水平层状围岩隧道光面爆破效果分析Ξ
杨 峰1,陈咏泉2,王新明1,阳军生1
(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075;
2.常吉高速公路建设开发有限公司,湖南常德 415100)
摘 要:水平层状围岩中进行钻爆施工,层间存在软弱夹层,光面爆破效果较差,难以形成设计要求的拱形轮廓,渣堆中大块率高,超、欠挖现象严重。实践证明节理、软弱夹层在很大程度上影响了爆炸应力波以及爆生气体对岩石的作用,使光面爆破抵抗线以及岩石裂纹扩展方向发生变化,从而产生不规整的爆破轮廓线。本文从炸药破岩机理以及应力波通过节理、夹层传播规律来分析产生超、欠挖现象的原因,总结出一些有益的结论,以指导实际的施工。
关键词:爆破;应力波;水平层状围岩;夹层
中图分类号:U455.41 文献标识码:A
Analysis of Tunnel Smooth B lasting in H orianotal Layered R ockmass Y ANG Feng1,CHE N Y ong2quan2,W ANG X in2ming1,Y ANGJun2sheng1
(1.School o f Civil Engineering and Architecture,Central South Univer sity,Hunan Changsha,410075,China;
2.Construction and Exploitation Ltd.o f Chang-Ji Expressway,Hunan Changde,415100,China)
Abstract:The effert of sm ooth blasting is bad in case of blasting in horizontal layered rockmass with interlayer.I t is difficult to form arch contour and the v olume of big block is high,while excessive and deficient excavation is comm on.Prac2 tical experience has proved that joint and weak interlayer has in fluenced the function of blasting on rock to a great extent which is caused by blasting stress wave and gas.The direction of resisting line of sm ooth blasting and rock crack expanding has changed and the irregular contoar is produced.This paper analyzed the reas on of excessive and deficient excavation from the mechanism of rock blasting and the law of stress wave spreading through joint and interlayer.S ome helpful conclusions have been drawn to instruct the practical construction.
K eyw ords:blasting;stress wave;horizontal layered rockmass;interlayer
1 引言
目前钻爆法施工仍是山岭隧道施工的主要方法[1]。采用合理的钻爆工艺施工,不仅可以保证隧道开挖质量,同时能加快隧道施工进度。在进行钻爆设计时应综合考虑开挖方式、施工进度、施工机具以及围岩级别、地质构造等因素。同时在钻爆施工过程中,设计参数应根据地质情况的变化作适当的调整,以期获得最佳的爆破效果。
在结构完整、节理、裂隙不发育的围岩中进行光面爆破,爆破质量容易控制。然而实际中隧道围岩往往存在大量的裂隙、节理以及夹层,如湖南湘西地区普遍存在水平层状围岩,水平方向节理发育,在这种情况下进行光面爆破遇到了很大的困难,超爆现象时有发生。
本文在对现场光面爆破调查的基础上,通过分析水平层状围岩爆破效果,调整了爆破参数,用以指导爆破施工。
第1卷 第6期2005年12月
地下空间与工程学报
Chinese Journal of Underground S pace and Engineering
V ol.1
Dec.2005
Ξ收稿日期:2005208218(修改稿)
作者简介:杨 峰(19812),男,陕西人,硕士研究生,主要从事隧道与地下工程研究工作。
基金项目:湖南省交通科技项目(编号200436)。
2 水平层状岩体光面爆破实例分析
湖南省常吉高速公路雀儿溪隧道为分离式单向行车双线隧道。单洞净宽10.66m 、净高7.09m 。隧道左线全长1417m ,其中Ⅳ级围岩和Ⅲ级围岩分别为105m 和1312m ;右线长1351m ,其中Ⅳ级围岩和Ⅲ级围岩分别为83m 和1268m 。Ⅳ级围岩为强风化钙泥质粉砂岩,岩石破碎,节理、裂隙发育;Ⅲ级围岩为弱风化钙泥质砂岩和钙质砂岩互层,中厚层状,水平或接近水平分布,钙泥质砂岩为紫红色,遇水易软化;钙质砂岩灰色,紫灰色,岩质致密,强度较高。
按照前期施工图设计,对于Ⅲ级围岩,进行全
断面一次性开挖,开挖面积84m 2
,开挖进尺3m 。
钻眼采用Y T 27型风动凿岩机配合自制简易台车施工,钻眼直径42mm ,炸药采用2#岩石硝铵,有地下水地段为乳化甘油炸药,药卷直径分别为Ф25和Ф32。起爆方式为非电毫秒雷管起爆,火雷管引爆
。
图1 前期光面爆破典型断面
Fig.1 Cross section of sm ooth blasting at early stage
前期现场光面爆破主要参数,周边眼间距60
cm ,最小抵抗线75cm ,装药量0.2～0.3kg Πm ,装药结构采用连续装药,炮孔堵塞长度20cm 。前期光面爆破后的典型断面如图1,断面难以形成拱形轮廓,拱顶呈大面积平板状,拱腰处呈锯齿状,凹凸不平。边墙部位有个别欠挖。拱顶几乎看不到眼痕,只有在边墙处可见个别眼痕。爆破后渣堆中大块率高,大块表面由于爆破产生的新鲜岩面很少,多为节理裂隙所在的软弱面,上面有地下水侵入留下的纹理。个别大块是在清除危石的过程中从拱腰处滑落的,由此造成的超挖最为严重。清渣后可见掌子面围岩水平层理发育。竖向节理裂隙不甚发育,长短不一,在层间没有贯通。围岩为钙质砂岩
和泥质砂岩互层,层厚20～80cm 不等。局部存在软弱夹层以及较大的水平节理。有少量地下水从夹层渗出。
在层状围岩中进行光面爆破,节理、夹层影响了爆炸应力波以及爆生气体对岩石的作用,使光面爆破抵抗线以及岩石裂纹扩展方向发生变化,从而产生不规整的爆破轮廓线。
3 水平层状围岩光面爆破机理分析
目前的光面爆破理论认为周边眼连心线上应力波叠加产生的拉应力超过岩石抗拉强度,于是沿着连心线优先形成裂缝,随后爆生气体进一步使裂
缝扩展,从而形成规整的爆破轮廓[1,2]
。因此有必要讨论应力波和爆生气体在水平层状围岩中的作用规律。3.1 应力波通过节理、夹层的传播
应力波通过节理以及夹层时的传播规律是目前学术界的前沿课题。由于爆炸后应力波传播的复杂性以及节理、夹层本身的性质难以准确描述,因此较为深入的探讨此问题仍有很大困难。以下只是以平面弹性应力波在不同介质界面传播规律为基础,讨论了应力波在水平层状围岩光面爆破中的传播规律。
光面爆破周边眼采用不耦合装药结构时,爆炸后爆轰波激起的空气冲击波透射到炮眼壁后,可以认为沿径向传播的是柱面应力波。经过一段距离传播后,由于波阵面的扩大,可近似看作平面应力波,此时如果遇到节理、夹层等结构面,将发生复杂的透射、反射现象。如果应力波垂直于结构面入
射,而且结构面在应力波的作用下接触紧密,不发生滑动和分离。根据波阵面上的动量守恒条件和
位移连续条件,可以得到以下关系[2]
:
σ′1=F
σ(1)v ′1=-Fv 1
(2)σ2=T σ1
(3)v 2=(ρ0C 0)
ρ0C 0
Tv 1
(4)F =(ρ0C 0)2-(ρ0C 0)1
ρ0C 0)2+(ρ0C 0)1(5)T =
2(ρ0C 0)2(ρ0C 0)2+(ρ0C 0)1
(6)
其中σ′1和σ2分别为反射波和透射波的应力幅值,v ′1和v 2分别为反射波和透射波在所传播的介质
中引起的质点位移速度,v 1为应力波引起质点的
7
592005年第6期 杨 峰,等:水平层状围岩隧道光面爆破效果分析
初始位移速度,(ρ0C 0)1和(ρ0C 0)2分别为结构面两侧介质的波阻抗。F 和T 分别称为反射系数和透
射系数
。
图2 应力波反射示意图
Fig.2 Sketch drawing of stress wave reflection
显然,透射波和反射波的大小取决于结构面两侧岩石的波阻抗。而岩石的空隙率越低,完整性越
好,应力波速度越高,密度越大,其波阻抗(ρ0C 0)也越大。当应力波垂直结构面传播到层间结构面,如图2所示,泥质砂岩的波阻抗小于钙质砂岩的波阻
抗,即(ρ0C 0)2<(ρ0C 0)1,此时F <0,0 [4] 。 当应力波斜入射到结构面上,其传播方式会更加复杂,在结构面的两侧,将产生反射纵波、反射横波、透射纵波、透射横波等。各个应力波的大小和方向与岩石的弹性模量、泊松比以及应力波入射角有关。其共同作用使岩石受到压缩和剪切,而泥质 砂岩夹层抗压、抗剪强度很小,各种应力波的压缩和剪切作用使夹层发生塑性体积和形状变形,应力波能量进一步集中在夹层中耗散,从而应力波传播过程中的衰减更加迅速。 可见,夹层对应力波的传播起阻隔作用。对于隧道光面爆破而言,周边眼连心线上的应力波叠加受到影响。在拱顶,周边眼之间的裂缝往往沿着夹层弱面形成,因此容易形成平板状轮廓。在边墙部位,周边眼连心线垂直于夹层面,连心线上很难形成应力叠加,相当于单个炮眼独自作用。3.2 爆生气体的作用机理 在结构完整、性质均匀的岩体中,爆生气体的 膨胀会使应力波作用产生的裂缝再次扩展。而相对于应力波的作用而言,爆生气体的作用时间要长一些,这对于光面爆破是有利的。 在有节理、夹层的水平层状岩体中爆破,应力波的传播受阻,其产生的裂缝范围减小并向距离夹层最近的方向扩展。由于爆生气体的膨胀空间增加引起沿软弱夹层向自由面以及围岩深处的渗流, 同时气体压力迅速减小,引起能量损失[5] 。损失的能量部分用于对夹层的进一步破坏,当装药量大以至于夹层破坏后爆生气体仍有剩余能量时,夹层间的完整岩块将被推动、抛向自由面,对于远离轮廓线的保留岩体,爆破后由于自由面的形成而失去夹制作用,就很容易发生掉块现象。 4 Ⅲ级围岩全断面光面爆破措施 4.1 爆破施工工艺调整 通过调整轮廓线上不同部位的周边眼间距,最小抵抗线以及装药量,可以使爆炸能量尽可能分散,达到均匀破碎岩体的又少扰动需保留围岩的目的。采取的措施: (1)在拱顶,将炮眼位置向设计轮廓线内偏移,适当增大炮眼间距,少装药,减小最小抵抗线。由于节理、夹层等结构面平行于连心线,在炮眼距离夹层较近时或者存在发育的节理面时,应力波的反射拉伸作用使光爆层沿弱面崩落,并在水平方向延伸很宽,必然造成一定的超挖。因此,内移炮眼位置同时减少装药量可减轻弱面的破坏。当竖向裂隙不发育时候,应适当减小最小抵抗线,利于岩石的破碎。 (2)在拱腰位置,减小周边眼间距,同时减少药量。由于连心线与夹层面斜交,贯通裂缝难以形成,裂缝往往优先沿垂直夹层面的方向形成,爆破 859地下空间与工程学报 第1卷 (3)在边墙位置,应该保证周边眼间距大于层间厚度,因为单个炮眼在竖直方向的作用范围很有限,这就要求周边眼的间距适当减小,否则易产生欠挖,在层厚不大的情况下,应减小炮眼间距,同时增大最小抵抗线。 (4)减小二圈眼药量,实际施工中的清除危石过程经常发生岩石掉块,推测围岩受到较大的扰动。由于夹层的抗压、抗剪强度都很差,胶结作用很弱,二圈眼距离轮廓线很近,过大的装药量可能使光爆层发生超爆甚至围岩松动,因此,减小二圈眼药量使十分必要的。 4.2 光面爆破参数的确定 水平节理、夹层对光面爆破的影响是显然的,因此我们重新调整光面爆破参数。在实际施工中,过于复杂的设计对具体实施是不现实的,而且以上只是定性的分析了其影响趋势。根据爆破效果,进行小幅度调整参数。最后取得以下最优参数,周边眼采用Ф25×200mm小药卷,间距48cm,最小抵抗线60cm,采用空气柱间隔装药结构,眼底装一卷Ф32×200mm普通药卷,线装药集中度0.15～0.22 kgΠm,导爆索引爆。根据围岩节理、夹层的发育程度,可以在必要的时候按照断面各部位的不同调整参数,达到在不过多增加钻眼量的前提下取得较好的爆破效果。 4.3 爆破效果 通过减小周边眼间距,减小装药量,采用间隔装药结构等措施,同时加强光面爆破管理,提高施工技术水平,光面爆破效果大幅提高。半眼保存率拱顶平均达到50%以上,边墙70%以上。平均线性超挖量小于9cm,最大线性超挖量20cm,可见,对于受地质条件,影响光面爆破效果的围岩,积极采取必要措施,努力提高爆破技术水平,可以在相当程度上提高光面爆破质量。 5 结论 本文针对水平层状围岩,根据现场具体情况,简要讨论了存在软弱夹层的水平层状围岩光面爆破机理。结论如下:软弱夹层使爆破后应力波传播以及衰减规律发生变化,同时也影响了爆生气体对岩石破碎作用。因此爆破产生的能量得不到预期的组织与分配而在炮眼周围以及夹层中大量消耗。造成爆破后难以形成设计要求的拱形轮廓,大块率高,超、欠挖现象严重。实际施工中应根据具体地质情况及时调整爆破参数,对隧道轮廓线的不同部位,采取不同的调整措施,可以有效的减少超挖现象。 参考文献: [1] 齐景岳,刘正雄,等.隧道爆破现代技术[M].北京: 中国铁道出版社.1999 [2] 吉见惠一(日本).节理系围岩的隧道开挖中光面爆 破效果的研究[J].隧道译丛.1990(10):46-53 [3] 戴俊.岩石动力学特性[M].冶金工业出版社.2002 [4] 李夕兵.论岩体软弱结构面对应力波传播的影响 [J].爆炸与冲击.1993,13(4):334-342 [5] 岳士弘.节理岩体中渗流引起的能量损失[J].爆炸 与冲击.2002,22(2).144-147 (上接第931页)家信息融合法,成功地解决了现场试验数据较少而无法确定先验分布的的可信度导致无法确定先验分布合理权重的不足。从信息论的角度来看,该方法增强了统计决策中的稳健性,可以减少现场试验的次数,节约试验费用,可以考虑在岩土工程可靠性分析、设计等工程领域内进行推广。本文为存在多个先验分布的情况下并结合具体工程的试验数据来确定岩土参数的概率分布提供了一条新途径。 参考文献: [1] 张广文,刘令瑶.确定随机变量概率分布的推广Bayes 法[J].岩土工程学报,1995,17(3):91-94 [2] 严春风,张建辉.岩土力学参数的概率分布Bayes的 推断[J].重庆建筑大学学报,1997,19(2):65-71 [3] 徐超,杨林德.随机变量拟合优度检验和分布参数 Bayes估计[J].同济大学学报,1998,26(3):340-344 [4] 刘琦,冯静,周经纶.基于专家信息的先验分布融合法 [J].中国空间科学技术,2004,(3):68-71 [5] 茆诗松.贝叶斯统计[M].北京:中国统计出版社, 1999 [6] 王俊杰,陈爱玖,姬凤玲等.岩土参数的概率分布拟合 及Bayes方法优化[J].华北水利水电学院学报,2004, 25(2):51-54 959 2005年第6期 杨 峰,等:水平层状围岩隧道光面爆破效果分析下载本文
