ类围岩 3 对,Ⅲ类围岩 2~3 对,Ⅳ类及以后各类围岩 2 对 或 1 对。 楔形掏槽还必须注意岩石情况的变化以及各对炮眼的倾斜角16 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖度。眼底距离和每对炮眼与另一对炮眼的距离详见表 3-1。表 3-1 楔形掏槽的炮眼布置参考数据 f值 2~4 4~6 6~8 8~10 10~12 炮眼倾斜角度α 75°~80° 70°~80° 65°~75° 60°~70° 55°~65° 每对炮眼与另一对炮 眼之间的距离(m) 0.60~0.80 0.50~0.60 0.40~0.50 0.30~0.40 0.20~0.30 眼底距离(m) 0.30 0.30~0.25 0.25~0.20 0.20~0.15 0.05~0.10参考表 3-1 数据,取 f=2~4 一行,炮眼倾斜角度α=80°,每对 炮眼与另一对炮眼之间的距离 0.80m,眼底距离 0.30m。布Z两对掏 槽眼。掏槽眼底通常超出普通炮眼 10cm~20cm,取 15cm。 根据上述掏槽眼参数,可确定掏槽眼孔口距为 110cm。 (5)炸药单耗量 q q 值主要受岩石的抗爆破性、断面进尺比 S/L、临空面的数目、 炮眼布Z形式、掏槽效果等因素的影响。一般而言,岩石的完整性系 数 f 值越大,q 值越大;断面进尺比 S/L 越大,q 值越大;临空面越 多,q 值越小;炮眼布Z不当或掏槽效果不佳,q 值增大。 隧道爆破中实际采用的 q 值通常在 0.7~2.5kg/m3 之间,表 3-2 是断面面积为 4~20 O的隧道爆破开挖的 q 值表。20 O以上的大断 面,其参数参照有关工程实例选取。表 3-2 隧道爆破炸药单耗量 q(单位:kg/m ) 爆破 条件 4~6 O 硝铵 炸药 1.50 1.80 2.30 2.90 62%胶 质炸药 1.10 1.30 1.70 2.10 7~9 O 硝铵 炸药 1.30 1.60 2.00 2.5017310~12 O 硝铵 炸药 1.20 1.50 1.80 2.25 62%胶 质炸药 0.90 1.10 1.35 1.7013~15 O 硝铵 炸药 1.20~ 1.10 1.40 1.70 2.1016~20 O 硝铵 炸药 1.10 1.30 1.60 2.00岩石 条件62%胶 质炸药 1.00 1.25 1.60 2.50岩 石 等 级软岩 f&3 次坚岩 f=3~6 坚石 f=6~10 特坚石 f&10 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖经计算,隧道导坑断面面积约为 29 O。上表数据不能直接参考, 但从表中数据可以看出,随着断面面积的增大,单耗逐渐降低。参照 相关工程经验数据,本设计可取炸药单耗 q=0.8kg/m3。 (6)一次爆破炸药量 Q Q 为炸药单耗 q 与一次爆破进尺的体积 V 之积。V 为断面积 S 与 进尺长度 L 之积,V=S〃L=29×2=58m3;Q=q〃V=0.8×58=46.4kg。 (6)单孔装药量 Q 单及其孔数 不同围岩下的不同炮眼装药系数如下表所示。表 3-3 装药系数值 围岩 级别 炮眼名称 掏槽眼、底眼 辅助眼 周边眼 0.65~0.80 0.55~0.70 0.60~0.75 0.60 0.5 0.55 0.55 0.45 0.45 0.5 0.4 0.4 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅴ、Ⅵ参考表中最后一列数据。掏槽眼长 2.3m,装药系数 0.5,则装药 长度为 1150mm,装 7 卷药,装药量 Q 单=1.05kg。掏槽眼四个,掏槽 区总装药量为 4.2kg。 底眼及周边眼均采用光面爆破,其装药系数不能取表中值,应根 据相关工程数据取值。软岩中的光面爆破孔,工程上常取线装药密度 为 0.13~0.18kg/m。对于周边眼,由于前面确定的光面炮孔孔距(约 50cm)较小,故取较小的线装药密度,取 0.15kg/m,由此可算出周 边眼单孔装药量为 0.315kg, 取两卷药卷重量 0.3kg。 周边眼数 30 个, 故周边眼总装药量为 9kg。对于底眼,由于其爆破过程要克服上部爆 破崩落的岩石重力,故应取较大的线装药密度,取 0.18kg/m,由此 算出底眼单孔装药量为 0.378kg,取两卷半药重量 0.375kg。底眼数 9 个,故底眼总装药量为 3.375kg。 辅助眼长度 2.1m,装药系数为 0.4,可算出装药长度为 840mm, 可 装 5 卷 炸 药 , 则 单 孔 装 药 量 为 0.75kg 。 辅 助 眼 装 药 总 量 为 46.4-4.2-3.375-9=29.825kg。可算出辅助眼数为 39.8,取整数 40。18 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖于是可算出一次爆破药量为 46.575kg,即 310.5 卷炸药。 将以上各类爆破参数进行汇总,并列出其它未确定的爆破参数, 如表 3-4 所示。表 3-4 爆破参数汇总表 序号 1 所用 炸药 药卷 参数 参数项目 孔径 d 直径φ 长度 重量 密度ρ 掏槽眼 3 炮孔 深度 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 4 炮孔 与断 面夹 角 装药 系数 / 单孔 装药 量 炮眼 数 / 总装 药量 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 辅助眼 周边眼 底眼 2 单位 mm mm mm g g/cm m m m m3数值 40 35 165 150 0.95 2.3 2.1 2.12 2.12 80° 90° 82° 82° 0.5/1.05kg 0.4/0.75kg 0.4/0.3kg 0.5/0.375kg 4/4.2kg 33/30kg 30/9kg 9/3.375kg 0.95备注 气腿子凿岩机,φ 38 钻头所用炸药为普通 2#岩石硝铵炸药比辅助眼超深 15cm两种炮眼孔口距轮廓线 15cm, 孔底落在轮廓线外 15cm每孔 7 条标准卷药 每孔 5 条标准卷药 每孔 2 条标准卷药 每孔 2.5 条标准卷药567 8 9 10炮眼利用率η 一次爆破进尺 开挖断面面积 一次爆破药量 m m22 29 46.57519kg相当于 310.5 条标准药卷 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖根据上述确定的钻孔数,将钻孔合理布Z于开挖断面中,如下图 所示。掏 槽 中 心 线45上 台 阶5050507515756575507055 557065Ⅰ5070110 30Ⅰ9023隧 道 中 心 线505050755030756575444477059757565505050657550505050单位:cm470周边眼孔底超 掏槽眼超深15cm 出开挖轮廓15cm 设 计 开 挖 轮 廓 周边眼 辅助眼3050上 台 阶底眼5075505041757550110炮眼 超深 10cm 一次爆破 进尺200cm° 80° 82掏槽眼辅助眼Ⅰ-Ⅰ周边孔口距离 开挖轮廓15cm图 3-2 导坑断面炮眼布置示意图20 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖3.3.3 炮孔装药结构 (1)掏槽眼 掏槽眼长 2300mm,孔口堵塞长度 400mm,装 7 条药卷,装药长度 1156mm,间隔长度 744mm。孔底装四卷炸药,间隔 744mm,再装三卷 炸药, 孔口堵 400mm 炮泥。 孔内敷设导爆索, 起爆雷管反向装于孔底。 图 3-3(a)所示。 (2)辅助眼 辅助眼长 2100mm,孔口堵塞长度 400mm,装 5 条药卷,装药长度 825mm,间隔长度 875mm。孔底装三卷炸药,间隔 875mm,再装二卷炸 药,孔口堵 400mm 炮泥。孔内敷设导爆索,起爆雷管反向装于孔底。 图 3-3(b)所示。 (3)周边眼 周边眼采用光面爆破,炸药应尽可能均匀分布在炮孔内。周边眼 长 2120mm,孔口堵塞长度 400mm,装 2 条药卷,装药长度 330mm,间 隔长度 1390mm,分三个间隔段,每段间隔 463mm。炸药分四节装,每 节为半卷炸药。 孔内敷设导爆索, 起爆雷管反向装于孔底。 图 3-3 (c) 所示。 (4)底眼 底眼与周边眼一样采用光面爆破, 炸药应尽可能均匀分布在炮孔 内。周边眼长 2120mm,孔口堵塞长度 400mm,装 2.5 条药卷,装药长 度 412.5mm,间隔长度 1307.5mm,分三个间隔段,每段间隔 436mm。 炸药分四节装,孔底一条药卷,后面三节每节为半条药卷。孔内敷设 导爆索,起爆雷管反向装于孔底。图 3-3(d)所示。 应该说明的是,上述设计的间隔长度在施工中不必精确,取大概 数值即可。但实际施工中将炸药均匀分布在炮孔内是很有必要的,这 样能使爆炸能较为均匀地作用在炮孔壁上,爆破效果更佳。建议在施 工前准备大量的长度为 400mm 左右的细竹筒, 用于装药中将孔内各节 炸药隔开。21 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖炮泥400mm3条标准药卷间隔长度744mm4条标准药卷导爆管 孔内敷设的导爆索引出 孔外,与同响炮孔的导 爆索搭接(下同)起爆雷管(1发)(a)掏槽眼2条药卷 间隔长度875mm 3条标准药卷(b)辅助眼半条药卷 半条药卷 半条药卷 间隔长度463mm 间隔长度463mm 半条药卷 间隔长度463mm(c)周边眼半条药卷 间隔436mm 半条药卷 间隔436mm 半条药卷 间隔436mm 1条药卷(d)底眼说明:在现场装药施工过程中,孔内的间隔长度不必如图中精确。但将炸药均匀分布在炮孔 中是很有必要的。具体施工过程中,在进场装药之前,建议准备大量的长度为400mm 左右的细竹筒,用作孔内间隔。掏槽眼与辅助眼的间隔可用两节竹筒,周边眼与底眼 的间隔可用一节竹筒。图 3-3 炮孔装药结构示意图3.3.5 爆破网路 爆破网路采用非电复式起爆方式。 每个炮孔的起爆雷管均反向装 于孔底的药包中。孔底以上的药包由敷设于炮孔壁的导爆索引爆。由 于每个炮孔仅装一发起爆雷管,为确保所有炮孔都能安全起爆,连接 爆破网路时,尽可能将同段炮孔引出的导爆索搭接在一起(图示仅表 现为两两搭接) 。如此一来,导爆索搭接在一起的同段炮孔中,只要 有一个炮孔能安全起爆,其余孔便有可能被搭接的导爆索引爆,确保 网路安全起爆。同时,仅用一发雷管可大大降低了起爆器材消耗。 所有炮孔的起爆先后顺序均由孔底起爆雷管的段位决定。 起爆雷 管的导爆管脚线引出孔外,分三扎捆扎于搭桥雷管上。搭桥雷管的导 爆管再捆扎在总起爆雷管上,总起爆雷管导爆管脚线引出隧道外,直 达避炮点,用激发枪或其它起爆器起爆爆破网路。图 3-4 所示。22 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖从炮孔引出的导爆管 (称一级导爆管)23根 15 15 15 15 15 15 15 11 11 11 11 11 7 11 7 11 11 13 13 13 13 13 13 9 9 11 11 13 13 7 9 7 9 11 13 11 13 7 7 3 5 7 3 5 1 1 3 5 5 3 7 1 1 3 3 7 9 9 7 5 3 3 5 11 5 11 11 11 11 11 11 24根导爆管 导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆) 两发搭桥雷管(1段) 9 9 9 两发搭桥雷管(1段) 15 15 15 7 15 11 5 11 11 36根导爆管 两发搭桥雷管(1段) 雷管说明:①图中如‘ ’表示同 段炮孔导爆索搭接; ②图中炮孔旁边数字代表起爆雷 管段位; ③为确保每个炮孔安全起爆,尽量 将同段炮孔的导爆索搭接在一起; ④注意雷管搭桥要反接。图 3-4 爆破网路连线示意图一次爆破炮孔数 83 个,爆破后对工作面进行通风,通风完毕可 进行出渣工作,然后立即对导坑进行临时支护。支护完毕便可进入下 一个进尺循环。左导坑掘进 10m 后,用同样方法施工右导坑。右导坑 的布孔与左导坑关于隧道中心线对称, 炮孔装药结构及爆破网路与左 导坑完全相同。 左右导坑施工完毕后, 可开始对上台阶进行开挖施工。 3.4 上台阶开挖施工 上台阶开挖施工开挖方式与导坑开挖类似。 由于岩层性质与导坑 一模一样,故所选爆破参数与导坑完全相同。 (1)采用楔形掏槽,掏槽孔两对,掏槽孔孔口距 110cm,孔底 距 30m,与断面夹角 80°,孔深 2.3m。掏槽眼布Z与开挖面中心。 (2) 周边眼及底眼采用光面爆破, 孔距 50cm, 最小抵抗线 65cm;23 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖辅助眼最小抵抗线 70cm,孔距 75cm。根据实际情况做出适当调整。 如图 3-5 所示。665034758070702707065701515505057575050掏槽眼超深15cm 设 计 开 挖 轮 廓30炮眼 超深 10cm50底眼65505075757575侧帮眼 (为保护导坑临时支架,不打斜孔)说明:①图中标准单位为cm; ②采用水平楔形掏槽,掏槽眼2对,掏槽眼孔口距110cm,孔底距30cm,与断面夹角80°,孔深2.3m; 2对掏槽孔距离0.8m; ③周边眼及底眼采用光面爆破,孔距50cm,最小抵抗线65cm;周边眼孔口距开挖轮廓15cm,孔底落在 轮廓线外15cm;为保护导坑临时支架,侧壁周边眼打垂直孔; ④辅助眼最小抵抗线70cm,孔距75cm; ⑤全断面炮眼数121,其中掏槽眼4个,辅助眼63个,周边眼41个,底眼13个。一次爆破进尺2m,装药 、 量68.625kg,合457.5条标准药卷。(3)周边眼及底眼孔口距离开挖轮廓 15cm,孔底落在轮廓线外 15cm。 与导坑爆破参数不同的是, 由于开挖轮廓侧壁是导坑临时支架, 故侧壁的周边眼打直孔,避免爆破损及导坑支架。 (4)掏槽眼单孔装药量 1.05kg(7 卷炸药) ,总装药量 4.2kg; 辅助眼孔数 63,单孔装药量 0.75kg(5 卷炸药) ,总装药量 47.25kg; 周边眼孔数 41,单孔装药量 0.3kg(2 卷炸药) ,总装药量 12.3kg; 底眼孔数 13, 单孔装药量 0.375kg (2.5 卷炸药) , 总装药量 4.875kg。24156530751107575707530 95 14075755070Ⅰ75504975 75 75897658755894505150一次爆破 进尺200cm80 °辅助眼 周边孔口距离 开挖轮廓15cm110掏槽眼Ⅰ-Ⅰ图 3-5 上台阶开挖炮眼布置示意图 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖断面一次爆破进尺 2m,总炮孔数 121,总装药量 68.625kg(457.5 条 标准药卷) 。炮孔装药结构与导坑开挖炮孔相同,如图 3-3 所示。 (5)爆坡网路连接方式与导坑开挖爆破相同。如图 3-6 所示。15 15 15 15 15 15 15 9 7 9 13 来自炮孔的导爆管 (一级导爆管) 13 9 7 7 15 9 15 13 9 13 13 9 7 5 9 15 71515 715 7 5 315 5 315 5 31515 7 5 315 71515 15 7 15 15 9 15 9 7 5 9 7 7 7 9 9 9 13 13 13 13 9 13 15 15 15 15 9 13 15 13755 5 71 5 5 5 7 7 11 11 5 11 11 3 3 3 3 11 1 3 3 3 5 11 11 7 11 557 11 1113 9 13 1111两发搭桥雷管(1段) 2根导爆管(二级导爆管)两发搭桥雷管(1段) 2根导爆管(二级导爆管) 导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆)说明:①图中炮孔旁边数字代表起爆雷管段位; ②为确保每个炮孔安全起爆,尽量将同段炮孔的导爆索搭接在一起; ③注意雷管搭桥要反接。图 3-6 上台阶开挖爆破网路连线示意图3.5 下台阶开挖施工 上台阶向前推进一定距离后可开始施工下台阶。 下台阶断面接近 梯形,自由面较多,开挖条件好,可用风镐等机械进行开挖。若岩石 较为坚硬,可用爆破法开挖。 用爆破法开挖时,为减小爆破震动,不应采用类似于露天台阶爆 破的中深孔爆破,应采用浅孔爆破。打眼时,可在导坑内向台阶打水 平浅孔,孔深以孔底距离另一导坑壁 30cm 为宜,若铅杆长度不满足 要求,可在两边导坑内同时进行凿岩作业。为使爆破形成弧形底板, 方便施工仰拱,打最下部的炮眼时,钻杆可与水平面形成约 15°角, 以打出合适的下向眼。 炮 眼 孔 距 1m , 排 距 0.8m , 炸 药 单 耗 取 普 通 台 阶 爆 破 单 耗25 肖家山隧道开挖爆破设计3 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖q=0.40kg/m3,炮孔平均线装药密度为 0.3kg/m,即当炮眼长度为 2m 时,可装 4 条标准药卷,炮眼长度每增加 0.5m,便可多装一卷炸药。 爆破抛掷朝隧道口方向, 最小抵抗线及最上部的炮孔距离台阶面的距 离,取与排距一致,0.8m。 爆破网路连接可与导坑及上台阶爆破网路相同, 由于下台阶自由 面较多,爆破条件好,爆破工艺简单,这里不作详细介绍,现场具体 施工可根据现场实际情况打眼爆破。26 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖本节与上节的设计内容相似,都采用双侧壁导坑法开挖,施工工 序一样,一次爆破进尺等相关参数的选择均与上节相同,本节不再赘 述。 本节与上节的不同点,在于隧道所穿过的岩层级别不同。本节设 计的隧道段属于Ⅳ级围岩, 稳定性条件由于上节Ⅴ级围岩, 故 《设计》 推荐隧道开挖的预支护厚度和开挖预留变形量不同, 从而导致隧道实 际开挖中毛断面的差别。本节对不同于上节内容的部分:包括断面分 布开挖划分、导坑断面的炮眼布Z及其爆破、上台阶断面炮眼布Z及 其爆破等内容做重点设计;而对与上节相同或相似的内容,如爆破参 数的选择、 爆破网路连接以及下台阶的开挖施工等内容, 仅一笔带过, 不再重复叙述。 4.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 《设计》说明,如图 1-3 所示的Ⅳ级加强衬砌为未考虑预留变形 量情况下的断面尺寸。根据相关预留变形量的规定,在Ⅳ级围岩中, 隧道开挖毛断面应考虑 8~10cm 的预留变形量。 本设计考虑 9cm 预留 变形量,得如图 4-1 所示的开挖毛断面。 按照隧道施工断面分部开挖范围划分原则, 取导坑宽度为隧道毛 断面跨度的 1/3,即 =469.3cm,取 460cm。 导坑高度定为 770cm,导坑顶点为起拱线。 用光滑弧线将导坑顶点、最大宽度点及底点连接起来,便得到导 坑的断面形状。 断面上下台阶高度的划分没有硬性规定,一般情况下,上台阶的 高度应形成合适的工作高度空间,方便工作人员站在下台阶上施工。 本设计取上台阶高度为 518cm,下台阶高度 681cm。上下台阶分界线 恰好过隧道顶拱半径与导坑圆弧轮廓线的交点。 隧道开挖毛断面分部开挖划分结果如图 4-1 所示。27 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖图 4-1 隧道开挖毛断面及其分部开挖划分4.2 导坑开挖施工 参考铁路隧道围岩稳定性资料,Ⅳ级围岩有如下工程地质条件: ①硬质岩,Rc&30MPa,受地质构造运动影响很严重,节理很发育,层 状软弱面或已基本破坏, 呈碎石状压碎结构; ②软质岩, Rc=5~30MPa, 受地质构造运动影响严重,节理发育,呈块、碎(石)状镶嵌结构; ③土: a 略具压密或成岩作用的黏性土及砂类土, 呈大块状压密结构; b 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土,呈大块压密结构; c 黄土(Q1,Q2) ,呈巨块状整体结构。 由上述围岩特征可知,Ⅳ级围岩自稳性很差,开挖施工仍需超前 支护,同时应慎重选择开挖进尺和作业工序。本节设计各类开挖参数 与上节相同。仅对采用爆破法开挖时的爆破参数做出微量修正。28 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖4.2.1 爆破参数 (1)采用楔形掏槽,掏槽孔 2 对,掏槽孔孔口距 110cm,孔底 距 30m,与断面夹角 80°,孔深 2.3m。 (2) 周边眼及底眼采用光面爆破, 孔距 50cm, 最小抵抗线 65cm; 辅助眼最小抵抗线 70cm,孔距 75cm。图 4-2 为断面炮孔布Z图。掏 槽 中 心 线 隧 道 中 心 线 上 台 阶36 5 0502950155771756965Ⅰ 2015659975757580掏槽中心线Ⅰ60801075755170757075下 台 阶50底眼 477单位:cm 掏槽眼超深15cm 30 设 计 开 挖 轮 廓 周边眼 辅助眼周边眼孔底超 出开挖轮廓15cm炮眼 超深 10cm° 80110 掏槽眼 Ⅰ-Ⅰ 辅助眼一次爆破 进尺200cm周边孔口距离 开挖轮廓15cm图 4-2 导坑断面炮眼布置示意图2949575757575755047° 82 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖(3)周边眼及底眼孔口距离开挖轮廓 15cm,孔底落在轮廓线外 15cm。 (4)掏槽眼单孔装药量 1.05kg(7 卷炸药) ,总装药量 4.2kg; 辅助眼孔数 34,单孔装药量 0.75kg(5 卷炸药) ,总装药量 25.5kg; 周边眼孔数 28,单孔装药量 0.3kg(2 卷炸药) ,总装药量 8.4kg;底 眼孔数 10,单孔装药量 0.375kg(2.5 卷炸药) ,总装药量 3.75kg。 断面一次爆破进尺 2m,总炮孔数 76,总装药量 41.85kg(279 条标准 药卷) 。 4.2.2 爆破网路 炮孔装药结构与导坑开挖炮孔相同,可参照图 3-3。爆破网路连 线方式与上节相同,如下图所示。从炮孔引出的导爆管 (称一级导爆管) 13 13 13 7 7 5 9 9 9 9 9 9 9 9 11 11 9 11 11 11 11 9 11 5 7 7 7 7 9 11 11 7 11 3 5 3 5 5 7 9 9 导爆管 两发搭桥雷管(1段) 3 5 1 1 3 5 5 3 5 1 3 1 3 5 5 3 5 5 13 13 13 9 9 9 9 9 9 导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆) 导爆管 两发搭桥雷管(1段) 雷管 两发搭桥雷管(1段)13 13 13 13 7 13 13 7说明:①图中炮孔旁数字代表该炮孔起爆雷管段位; ②实际连线中,应将同段炮孔的导爆索搭接起来。图 4-3 导坑炮孔起爆雷管段位说明图30 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖4.3 上台阶开挖施工 上台阶开挖施工可参照上节相关介绍。 下面用图 4-4 与图 4-5 来 说明爆破开挖中的爆破参数及爆破网路的连接。隧 道 中 心 线506263Ⅰ150掏槽 中心线14 57070707075 7575 75底眼156560 15 507565221550上台阶断面炮孔布置图掏槽眼超深15cm 30 炮眼超深10cm设 计 开 挖 轮 廓 侧帮眼 (为保护导坑临时支架,不打斜孔)一次爆破 进尺200cm° 80110 掏槽眼辅助眼 周边孔口距离 开挖轮廓15cmⅠ-Ⅰ说明:①图中标准单位为cm; ②采用水平楔形掏槽,掏槽眼2对,掏槽眼孔口距110cm,孔底距30cm,与断面夹角80°,孔深2.3m; 2对掏槽孔距离0.8m; ③周边眼及底眼采用光面爆破,孔距50cm,最小抵抗线65cm;周边眼孔口距开挖轮廓15cm,孔底落在 轮廓线外15cm;为保护导坑临时支架,侧壁周边眼打垂直孔; ④辅助眼最小抵抗线70cm,孔距75cm; ⑤全断面炮眼数119,其中掏槽眼4个,辅助眼60个,周边眼41个,底眼14个。一次爆破进尺2m,装药 、 量66.75kg,合445条标准药卷。图 4-4 上台阶爆破法开挖施工炮孔布置图31250157062757575757575757575Ⅰ4950751775 2975887550 肖家山隧道开挖爆破设计4 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖17 17 17 17 17 17 17 15 17 15 11 15 11 15 15 11 11 9 9 1717 917 71717 17 5 3 3 3 1 1 51717 17 5 5 3 1 1 3 5 5 13 317 71717 917 17 17 11 17 11 9 17 17 11 11 11 15 15 17 17 17 15 1511 7355 7 5 7 55 7 5 799 11 15 11 15 13 99 5 5 13 3 5 13 13 3 7 7 13 13 9 13 9 11 159 7 13 13 1315 11 13 15来自炮孔的导爆管 (一级导爆管)两发搭桥雷管(1段) 2根导爆管(二级导爆管)两发搭桥雷管(1段) 2根导爆管(二级导爆管) 导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆)说明:①图中炮孔旁数字代表起爆雷管段位;②为确保每个炮孔安全起爆,尽量将同段炮孔的导爆索搭接在一起; ③连线过程注意雷管搭桥要反接。图 4-5 上台阶爆破法开挖施工爆破网路连线示意图32 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖5.1 开挖毛断面及其分部开挖划分 隧道所在围岩级别为Ⅳ级,与上节属于同一级别,开挖毛断面如 图 4-1 所示。 本范围内的隧道, 《设计》推荐采用环形开挖留核心土法开挖。 如图 5-1 所示,该法是将断面分成环形拱部(图中的 1,2,3) 、上 部核心土(4) 、下部台阶(5)等三部分。根据断面的大小,环形拱 部又可分成几块交替开挖。 本设计隧道跨度较宽,高度较大,上部环形开挖应分多层台阶开 挖。本设计将环形开挖分层两层台阶,上部环形开挖土 1 高度取为一 般隧道开挖所需的作业空间高度,3.0m。下部环形分左右 2、3 两部 分,宽度约 2.5m,高 6.4m。其余部分的参数参照相关资料综合选定。 断面分布开挖范围划分如下图所示。图 5-1 环形开挖留核心土法断面分部图33 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖5.2 环形开挖留核心土法施工简述 5.2.1 开挖参数 (1)进尺 《设计》内容显示,管棚施工仅覆盖于Ⅴ级围岩的隧道段,在Ⅳ 级围岩中并未设计相关的预支护措施。若不进行预支护,在自稳性较 差的围岩中开挖施工,环形开挖进尺一般为 0.5~1m。为能加长开挖 进尺,减少扰动次数,在开挖前,应采用超前导管注浆或其它超前加 固措施,改善围岩结构,之后开始开挖施工。 若用爆破法开挖,采用浅眼爆破,钻机可打 2m 左右炮眼。若定 进尺太短,开挖中将耗大量时间用于钻机开眼上,为此,定进尺长度 为 1.5m,有效利用钻机性能。 预支护长度应比进尺超前 1m 以上,进尺定为 1.5m,则在开挖之 前,应超前加固 2.5m。 (2)台阶长度 上部核心土 4 和下台阶 5 的距离, 公路隧道或双线铁路隧道可为 1 倍洞宽,单线路线隧道可为 2 倍洞宽。本设计取 15m。 环形开挖土 1、2、3 可比上部核心土 4 超前 1 倍洞宽,取 15m。 上部环形开挖土 1 可比下部环形开挖土 2、3 超前 0.5 倍洞宽, 取 7.5m。下图所示。1 2、3上部环形比下部环形超前7.5m下部环形比上部核心土超前7.5m4上部核心土比下台阶超前15m7.5m7.5m15m5图 5-2 开挖步距图34 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖5.2.2 施工工序简述 如下为本设计环形开挖留核心土法开挖施工工序: (1)采用超前小导管注浆或其它预支护方式,加固前方围岩; (2)开挖环形土,每个进尺开挖完毕立即进行初期支护,如架 立钢支撑、打锚杆、喷混凝土等; (3)在拱部初期支护的保护下,开挖上部核心土; (4)挖掘下台阶,随时接长钢支撑,施作边墙初期支护并封底; (5)根据初期支护的变形情况适时施作二次模筑混凝土衬砌。 在隧道开挖施工中, 应尽量避免使用爆破法开挖, 以免扰动围岩, 若条件允许,可使用人工或单臂掘进机开挖。本设计人工或机械开挖 施工不做详述,下面仅介绍爆破开挖工艺。 5.3 上部环形土开挖爆破工艺 5.3.1 爆破参数 (1)孔径 d 取普通气腿子凿岩机孔径,d=40mm。 (2)孔深 l 进尺 L=1.5m,若炮眼利用率为 95%,则钻孔深度 l=1.6m。 (3)光面爆破钻孔参数 周边眼及底眼采用光面爆破,孔径与普通眼相同,d=40mm。 光面爆破孔间距 E=50cm。钻孔口距开挖轮廓 15m,孔底落在开挖 轮廓外 15cm。由孔距可初步确定周边眼 30 个,其中底眼 9 个,帮眼 及顶眼 21 个。 (4)掏槽类型 采用水平楔形掏槽。布Z 2 对掏槽孔,参照表 3-1 数据。相对于 侧壁导坑断面,本断面面积较小(面积为 14.7m2) ,取掏槽眼孔底距 0.3m,与断面夹角 79°,掏槽眼超深 15cm,由此可计算出掏槽眼长 1.8m,孔口距为 50cm。取两对掏槽眼之间的距离为 0.6m。35 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖(5)炸药单耗 q 参照表 3-2 数据,开挖断面面积为 14.7m2,由于Ⅳ级围岩坚固系 数降低,且较接近地表,风化严重,应取较小的炸药单耗值 q=1.10kg/m3。由此可初步计算出一次爆破所用药量为 24.25kg。 (6)单孔装药量 参照表 3-3。掏槽眼装药系数 0.5,炮眼长度 1.8m,则装药长度 为 900mm,装 5.5 卷药,单孔装药量 0.825kg。掏槽眼数 4 个,掏槽 眼总装药量 3.3kg。 周边眼采用光面爆破,装药线密度取 0.15kg/m,炮孔深度 1.6m, 单孔装药量 0.24kg,取 1.5 条药卷重量 0.225kg,炮孔数 21 个,总 装药量 4.725kg。 底眼采用光面爆破,由于要克服上部崩落的岩石重力,线装药密 度取较大值。0.18kg/m,炮孔深度 1.6m,单孔装药量 0.288kg,取两 卷炸药重量 0.3kg。底眼数 9 个,底眼总装药量 2.7kg。 辅助眼长 1.6m,装药系数 0.4,则装药长度为 640mm,可装 4 卷 药,单孔装药量 0.6kg。按照初步计算出的一次爆破总药量,可算出 辅助眼总装药量 24.25-3.3-4.725-2.7=13.525kg。由此可算出辅助 眼数为 22。在断面中布Z辅助眼,经过调整,取辅助眼数为 20。于 是 可 确 定 辅 助 眼 总 装 药 量 为 12kg , 一 次 爆 破 总 装 药 量 调 整 为 22.725kg,合 151.5 条标准药卷,爆破炸药但是实值为 1.03kg/m3。 将以上确定的爆破参数进行汇总,如下表所示。表中部分数据为 参考相关资料所得。表 5-1 爆破参数汇总表 序号 1 所用 炸药 药卷 参数 参数项目 孔径 d 直径φ 长度 重量 密度ρ 2 单位 mm mm mm g g/cm3数值 40 35 165 150 0.9536备注 气腿子凿岩机,φ 38 钻头所用炸药为普通 2#岩石硝铵炸药 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖续表 5-1 序号 参数项目 掏槽眼 3 炮孔 深度 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 4 炮孔 与断 面夹 角 装药 系数 / 单孔 装药 量 炮眼 数 / 总装 药量 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 辅助眼 周边眼 底眼 掏槽眼 辅助眼 周边眼 底眼 m 单位 m m m m 数值 1.8 1.6 1.6 1.6 79° 90° 79° 79° 0.5/0.825kg 0.4/0.6kg /0.225kg /0.3kg 4/3.3kg 20/12kg 21/4.725kg 9/2.7kg 0.3 0.95 m m2备注 比辅助眼超深 15cm两种炮眼孔口距轮廓线 15cm, 孔底落在轮廓线外 15cm每孔 5.5 条标准卷药 每孔 4 条标准卷药 每孔 1.5 条标准卷药 每孔 2 条标准卷药567 8 9 10 11 12炮眼堵塞长度 炮眼利用率η 一次爆破进尺 开挖断面面积 炸药单耗 一次爆破药量1.5 14.73kg/m kg1.03 22.725初步值为 1.10kg/m3相当于 151.5 条标准药卷5.3.2 炮眼布置 掏槽眼布Z于断面中心;掏槽区外布Z一圈辅助眼,孔距 70cm 左右,掏槽区附近布Z 6 个辅助眼用于加密,以扩大槽腔。周边眼距 离开挖轮廓线 15cm,采用光面爆破,孔距 50cm。光面爆破孔抵抗线 长度 65cm。炮眼布Z如图 5-3 所示。37 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖52 15 65 30 掏槽中心线 7050 50 50 70 67 29 60 70 54 50 50 50 150 50Ⅰ30 130 9015 657070底眼单位:cm 41 50 50 50周边眼孔底落在 掏槽眼超深15cm 开挖轮廓外15cm 设 计 开 挖 轮 廓30炮眼超深10cm 一次爆破 进尺150cm79°掏 槽 眼79° 100Ⅰ-Ⅰ周边孔口距离 开挖轮廓15cm图 5-3 上部环形开挖土断面炮眼布置图5.3.3 炮孔装药结构 (1)掏槽眼长 1800mm,装 5.5 卷药,装药长度 907.5mm,孔口 堵塞 300mm,间隔长度 592.5mm。 (2)辅助眼长 1600mm,装 4 卷药,装药长度 660mm,孔口堵塞 300mm,间隔长度 700mm。 (3)周边眼长 1600mm,装 1.5 卷药,装药长度 247.5mm,孔口 堵塞 300mm,间隔长度 1352.5mm,分两个间隔段,每段长 676.25mm。 (4) 底眼长 1600mm, 装 2 卷药, 装药长度 330mm, 孔口堵塞 300mm, 间隔长度 970mm,分两个间隔段,每段长 485mm。 (5)所有炮眼都采用间隔装药结构,炮孔内敷设导爆索,起爆38 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖雷管反向装于孔底药包中。下图为个炮孔装药结构图。炮泥300mm 2.5条药卷 间隔长度592.5mm 3条标准药卷导爆管 孔内敷设的导爆索引出 孔外,与同响炮孔的导 爆索搭接(下同)起爆雷管(1发)(a)掏槽眼2条药卷 间隔长度700mm 2条药卷炮泥300mm 炮泥300mm(b)辅助眼间隔长度676.25mm间隔长度676.25mm半条药卷 炮泥300mm半条药卷半条药卷(c)周边眼间隔长度485mm 间隔长度485mm半条药卷半条药卷1条药卷(d)底眼说明:在现场装药施工过程中,孔内的间隔长度不必如图中精确。但将 炸药均匀分布在炮孔中是很有必要的。具体施工过程中,在进场 装药之前,建议准备大量的长度为500~700mm左右的细竹筒,用 作孔内间隔。图 5-4 炮孔装药结构图5.3.4 爆破网路连接及其起爆 爆破网路采用非电复式起爆方式。 每个炮孔的起爆雷管均反向装 于孔底的药包中。孔底以上的药包由敷设于炮孔壁的导爆索引爆。为 确保所有炮孔都能安全起爆,连接爆破网路时,尽可能将同段炮孔引 出的导爆索搭接在一起。 所有炮孔的起爆先后顺序均由孔底起爆雷管的段位决定。 起爆雷 管的导爆管脚线引出孔外,捆扎于搭桥雷管上。搭桥雷管的导爆管再 捆扎在总起爆雷管上,总起爆雷管导爆管脚线引出隧道外,直达避炮 点,用激发枪或其它起爆器起爆爆破网路。图 5-5 所示。39 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖11 911 9 911 5 5 9 911 511 3 31111 11 3 1 111 3 3 311 511 5 511 9 9 911 91 13 3 5 7 7 33 7 7 73 75 7 9单位:cm 来自炮孔的导爆管 (一级导爆管) 两发搭桥雷管(1段) 两发搭桥雷管(1段) 2根导爆管(二级导爆管) 2根导爆管(二级导爆管) 导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆)说明:①图中炮孔旁数字代表起爆雷管段位;②为确保每个炮孔安全起爆,尽量将同段炮孔的导爆索搭接在一起; ③连线过程注意雷管搭桥要反接。图 5-5 爆破网路连线示意图5.4 下部环形土开挖爆破工艺 下部环形土开挖爆破参数与上部环形土一样。 左侧环形土与右侧 环形土炮孔布Z关于隧道中心线完全对称, 下面仅以左侧环形土的开 挖来说明下部环形土开挖爆破工艺。 下部环形土开挖,虽然断面是对称的,炮眼理应呈对称分布,但 考虑到施工中钻机钻孔作业的实际操作难以达到设计要求, 若采用非 水平非垂直掏槽方式,则钻机难以准确定位,影响炮眼施工质量,掏 槽效果反而更差,甚至会影响到整个断面的爆破效果。故依旧对断面 采用水平楔形掏槽方式, 掏槽孔参数与孔数跟上部环形土开挖的掏槽 参数一致。 下面用图 5-6 与图 5-7 来说明爆破开挖中的爆破参数及爆 破网路的连接。40 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖掏 槽 中 心 线5035 507062 6215 50 30隧 道 中 心 线70 30 70 50 掏槽中心线 123Ⅰ15 65 70 42 50 40 65 30 50 30 50 15 50 453 底眼 70 70 12 70 65开挖断面对称线281 58°设 计 开 挖 轮 廓 79°30掏槽眼超深15cm辅 助 眼掏 槽 眼79° 100一次爆破 进尺150cm周边孔口距离 说明: Ⅰ-Ⅰ 开挖轮廓15cm ①图中标准单位为cm; ②采用水平楔形掏槽,掏槽眼2对,掏槽眼孔口距100cm, 孔底距30cm,与断面夹角79°,孔深1.8m;2对掏槽孔 距离0.6m; ③周边眼及底眼采用光面爆破,孔距50cm,最小抵抗线 65cm;周边眼孔口距开挖轮廓15cm,孔底落在轮廓线 外15cm;为保护上部环形开挖的临时支护,下部环形 土与上部环形土的交界线周边眼打垂直孔; ④辅助眼最小抵抗线70cm,孔距70cm; ⑤全断面炮眼数58,其中掏槽眼4个,辅助眼21个,周边 眼28个,底眼6个。一次爆破进尺1.5m,装药量24kg, 合160条标准药卷。图 5-6 下部左侧环形开挖土断面炮孔布置图41 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖11 11 11 7 7 7 7 7 7 7 9 9 9 9 9 9 5 5 5 7 7 9 7 9 7 9 3 3 3 5 7 3 1 1 1 1 3 3 5 711 11 11 11 7 7 11从炮孔引出的导爆管 (称一级导爆管) 两发搭桥雷管(1段)11 7 5 3 3 5 5 5 7 5 雷管 7 导爆管 两发搭桥雷管(1段) 11导爆管导爆管(引出隧 道外到达避炮点 用起爆器起爆) 两发搭桥雷管(1段)说明:①图中炮孔旁数字代表该炮孔起爆雷管段位; ②实际连线中,应将同段炮孔的导爆索搭接起来。图 5-7 下部左侧环形开挖土爆破网路连线示意图5.5 上部核心土与下部台阶开挖爆破工艺 待环形土开挖完毕,拱顶与拱腰初期支护全部形成后,便可开始 开挖上部核心土与下部台阶。 上部核心土断面为等腰梯形,有 4 个自由面,开挖条件好。可在 台阶上打下向炮眼,或在侧面打水平眼,实施普通浅眼台阶爆破。其 爆破工艺与双侧壁导坑法开挖中的下台阶爆破一致,参见“3.5 下台 阶开挖施工”内容。这里不再赘述。 下部台阶有两个自由面,在上部核心土开挖完毕之后进行。可在 台阶上平面打下向眼, 爆破抛掷方向朝隧道口方向, 最小抵抗线 0.8m, 孔距 1m,排距 0.8m,炸药单耗 0.5kg/m3。为保护隧道侧壁围岩少受 爆破损伤, 侧壁孔采用光面爆破, 孔距 0.5m, 炮孔装药系数 0.15kg/m。42 肖家山隧道开挖爆破设计5 Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖下台阶爆破开挖法相关参数可根据现场具体情况做调整, 本设计不详 细说明。43 肖家山隧道开挖爆破设计6 总结与建议6 总结与建议6.1 本设计要点总结 6.1.1 内容回顾 本设计根据隧道所穿岩层所属的不同级别, 以及不同隧道段推荐 采用的开挖方法, 将隧道的开挖分成四种具体开挖方式, 即露天开挖、 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖、 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖和Ⅳ级围岩 环形开挖留核心土法开挖。对隧道的若干里程段,分别采用四种开挖 方式进行开挖。 每一种开挖方式的设计,从确定开挖毛断面入手,接着对断面进 行分部开挖划分; 简要介绍每个分部的开挖先后顺序以及两个分部开 挖之间的相关衔接工作。然后介绍每个分部开挖的爆破工艺,重点介 绍双侧壁导坑法中导坑的爆破开挖工艺, 和留核心土开挖法中环形土 的爆破开挖工艺;而对导坑法中台阶的开挖、留核心土法中核心土及 下台阶的开挖,由于开挖爆破工艺较为简单,故不做详细介绍。 6.1.2 相关说明 本设计本着尽量不用爆破法开挖的原则, 简单叙述每一种开挖方 式的作业工序。建议只要条件允许,应采用人工开挖、机械开挖或人 工与机械联合开挖,只有在迫不得已的情况才用爆破法开挖。 设计重点强调,无论采用何种开挖法,都应特别注意对围岩的超 前加固,在确定前方围岩稳固后方可在其中开挖隧道。 设计花大量篇幅用于介绍四种具体开挖方式的爆破工艺。 每一种 开挖方式的爆破参数,都参照多个工程实例综合确定。在爆破药量的 确定上,取值较为保守,即只要隧道能够爆开,就尽量取较少爆破药 量,避免多余爆炸能量作用在围岩上,对永久保留的围岩造成损伤。 开挖中若不得不使用爆破法, 则该采用本设计相关爆破参数对现 场进行布孔、装药和连线。为方便在现场中使用图纸指导施工,本设44 肖家山隧道开挖爆破设计6 总结与建议计特将 “Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖” 、 “Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖” 和“Ⅳ级围岩环形开挖留核心土法开挖”三种开挖法的断面尺寸及断 面布孔,按 1:100 的比例绘于图中,附在本设计之后。 6.2 相关建议 6.2.1 爆破震动监测 大量的研究资料强调,隧道掘进尽量不采用爆破法开挖,以避免 爆破震动对围岩的损伤,影响隧道日后的安全使用。若不得不采用爆 破法开挖,应对围岩进行详细勘察,提取围岩相关数据,参照相关工 程经验确定爆破参数,以确保炸药用量选择的合理性,避免药量过少 而隧道没有爆开,又避免药量过大而使多余爆炸能作用在围岩上。 本设计围岩资料较为粗糙, 只能参照相关资料与工程经验做出保 守的爆破指导方案,尽量控制段药量,避免过大的爆破震动。但隧道 围岩结构是极为复杂的,任何一个设计方案都无法完全符合现场实 际,故在现场施工中,工作人员可根据新了解的现场情况对方案做出 必要调整。为确保从现场提取的资料有所依据,同时也能更深入地了 解隧道围岩特征,以验算爆破设计的合理性或对设计参数进行修改, 本设计建议,在采用爆破法开挖时,应对爆破震动进行测试,监测围 岩受爆破震动的影响情况。 6.2.2 施工中异常现象应对措施 本设计所用的两种隧道开挖方法属于新奥法。 新奥法施工的基本 原则, 是根据围岩性质允许产生适当的变形, 但又不使围岩松动失稳。 在施工过程中,若对围岩性质判断不准或情况不明,或喷射混凝土、 打锚杆、挂钢筋网、立钢支撑的时间和方法有误,对围岩变形的控制 就会出现问题。此时,应根据观察和量测结果找出原因,进行改正。 但是, 许多场合不能明确原因, 因此只能针对所发生的现象采取措施。 根据实践经验, 将新奥法中经常出现的一些异常现象及应采取的措施45 肖家山隧道开挖爆破设计6 总结与建议列于表 6-1 中。望能对现场施工有借鉴意义,当然,表中只能列出大 致的工程措施,优先采用哪种措施应视每个隧道的围岩条件、施工方 法、变形状态等因素来综合判断。表 6-1 隧道施工异常现象的应付措施 施工中现象 净空位移量增大, 位移速度加快,围 岩出现不稳定状态 措施 A 1.缩短掘进长度; 2.向正面或隧底喷射混凝土,以封 闭支护; 措施 B 1.缩小开挖断面, 改变施工方法; 2.预支护围岩(打超前导管等) ; 3.必要时设置钢支撑; 1.加钢支撑; 立即施喷混凝土和打锚杆 2.预支护围岩; 3.改变施工方法; 1.加速混凝土硬化 (增加速凝剂等) 1.加强排水措施(井点降水等) ; 2.喷射混凝土前做好排水; 2.注浆止水;开挖面顶部出现掉 块开挖面出现滴水或 涌水量增加3.设置钢筋网, 或将钢筋网格加密; 3.改变施工方法; 1.加厚底脚处的喷射混凝土,增加 支撑面积; 2.尽快形成闭合支护; 1.缩短掘进长度; 2.预加固地层; 3.改变施工方法; 1.挂钢筋网; 2.打局部锚杆; 3.设置系统锚杆;地基承载力不足, 下沉量增大,或产 生底鼓 喷射混凝土层出现 明显裂缝、脱落甚 至塌落开挖后尽快喷射混凝土,并适当加 厚喷层,或封闭支护锚杆轴力增大,垫 层松弛或锚杆拉断1.增补锚杆(根数、直径、密度) ; 2.改变锚杆型号或类型(如将砂浆 锚杆改为中空锚杆) ;1.缩短掘进长度, 尽快闭合支护; 2.改变施工方法;注:A 指进行比较简单的改变就可解决问题的措施;B 指包括需要改变支护方法等比较 大的变动才能解决问题的措施。46
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