水利水电-本科毕业设计-灌浆平洞爆破开挖技术浅析-《正文》

1、工程概况:

新疆恰甫其海大坝,为黏土心墙坝,坝体填筑总量为336.3万m3,最大坝高105m,坝顶长度363.2 m,灌浆平洞顺坝轴线向右延伸。大坝桩号为0+353.272~0+403.272m,洞长50m,洞底开挖高程为1000m,开挖断面形式为3.033.5 m的城门洞型,开挖石方量为5143m3,该平洞用于帷幕灌浆和永久性工作洞。

2、洞线地质:

灌浆平洞全线为凝灰岩节理裂隙发育,岩体间裂隙含泥砂夹层将岩体层层分离,形成千页层状。岩层走向与洞轴线平行,并统一倾向洞轴线上游,倾角为70~85。,页层厚度为线脉清晰,洞口部分有大量坡积物易产生卸荷重物,洞脸岩体处开挖坡度较20~60cm不等,裂隙间层约为10m左右。干燥时较坚硬,遇水后受潮呈糊状,易使页层之间产生分离,发生跨塌、掉块现象。洞口顶部存有大量坡积物,易产生卸载重物,洞挖量进入0+393.272以后裂隙间泥砂层逐渐消失,岩体结构逐而完整、稳定。洞口岩石坚固系数为1-2,洞身段3-6。

3、施工方法:

原定于2004年4月1日开工到2004年5月10日结束,因洞脸上部岩体有整体崩落现象,下部又紧挨交通要道易引发安全事故,为加强洞脸支护到4月20日才进行平洞开挖,5月20日结束。平均日进尺1.8m,最高日进尺2.0m。现将施工情况做简要介绍。

施工程序:测量放线—布孔—钻孔—清孔及验孔—装药—连线—起爆—排烟—出渣。

3.1 放线布孔:

用全站仪在洞内底板和洞顶部,每隔5m放出中线桩,在中线桩上架经纬仪放出中轴线和起弧点水平线位置,然后用人工放样红漆标记各钻孔位置。

3.2 钻孔:

采用YZP-24型气腿式手风钻,连接加水装置,进行水钻作业。对于高度超过1.5m 以上钻孔,用脚手架管搭简易平台,此平台也可用于放线,布孔,装药,连线等工序使用。

3.3 清孔:

钻孔完成后用高压风将孔内积水石渣冲洗干净,用标尺验孔,对于不符合要求的钻孔及时进行调整或另钻。

3.4装药:

掏槽孔和辅助孔采用卷状2#岩石硝铵炸药连续装药,封堵为炮孔的30~50cm,周边光爆孔采用卷状乳化炸药改制成药包间隔性装药,封堵为30~40cm。

3.5连线:

采用全断面非电毫秒导爆管梯段孔内延时爆破方案。光爆孔采用导爆索闭合双向连接用2~6枚非电雷管起爆。

3.6起爆:

采用双发8号工业火雷管引爆网线,起爆次序依次是掏槽孔先响,其次是辅助孔响,最后是光爆孔响。

3.7排烟:

由于洞身段较短,洞身较宽敞,洞口又处于山顶开阔处,自然通风理想。在爆破后30分钟内,能自然将烟尘排完,洞内空气相对清晰,无需安装供风设备。

3.8出渣:

石渣采用CAT426装载机倒退出渣至洞口,再用20t自卸车转运至弃渣场。在出渣过程中,洞内粉尘如过大,可用水先将石渣润湿除去粉尘。

4、钻爆开挖:

在钻爆开挖过程中将施工方案分两部来完成。第一部分:洞口段开挖。第二部分:洞身段开挖。

4.1 洞口段开挖:

洞口段开挖(0+353.272~0+356.272)采用全断面分部开挖法:

1)先用风镐,钢钎等工具将洞脸周围松动岩石清理干净,用仪器放出轮廓线和中心掏槽孔位置。掏槽孔采用十字架直眼中空孔掏槽形式,在工作面中心钻一个直径φ125mm的空孔(临空孔)深度为1.00m。以空孔为中心,十字架形式距中心20cm用手风钻钻四个炮眼,孔深1.00m,当孔位布置完成后进行爆破,洞脸中心形成一个深1.00m,直径60cm左右的槽洞。当槽洞形成后,以槽洞为临空孔,距周边40cm再次布孔进行爆破,这样一个直径1.3m左右的洞口形成。

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2)以此洞口为临空孔,多次循环排孔爆破,直到3.033.5的城门洞形成,此种方法可称为先导洞,或全段面分部爆破。

3)将洞口段爆破形式分为多次单循环爆破是为了降低震动力,保证洞口岩体稳固,洞脸成型规范。在很多洞挖工程施工中,洞口部位岩体都存在着风化严重,岩层松散等较差的地质状况,根据实际地质状况与洞口尺寸大小而定,很多工程采用这种方法,均取的了较好效果。

4.2洞身段开挖:

洞身段开挖(0+356.272~0+403.272)采用全断面开挖法:

1)开挖尺寸进入到洞内一定深度时(根据施工中的实际地质情况而定)在确定全断面一次性起爆破不影响洞帘周边岩体时。采用这种方法进行施工作业,加快施工进度。灌浆平洞的地质构造较单一,进入洞身段后岩石较坚硬,在开挖过程中以工作平台架,钻孔.装药.封堵.起爆网路连接等,一次完成整个全断面开挖。其优点;一是工作面空间大,能充分发挥机械效能。二是工序少,干扰少,工序集中,施工进度快。三是方便管理。根据施工时的对比经验,设计出比较适合平洞开挖的爆破参数及钻位布置图,连线图,具体如下:

4-2-1炮孔平面布置图

4-2-2起爆网络连线图

注:a 1、主导爆索;2、支线导爆索;3、起爆雷管。b 中心孔为MS1段;掏槽孔为MS3段;内圈辅助孔为MS6 段;外圈辅助孔为MS8 段;光爆孔为MS12 段。

洞身段爆破参数表

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表4-1-1

此表爆破参数与钻孔布置及网络起爆图在施工当中作为一个参照,根据实际地质状况灵活应用,随时做出调整,以求达到最佳爆破效果。

4.3经验总结

1)平洞开挖过程中由于只有一个临空面,他的开挖尺寸受到一定限制,一般情况下开挖的最大尺寸不能超过洞内宽度的0.6倍,也就是手风钻的钻眼深度不宜超过2m。

2)在钻孔过程中取小直径钻头钻孔,比大直径钻头钻孔的速度要高,钻头每减少0.10m,钻速可提高3%—4%。

3)在钻孔作业中由于使用的是水钻作业,钻孔时应从平洞底部孔位逐步向顶部孔位钻孔,反之上方钻孔时流出的泥水将下方孔位的标记冲掉,造成不必要的麻烦。

4)在布置孔位个数时根据岩石硬度和孔深,孔深增加孔位数也随之增加,岩石较硬时也要适当增大孔位布置个数。

5)装药时炮孔的直径要略大于药卷直径,利用小直径钻头,小直径药卷(例钻孔¢38,药卷为¢32)技术,是提高掘进速度的有效方法。

6)当炮孔里的药卷超过8节时,使用单发雷管起爆能量不稳定,常有部分药卷未响,用双发雷管引爆,以保证爆破的稳定效果。

5、掏槽孔效果分析:

5.1掏槽形式:

在施工过程中,掏槽孔的合理运用是加快掘进速度,降低开挖成本的关键技术。在此平洞开挖施工中采用过,契形掏槽.直眼掏槽.等多种方法,最后确定选用直眼掏槽法,其优点,钻孔方便.准确性高,炮孔利用高.破碎快均匀。直眼掏槽又分为:小直径中空孔掏槽和大直径中空孔掏槽法,选用这两种方法主要是根据施工机械设备而定。

5.1.1大直径中空直眼掏槽法:

一般适用于大型隧洞开挖,或在小型隧洞,洞脸开挖段使用。在布孔形式上通常有:菱形掏槽,双螺旋形掏槽,对称形等掏槽方式。在此平洞洞帘开挖段(0+353.272~0+356.272)我们采用的是菱形掏槽方式,具体形式如图:

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5-1-1菱形大直径中空直眼掏槽示意图

注:图中中心空孔为D125mm ,药孔为φ3.8mm当距离区起爆后,较大的空孔为炮孔提供足够的自由空间从而形成腔槽。优点;一是在洞帘段开挖处有足够的空间供大型钻机施工,而不受洞内尺寸限制。二是利用大直径中空眼掏槽,以中心空眼为临空面爆破,是为了减少震动.保证洞帘周边岩石的稳固。三是:利用机械效率缩短钻孔工时,提高施工进度。

5.1.2 小直径中空直眼掏槽:

这种掏槽方法常在小型隧洞开挖中使用,使用形式根据实际地质状况岩石的软硬程度而定,通常都有:三菱形,四方形,梅花形,六棱形等多种掏槽形式。其中空眼一般为2~6个(软岩减少,硬岩则增加)。平洞开挖施工中(桩号0+356.272~0+362.272)段,岩石较软而采用六棱形掏槽形式,(桩号0+362.272~0+403.272)段,岩石变硬则采用梅花形掏槽方式。具体形式如图

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图5-3-1五梅花形小直径中空眼掏槽

a这种形式比较适用于岩层中硬或较硬条件开挖。在中心孔周围布置四个距离很近的小直径空孔作为中心孔的临空面,中心孔起爆后,掏槽中央形成一个槽洞,为其它炮孔创造新的临空面,逐步扩大形成槽腔来提高炮眼利用率。在洞身段(0+362.272~0+431.27)使用此种掏槽,进尺深度达到90%以上。

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图5-3-2三菱形小直径中空眼掏槽

这种掏槽方式适用于岩层中硬以下适用。在中心孔周围布三个小直径空孔作为中

心孔临空面,先起爆后中心孔形成一个槽洞,为其它炮孔创造新的临空面。在洞身段(0+356.272~0+362.272)由于岩层较软而采用这种形式,其掏槽效果明显,每循环进尺都在90%以上,最高可达到100%,但布此行式掏槽方式要根据岩石的软硬而定,如果是中硬岩则起不到掏槽效果。

5.2掏槽孔在运用中的总结:

1)钻孔时装药孔与临空孔角度尽量保持平行,两孔之间不能相互贯通,当药孔与空孔贯通时,空孔成了爆炸气体外泻的通道,而影响掏槽效果。

2)空孔与药孔之间的距离不能过小,也不能过大,过小槽腔内破碎体中空隙体积所占比例相对就大些,爆炸气体外泄的通道就多,既增加爆炸气体的损失。也可能崩坏周边炮眼,如过大,装药眼将无法提供足够的能量使岩石破碎并产生一定速度的抛掷。

3)在孔位布置时,中心临空孔应尽量采用大直径钻机设备钻孔,临空孔越大,炮孔的自由面就越大,掏槽效果就越好。如受具体施工条件影响,没法使用大型钻机的情况下,采用小直径中空眼掏槽,应根据实际地质状况岩层硬时则可多布临空孔,为其它炮孔提供更多的临空面,也能起到较好效果。

4)掏槽孔位置一般应布置在开挖段面的中部或偏下位置,一般有4~~6个装药孔和2~~4个临空孔组成,空眼个数一般随孔深增大或减小。

5)掏槽孔的孔深应比其它孔深,0.1m~~0.20m,药量多出其它孔的20%,如遇岩层较硬时,掏槽孔的底药还应用威力较大的炸药。

6、光爆孔效果分析:

光爆孔是控制轮廓成型,减轻围岩破坏,防止冒顶,减少超欠挖的关键技术。在平洞开挖施工中,为保证开挖质量,沿开挖边界布置密集炮孔,采用间隔性装药爆破,均取得良好效果。

6.1布孔放样:

在施工放线中,用仪器架在中线桩上,在开挖工作面上放出洞中轴线,与起弧点水平线位置用特制的放样工具引点进行放样部孔。由于拱顶圆弧段引线步孔较为繁琐,为了简化放线程序,根据圆弧段实际形状,设计一种与之一样形状尺寸.大小的放样工具。实际放样工具见图:

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120°

173

放 样 工 具

平洞尺寸示意图

6.2光面爆破设计

光面爆破参数的设定,我们采用经验公式推算出线装药密度系数,再根据现场施工中,总结出的对比系数,两者相结合确定出最佳线装药密度系数,最后以次系数做为施工过程中的主要参照。

6.2.1光面爆破的抵抗线公式: Wmin =(10-20)d

式中:Wmin ——光面爆破抵抗线 m

φ18钢筋

φ12钢筋

φ12钢筋

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d——钻孔直径

6.2.2 孔径,采用公式:

a=(0.6-0.8)Wmin

式中:a——光面爆破间距m

6.2.3 线装药公式

Q=012a2h2Wmin

式中:Q——装药量

a——钻孔间距 m

h——孔深 m

01——炸药单耗 kg/m3(01一般取0.18~0.25kg/m3 软岩取小值,硬岩取大值)

根据以上公式我们推算出线装密度系数,在实际施工运用中药量较大,根据此经验公式所提供的系数在实际运用中都有误差,有时也相差甚远。最主要的还是要在施工中根据现场地质状况,炸药性能等因素灵活运用,随时调整密度系数,以求提高光爆效果。

6.3间隔性装药:

6.3.1 药包制作:

6.3.2 工具材料

小刀、黑胶布、导爆索、乳化炸药(φ27030.12kg)

6.3.3.制作过程

先将竹片加工成相对应孔深的长度,宽1.0—2.0cm,厚度不超过0.8cm。把乳化炸药槽剖成两瓣(待用),再将导爆索裁成相对应竹片长度长30cm。然后将裁好的导爆索,任意一头与竹片任意一头(尽量以竹片部位较硬的一边为顶头)对齐,索绳紧贴竹片凹槽面,顺竹片拉直,用黑胶布固定。最后将分好的乳化炸药按设计尺寸分段用黑胶布绑缠到固定好导爆索的竹片上。留出30cm长的索绳以便与主导爆索连接(具体如图6-3-1)。

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6-3-1光爆孔自制药包示意图

注:1)顶头药包为一整节药卷(φ2703120g),其他分别为60g

2)此药包线装药密度系数为200g/m3

3)封堵区预留30cm。底板孔的密度系数为220g/m3。拱顶为200 g/m3,,两侧为180 g/m3。

6.4连线方式分析:

光爆孔采用导爆索联网起爆,当初在施工中常会出现部分孔位拒爆。使施工人员在一段时间内,不敢使用导爆索连线,而采用高段位雷管连接起爆。虽然解决了拒爆问题,但爆破后的周边围岩光面效果不好,施工成本也随之加大。

6.4.1导爆索双向环形闭合连接:

根据我们现场施工条件和爆破器材所限制,即要节约成本,也要提高光爆效果。根据上述情况在爆破中不断尝试各种连线方式,认真总结爆破经验,优选出一种较好的连线方式解决了上述问题。具体连线形式见图

1

2

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3

图6-4-1 导爆索双向环形闭合连接网线。

注:a.1为炮孔, 2为支线导爆索 3为主线导爆索 4为起爆段位雷管 b.图中起爆雷管越多网路自爆率就越高

6.4.2 拒爆原因分析:

由于光爆孔最后起爆,先爆孔在洞内瞬间凝聚的气体和应力得不到较大空间的充分释放,导致光爆孔的导爆索拉断。而产生部分或全部孔位拒爆现象。这种情况在洞室爆破中由为突出,而在露天爆破中就很少出现。采用双向环形闭合连接,在起爆时多用几发雷管,很有效的解决上述问题,即提高了光爆效果,也降低了工程成本,而且每次爆破的准爆率均为100%。

6.5 光爆孔经验总结:

1)光爆孔布置时,顶拱孔数相对洞两侧和底板孔数密集。这样能充分体现顶拱圆弧形状。

2)光爆孔的间距应小于抵抗线也就是光爆孔与最外围辅助孔的距离。如果大于抵抗线,爆破后岩面受损严重,有时参差不齐,达不到光爆效果,受损较严重的岩面还易引发安全事故。

3)光爆孔封堵尺寸应控制在30cm以内如封堵过深,药包爆破后的能量无法使封堵区岩石破碎,致使洞壁四周,留下一圈突出的硬台,造成部位欠挖。

4)起爆雷管与导爆索承顺爆方向连接,用黑布缠绕不少于3圈。以防雷管爆破后金属碎片将周围网络割断而产生拒爆现象。尤其是雷管与非电塑料管连接时一定要注意;最好采用雷管反向连接,然后在连接处敷盖,较厚的纸板或草垫,粘土等遮盖物。7、超欠挖控制:

7.1欠挖原因分析:

1)以地质情况所述在洞挖工程中这种地质情况是极为罕见的。对平洞超欠挖控制造成极大的困难,开挖后已成型的洞身段,中空部分不能提供岩层间相互所产生的支撑力,洞身开挖施工中。两侧岩层间拟砂夹缝,又将岩层层分离形成单独页层面,在开挖施工中,两侧页层受到爆破对飞石的撞击及波震影响后,页层面出现裂缝,稍有震动便会从泥砂处脱离、跨塌造成超挖。

2)岩层间泥砂夹缝干燥时还较坚硬,遇水后受潮呈糊状,无法支撑或连接左右岩层,使岩层从夹缝处滑落分离产生跨塌,而我们在施工中采用的水钻作业,水流对夹缝的冲刷极侵蚀是造成开挖线岩层不稳定因素的重要原因,所以在洞两侧边爆孔钻孔作业时尽量避免水钻作业,或减小钻孔水流量,以此来杜绝周边岩体因水流侵蚀造成的跨塌或掉块现象。

3)光爆孔的正确运用是超欠控制中的关键。一是线装药密度系数控制,根据周

遍岩层厚,裂隙间泥砂层层度,干湿状况等因素。利用对比经验,调整密度系数,将超欠挖将降低,二是钻子角度控制,钻孔时钻杆尽量与洞周线保持平行。钻孔角度的不规则是造成超欠挖最大的因素。

7.2经验总结:

7.2.1.布孔:

根据平洞两侧开挖轮廓线岩层状况,调整边爆孔间距,岩层越薄,孔间距离越大,如岩层间泥砂夹缝较厚,又遇水受潮,这时我们可根据实际地质状况将边爆孔排距向洞轴线移(1~10cm),爆破后沿平洞两侧开挖线将预留部分欠挖岩层。

7.2.2保护隔离层:

这种预留欠挖岩层根据边爆孔与开挖边线距离确定欠挖厚度。利用这层欠挖岩体及岩层间泥砂夹缝能有效的抵抗和削弱爆破时飞石的冲击波震。保证开挖岩层的稳定,从而起到保护隔离作用。

7.2.3药量控制

由于地质构造的特殊性,边爆孔线装药密度系数,没有实际地质状况而定,如沿开挖线岩层较薄,装药密度则减小,如岩层之间泥砂夹缝较厚,可将辅助孔药量适当减小。

7.2.4分部爆破:

如开挖作业掌子面及洞内周边岩壁稳定性较差,可采用全断面分部爆破法进行施工作业,先利用掏槽孔,辅助孔形成的全段面小导洞,掘进一定距离后(根据实际地质状况确定)再返回单独进行边爆孔爆破作业,或将边爆预留孔与下一循环断面导洞作业同时起爆。形成全断面交替爆破形式。在施工过程中采用分部爆破能有效的降低震动力,确保周边岩层稳定性。

综合以上几种方法,在平洞开挖施工中,针对实际地质状况,科学安排,灵活运用,有效的控制平洞两壁岩层的垮塌及同边岩体的稳定并使超欠挖控制在允许值范围内,从而确保开挖质量。

8、质量控制:

1)挑选熟练钻工,由业务较强的钻工担任班长,组织一支精干的钻孔小组,在钻孔过程中,值班技术员和班长严格控制钻孔角度.深度,并对每一个孔做出详细记录。

2)在开挖过程中技术员要做好每次爆后总结,根据实际施工状况及时调整出最佳爆破参数,确保开挖质量与进度。

3)定期对断面水平标高,控制桩号等进行校核,做好钻爆施工中重大问题处理过程中的原始记录。

9、安全处理:

1)洞内照明采用低压安全灯光设备,严禁边装药边钻孔,严禁在残眼上钻孔。

2)每次爆破后,由有经验的工人持长钢钎登渣,对危岩进行撬挖,直到松动。危岩全部处理后方能进行下一步工作循环。

3)CAT426装载机倒退出渣时安排专人在交通洞口进行交通指挥,确保行人与来往车辆安全。

4)爆破装药时,由专职安全员在场进行安全监督,现场指挥,发现问题及时处理,使洞挖工作在安全上做到万无一失。

10.结论

在该项工程施工中,由于遭遇了比较罕见的地质构造,特别对施工中的超欠挖控制造成极大困难,在整个平洞开挖施工中根据实际地质状况,科学组织、安排施工队伍,灵活运用各种施工方法及爆破参数,精心施工,按时完成开挖任务。并在工程验收评审中,以洞轴线偏差±2cm,超欠挖控制在±20cm内(允许范围),光爆效果达90%以上,被评为“优良工程”。该项工程中所总结的施工经验,可在今后同类工程中参照采用。

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