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隧洞鉆爆開挖施工工藝如何優化

發布時間:2019-03-13   |  所屬分類:建筑設計:論文發表  |  瀏覽:  |  加入收藏

  這篇論文主要介紹的是隧洞鉆爆開挖施工工藝如何優化的相關內容,本文作者就是通過對隧洞鉆爆開挖的內容做出詳細的闡述與介紹,特推薦這篇優秀的文章供相關人士參考。

隧洞鉆爆開挖施工工藝如何優化

  關鍵詞:隧洞;炮孔;優化施工;效率

  1概述

  杭州市第二水源千島湖配水工程施工16標位于浙江省杭州市余杭境內,其隧洞工程包括:桐村輸水主洞,全長3221m,其中砼襯段2921m,鋼襯段300m,襯后洞徑6.7米,設計配水量為38.8m3/s,斷面呈馬蹄形;桐村輸水支洞全長544m,襯后洞徑6.7m,斷面呈城門洞形;九溪、余杭方向輸水隧洞全長約350m,其中鋼管段100m;江南方向輸水隧洞全長約300m,其中鋼管段約72m。桐村輸水主洞上游及桐村支洞為制約項目工期的關鍵線路。桐村輸水主洞巖性為砂巖、泥質砂巖及泥巖,工程地質條件較差,圍巖類別一般為Ⅲ~Ⅳ類,屬局部穩定性差~不穩定,部分洞段斷裂構造發育,圍巖類別為Ⅳ~Ⅴ類。桐村輸水支洞巖性為中細粒砂巖夾粉砂巖,洞身段上覆巖體厚度薄,巖體完整性一般,巖性較軟,且其產狀與洞線交角較小,圍巖多為Ⅳ類,穩定性差。

  2影響隧洞掘進工作的因素分析

  隧洞施工相較于其他作業面來說,作業環境封閉,空間狹小,對施工人員、機械的作業空間限制較大,空氣流通性差。因此,若要提高隧洞施工的工作效率需分析影響隧洞施工效率的因素。列舉如下:①供水、供氣、供電系統的排管布線:隧洞空間狹小,各種供給系統的排管布線均受到很大限制。因此,設計合理的排管布線將有利于保證隧洞各工序的順利進行,大大減少因供給系統維修導致的工期延誤。②鉆孔:鉆孔質量及孔間距將直接影響后面爆破作業炸藥的效力,掘進面的平整度甚至超欠挖的產生。因此鉆孔是影響隧洞掘進施工的關鍵因素。③爆破:炸藥的用量,引爆的方式,雷管段別的選擇等都會影響爆破作業的質量,而爆破作業質量的好壞則會直接關系到整個隧洞施工能否順利進行。因此,爆破是影響隧洞掘進施工的核心因素。④排煙:隧洞施工作業面封閉,空氣流通性差。對洞內的排煙一方面關系到洞內施工人員的職業健康,另一方面也關系到爆破完成后能否及時開始出渣工作。因此,排煙是影響隧洞掘進施工的重要因素。⑤出渣:隧洞工作空間狹窄,這很大程度上影響了出渣的效率,合理的比選出渣設備及運輸車輛可最大限度的提高出渣效率,同時出渣完成后的全面排危工作也是洞內施工人員安全的保障。因此,出渣也是隧洞掘進施工時應認真考慮的因素。⑥支護:隧洞施工作業環境特殊存在較大安全風險,而支護則是為其余所有工序工作提供安全工作環境的有力保障。因此,支護工作是影響隧洞掘進的安全因素。根據項目實際情況,隧洞風水電供給系統、出渣、支護工序均能基本滿足隧洞掘進施工需求。本文將重點對鉆孔、爆破對隧洞掘進施工的影響展開研究探討。

  3鉆孔作業優化分析

  炮孔的成型質量受炮孔定位技術、鉆孔設備、鉆孔工作人員熟練程度等因素影響,是順利實施爆破作業的基礎。以制約項目工期的關鍵線路———桐村輸水主洞上游為例,為減小炮孔殘孔率,提高炸藥利用率,減少不必要的鉆孔以節約單循環時間或避免因鉆孔數不夠造成欠挖等現象,本文分別對不同炮孔的孔數、孔深、孔間距進行優化分析。3.1掏槽方式的選擇及布孔隧洞開挖爆破研究發現,增加掘進掌子面上掏槽面積將大大提高鉆孔利用率。增加掏槽面積可以創造更大的掏槽空腔臨空面,無論是掏槽環向面積還是掏槽深度都將進一步擴展。這將有利于崩落孔、輔助孔在隨后起爆時克服環向和孔底巖石的夾制作用。同時,經現場研究發現,掏槽面積越大,爆破成本也會隨之越高,據此,建議掏槽面積占隧洞開挖斷面面積的3.5-10%。根據現場實際情況并綜合考慮成本、作業時間、更有利于控制進尺等因素,決定采用內外雙排孔楔形掏槽,不設中心掏槽孔。內掏槽孔孔深2.3m,每排4個,孔間距0.5m,與掌子面夾角80°,兩側內掏槽孔排距1.6m;外掏槽孔孔深2.8m,每排5個,孔間距0.5m,與掌子面夾角80°,兩側外掏槽孔排距2.2m;內、外掏槽排距0.3m,呈對稱分布。除此之外,為保證掏槽的爆破效果,在掌子面中心軸線上位于掏槽區域的頂部、底部各加1個掏槽孔。3.2炮孔數量優化設計炮孔數量與循環時間、掘進效率、施工成本均有密切關聯。炮孔數量過少易造成欠挖,巖石碎塊過大影響掘進效率及其他工序耗時;炮孔數量過多會降低炸藥利用率,增加施工成本,增加鉆孔耗時,降低掘進速度。為克服上述問題,經現場實地調研后,對炮孔數量設計進行了如下優化:N=q·s/(r·n);q—每立方米炸藥消耗量kg/m3,q=0.8-1.4kg/m3;Ⅲ類圍巖單耗取0.9kg/m3;s—隧洞開挖面積m2,s=52.86m2;n—炮眼裝藥系數(裝藥深度與炮眼深度的比值),n=0.55;r—每米長度炸藥的重量kg/m,取r=0.88;得出,N=98(個)。為保證掏槽效果,增加兩個加強掏槽孔,再增加兩個周邊孔減小孔間距,即炮孔總數N=102(個),炮孔布置如圖2所示。3.3炮孔深度優化設計鉆孔時隨炮孔的深入,巖石的節理、層理、硬度均有可能發生變化,進而可能造成卡鉆、偏離等問題,可見鉆孔作業時鉆桿不是勻速深入的。加之若炮孔較深時,鉆桿會發生搖動,在造成能量損失的同時也會對炮孔的精準度造成不利影響。研究人員對現場鉆孔作業的單位距離耗時統計如表1.根據現場統計可大致得出,隨著鉆孔深度增加,鉆孔深度每增加1m耗時增加約60%。考慮到炮孔過長會增加掘進循環時間,降低鉆孔利用率,增加施工成本。經研究人員現場反復試驗論證后得出,若現場作業時間按24小時不間斷考慮,Ⅲ類圍巖鉆孔深度為2.5m較為合理。3.4炮孔間距優化設計合理的炮孔間距能有助于爆破相鄰孔產生的應力波相互作用將爆破區域的巖石從基巖剝離出去。當炮孔間距過大時,相鄰孔的應力波之間不能產生相互作用,易導致孔間巖石不能完全震裂、剝離,產生欠挖;當孔間距過小時,相鄰孔的應力波之間會相互消耗導致能量浪費增加施工成本。根據國內外施工經驗,隧洞爆破周邊孔間距一般為E=(8~18)d(E為孔間距,d為炮眼直徑),該炮眼直徑為d=42mm,考慮到巖石硬度f為6~8,設計取E=70cm。周邊孔密集系數K=E/W,其中E為周邊孔間距,W為周邊孔最小抵抗線。為保證光爆效果,必須保證應力波在相鄰兩炮孔間的傳播距離小于應力波至臨空面的傳播距離,即E

  4爆破作業優化分析

  爆破作業的質量、成本控制主要受炸藥選擇、裝藥量、起爆網絡設計、雷管段別選擇、炮孔堵塞長度等因素影響。4.1炸藥選擇一般情況下,炸藥的選擇應根據巖石的波阻抗來確定。研究發現,當炸藥波阻抗與巖石波阻抗阻擋比值在0.5-2時,同等條件下炸藥傳遞給巖石的能量最多,引起巖石應變最大,對巖石的粉碎破壞最徹底。資料顯示,當巖石堅固系數f=6-9時,巖石波阻抗為(10~14)×106kg/(m2·s),而2#巖石乳化炸藥密度為1.05-1.25g/cm3,爆速為3500-5000m/s,炸藥波阻抗為(3.68~6.25)×106kg/(m2·s),滿足要求。4.2炸藥裝藥量計算裝藥時采用不耦合裝藥,不耦合系數n=d1/d2=1.2~2.0。d1—炮孔直徑,d2—炸藥直徑。裝藥系數η=0.45~0.6,巖石硬度大時取大值,反之取小值。單孔裝藥量計算公式:q=η×L×r,η—裝藥系數,L—孔深m,r—每米炸藥重量kg/m,得出不同炮孔的單孔裝藥量:4.3雷管的選擇及起爆網絡設計為保證爆破安全性,起爆選擇非電導爆管雷管,且單詞起爆的排數不得超過3排,孔內分別使用ms—3,ms—4,ms—5,ms—6,ms—7,ms—8,ms—9,ms—10,ms—11,ms—12段雷管。孔外使用ms—5非電導爆管雷管延期,采用四通和導爆管連接整個爆破網絡,采用爆破專用發爆器起爆。逐排單孔按順序起爆。隧洞洞身開挖爆破的依次起爆為:掏槽孔→輔助孔→崩落孔→周邊孔→底孔。爆破網絡采用簇聯形式。隧洞口至進洞50m段是容易產生爆破飛石部位,也是控制爆破震動的重點部位。爆破時,應控制齊發炮孔少于11個,最大單響藥量控制在15kg以內。4.4炮孔堵塞炮孔堵塞質量是在爆破施工中經常被忽視的一個重要的能影響爆破質量的因素。正確的炮孔堵塞能加強孔內炸藥化學反應的效率,且有效減少孔口飛石,降低孔口沖擊波強度,延緩孔內的爆炸產生氣體的作用時長,進而提高炸藥能量利用率,提高爆破質量。炮孔堵塞質量需從堵塞材料和堵塞長度兩方面控制:①堵塞材料:選用最優含水率的砂壤土為宜,制成長度200mm直徑適宜的土卷;②堵塞長度:在控制炮孔堵塞長度時應根據炮孔類別,巖石硬度,炸藥猛度等多方面綜合考慮。由于掏槽孔在爆破時為第一個引爆,其臨空面只有掌子面;崩落孔,輔助孔,周邊孔引爆時除掌子面外還有上一個段別引爆炮孔產生的又一臨空面,因此,掏槽孔是爆破難度最大的炮孔,堵塞質量要求也最高。除此之外,巖石硬度越大,所需堵塞長度也越大。因此,結合現場施工經驗,掏槽孔堵塞長度選擇60-80cm為宜,崩落孔、輔助孔堵塞長度選擇60cm為宜,光爆孔堵塞長度選擇40-50cm為宜。③堵塞質量:每個炮孔內堵塞的特制土卷必須用炮棍逐個搗實。4.5優化前后的對比經現場實地調研,優化前每循環耗藥量約155.06kg,優化后每循環耗藥量約101.77kg,有效降低了施工成本。

  5結語

  隧洞施工因空間受限往往會導致各工序銜接不緊密,造成工作效率低下。但只要能結合現場實際情況,找出問題關鍵點,完善施工工藝,優化施工設計,從細節把控好施工質量,則可顯著提升施工效率,創造出良好的經濟效益和社會效益。

  參考文獻:

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  作者:林茂青 單位:中國電建市政建設集團有限公司


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