一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破结构及爆破方法与流程

1.本发明涉及隧道施工爆破技术领域，尤其是涉及一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破结构及爆破方法。


背景技术：

2.特硬岩/坚硬岩是指岩石的硬度系数f＝15-20，特硬岩隧道爆破时存在掏槽效果差、残留炮孔长、进尺低的技术难题。
3.目前，针对ⅱ级围岩的施工方法是：采用两台阶楔形掏槽方式，第一阶掏槽眼深度1.5m，第二阶掏槽眼深度3.0m，其它炮孔深度均为2.8m，全断面炮孔数为63个，共装炸药量96kg,每炮进尺为1.8～2.0m，剩余炮孔长0.7～0.8m，炮孔利用率64.3％～71.4％。现有的是施工方法存在如下缺点：虽然掏槽眼深度3.0m，爆破后剩余炮孔长度1.0～1.2m，掏槽效果很差。而且楔形掏槽因断面较小场地狭小不好打眼，只能先用短钻杆打1.6m深左右，再换成长钻杆继续打眼到设计深度；每炮进尺仅为1.8～2.0m，每月仅完成60～70m任务，施工进度缓慢，工期滞后；因进尺低，残余炮孔长，炸药消耗自然高；因光爆效果差，喷射混凝土初支量增加，造成成本浪费，出现明显亏损。


技术实现要素：

4.本发明提供一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破结构，包括垂直于隧道断面的掏槽眼；所述掏槽眼包括一阶掏槽眼、设置于一阶掏槽眼外围的二阶掏槽眼和设置于二阶掏槽眼外围的三阶掏槽眼；其中，一阶掏槽眼和三阶掏槽眼内装炸药，二阶掏槽眼内不装炸药。
5.在上述方案的基础上，所述一阶掏槽眼、二阶掏槽眼和三阶掏槽眼的深度相同。
6.在上述方案的基础上，所述一阶掏槽眼内的炸药的两端分别固定一个圆盖，所述圆盖为具有一定厚度的圆形金属板。
7.在上述方案的基础上，所述圆盖上分别固定有固定臂；所述固定臂的形状为形，包括横向部和横向部两端向炸药方向延伸形成的延伸部。
8.本发明还提供一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破方法，具体是使用上述的爆破结构。具体步骤如下：
9.包括如下步骤：
10.s1炮孔施工
11.使用风钻在隧道断面上打炮孔；其中，一阶掏槽眼位于中心、二阶掏槽眼位于一阶掏槽眼外围、三阶掏槽眼位于二阶掏槽眼外围；炮孔还包括若干个设置于三阶掏槽眼外围的扩槽眼、若干个设置于扩槽眼外围的辅助眼、若干个设置于辅助眼外围的周边眼和若干个位于隧道断面底部的底眼；所述一阶掏槽眼、二阶掏槽眼和三阶掏槽眼的深度相同且深度大于其他炮孔的深度；
12.打眼完成后，将每个炮孔内残余碎碴和水清除干净；
13.s2炸药安装
14.一阶掏槽眼、三阶掏槽眼、扩槽眼、辅助眼、周边眼和底眼内装炸药，二阶掏槽眼内不装炸药；
15.一阶掏槽眼内的炸药安装时在炸药的两端分别固定一个圆盖，所述圆盖为具有一定厚度的圆形金属板；所述圆盖上分别固定有固定臂；所述固定臂的形状为形，包括横向部和横向部两端向炸药方向延伸形成的延伸部；所述延伸部与炸药固定连接在一起；
16.炸药装好后，对炮孔进行封堵，具体的封堵方法是：
17.一阶掏槽眼和三阶掏槽眼的封堵方法是自内向外依次使用1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥将炮孔全部封堵；
18.扩槽眼、辅助眼和底眼使用1段炮泥 1个炮塞封堵；
19.周边眼用0.3m水炮泥封住孔口；
20.s3爆破
21.爆破时的起爆顺序为：一阶掏槽眼-三阶掏槽眼-扩槽眼-辅助眼-周边眼-底眼。
22.本发明的爆破结构及爆破方法，针对特硬岩隧道的爆破，使用三阶同深直眼卧柱式掏槽，有利于多台钻机同时打眼而不受干扰，且可用长钻杆一次打孔成孔，提高了打眼工作效率。本专利的独特掏槽爆破作用机理：利用圆钢和钢板加工的筒盖，炮泥 炮塞封堵的独特盖筒式装药结构，保证了炮孔下部爆破能量的聚集，加上第二阶空孔多个自由柱，能使特硬岩下部有效扩大了破碎范围，第三阶爆破后顺利实现抛碴，保证整个掏槽效果，杜绝了“拔筒”，同时保证了掏槽爆破深度；周边炮孔只在孔口0.3m用软湿水炮泥封堵，实现了相邻周边炮孔间裂隙的贯通，使岩石顺利沿开挖轮廓线剥落，保证了光面爆破的良好效果。爆破进尺由原来的1.8～2.0m提高到3.2～3.4m，炮孔利用率由原来的70％提高到92％，施工进度由原来每月60～70m提高到170～190m，最高220m；光面爆破取得了良好效果，减少了超挖和欠挖，减少了初支喷射混凝土量，缩短了初支时间，节约了施工成本。
附图说明
23.图1为本发明隧道断面上炮孔布置示意图(隧道断面为直墙-圆拱型)；
24.图2为本发明隧道断面上炮孔位置、距离示意图(隧道断面为直墙-圆拱型)；
25.图3为本发明一阶掏槽眼内炸药安装结构示意图；
26.图4为本发明的圆盖与固定臂的结构示意图；
27.图5为本发明一阶掏槽眼内装药、封堵结构示意图；
28.图6为本发明应用例中的隧道光爆效果图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
30.实施例1
31.如图1所示，本实施例提供一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破结构，具体的，本发明中的特硬岩或坚硬岩指的是硬度系数f＝15-20的岩石。
32.爆破结构包括垂直于隧道断面的掏槽眼1；掏槽眼1采用三阶同深圆柱(筒)型掏槽
方式，所述掏槽眼1包括一阶掏槽眼1-1、设置于一阶掏槽眼1-1外围的二阶掏槽眼1-2和设置于二阶掏槽眼1-2外围的三阶掏槽眼1-3；其中，一阶掏槽眼1-1和三阶掏槽眼1-3内装炸药，二阶掏槽眼1-2内不装炸药。
33.掏槽爆破的效果是整个开挖断面(隧道断面)爆破施工的重中之重，因此，本技术首选要解决特硬岩爆破施工时的掏槽爆破问题。爆破时，传统的方式是直接在掏槽眼1内安装炸药，而本专利在二阶掏槽眼1-2仅作为空槽使用，里面不放置炸药，这样可以实现在一阶掏槽眼1-1爆破时扩大破碎范围，并在三阶掏槽眼1-3爆破时实现抛碴掏槽的效果，从而解决了特硬岩隧道掏槽效果差、残留炮孔长、进尺低的难题。
34.作为一个具体的实施方案，本专利的一阶掏槽眼1-1、二阶掏槽眼1-2和三阶掏槽眼1-3的深度相同。
35.爆破时，传统的方式是在掏槽眼1内直接放置炸药，但是在面对特硬岩/坚硬岩时，这种爆破的效果并不理想，为此，本专利提供一种增强爆破效果的技术方案，具体的，是在一阶掏槽眼1-1内的炸药的两端分别固定一个圆盖1-11，圆盖1-11具体为具有一定厚度的金属圆板，比如厚度为6mm的钢板。这样，爆破时会在一阶掏槽眼1-1内实现能量的聚集，增强爆破效果。
36.为了将圆盖1-11与炸药更好的进行固定，如图3和图4所示，在所述圆盖1-11上分别固定有固定臂1-12，固定臂1-12向炸药的方向延伸；为了增强圆盖1-11的强度，作为一个可实施的方案，所述固定臂1-12的形状为形，包括横向部1-121，横向部1-121两端向炸药方向延伸形成延伸部1-122；其中横向部1-121与圆盖1-11焊接在一起(如图3所示)，这样固定臂1-12的横向部1-121可以有效增强圆盖1-11的强度，延伸部1-122与炸药进行固定。具体的，固定臂1-12具体可以使用直径8mm的圆钢弯折而成。焊接在一起的圆盖1-11和固定臂1-12与炸药进行固定时，可以使用胶带将伸向炸药方向的延伸部1-122与炸药缠绕固定在一起，固定在一起的炸药卷与圆盖1-11，在炸药爆炸时实现能量的聚集，增强爆破效果。
37.作为一个具体的应用实例，一阶掏槽眼1-1的直径为45mm，常规的炸药卷的直径为35mm，圆盖1-11的直径为40mm，这样，既能保证圆盖1-11的聚能效果，又可以使加了圆盖1-11的炸药放入一阶掏槽眼1-1内。因为圆盖1-11与一阶掏槽眼1-1的直径差只有5mm，而且一阶掏槽眼1-1又是水平方向的，因此，在放置时不易将炸药塞入一阶掏槽眼1-1的底部，为了便于放置炸药，在一阶掏槽眼1-1内靠近外侧部的圆盖1-11的远离炸药的一侧固定有把手1-13，把手1-13也可以使用直径8mm的圆钢(如图3所示)。
38.在一阶掏槽眼1-1内炸药安装后，依次使用1段炮泥 1个炮塞 再加1段炮泥 1个炮塞 再加1段炮泥将一阶掏槽眼1-1全部封堵。如图5所示。本发明的这种封堵方式，增加了炮泥和炮塞的整体与孔壁间的摩擦，使炸药爆炸时产生的爆生气体和爆炸应力波、冲击波、爆轰波不易推出，延长在炮孔内的作用时间，充分破碎岩石，充分发挥掏槽效果。三阶掏槽眼1-3内炸药安装后，封堵方式与一阶掏槽眼1-1的封堵方式相同。
39.作为一个具体的实施方案，所述一阶掏槽眼1-1的数量是1个；所述二阶掏槽眼1-2的数量是4个，所述三阶掏槽眼1-3的数量是8个。下面以图1为例，对一阶掏槽眼1-1、二阶掏槽眼1-2和三阶掏槽眼1-3的位置关系进行描述：4个二阶掏槽眼1-2位于一个以一阶掏槽眼1-1为圆心的小圆周上，且4个二阶掏槽眼1-2在小圆周上均匀分布；8个三阶掏槽眼1-3位于
一个以一阶掏槽眼1-1为圆心的大圆周上，且8个三阶掏槽眼1-3在大圆周上均匀分布。任意一个三阶掏槽眼1-3与一阶掏槽眼1-1的连线均不经过二阶掏槽眼1-2。本发明的掏槽眼的这种结构设计，因为二阶掏槽眼不装炸药和雷管，是空眼，为一阶掏槽提供自由面，帮助一阶掏槽充分破碎岩石，减少一阶掏槽孔底岩石的夹制作用，增加此孔的爆破效果，有利于三阶继续发挥扩大掏槽作用。
40.以上对本专利针对特硬岩隧道爆破时特殊的掏槽眼结构及炸药安装方式进行了详细说明，在实际的爆破时，炮孔除了掏槽眼1外，还会在爆破断面上设置其他辅助的炮孔，比如如图1和图2中所示出的，还包括若干个设置于三阶掏槽眼1-3外围的扩槽眼2、若干个设置于扩槽眼2外围的辅助眼3、若干个设置于辅助眼3外围的周边眼4和若干个位于隧道断面底部的底眼5；所述扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5在垂直于隧道断面的方向上的深度相同，且深度小于掏槽眼1的深度，比如掏槽眼1的深度为3.8m，扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5的深度为3.6m。
41.所有的掏槽眼1、扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5的炮孔直径均为45mm。
42.扩槽眼2、辅助眼3和底眼5使用1段炮泥 1个炮塞封堵；周边眼4用0.3m水炮泥封住孔口。周边眼4只在孔口0.3m用水炮泥封堵，实现了相邻周边炮孔间裂隙的贯通，使岩石顺利沿开挖轮廓线剥落，保证了光面爆破的良好效果。
43.在隧道断面上，所述掏槽眼1设置于隧道断面中下部，隧道断面可以是直墙-圆拱型隧道断面，也可以是直墙三心拱型、弧墙弧拱型、斜墙椭圆拱型等其他结构的隧道断面。
44.实施例2
45.下面提供一种针对特硬岩隧道的三阶掏槽爆破方法，具体的步骤如下：
46.s1炮孔施工
47.使用风钻在隧道断面上打炮孔(分别为：掏槽眼1、扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5)；其中，一阶掏槽眼1-1位于中心、二阶掏槽眼1-2位于一阶掏槽眼1-1外围、三阶掏槽眼1-3位于二阶掏槽眼1-2外围；炮孔还包括若干个设置于三阶掏槽眼1-3外围的扩槽眼2、若干个设置于扩槽眼2外围的辅助眼3、若干个设置于辅助眼3外围的周边眼4和若干个位于隧道断面底部的底眼5；所述扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5在垂直于隧道断面的方向上的深度相同，且深度小于掏槽眼1的深度；作为一个优选的方案，掏槽眼1的深度为3.8m，扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5的深度为3.6m。
48.掏槽眼1的数量具体是：一阶掏槽眼1-1的数量是1个、二阶掏槽眼1-2的数量是4个，所述三阶掏槽眼1-3的数量是8个；
49.打眼完成后，将每个炮孔内残余碎碴和水清除干净；
50.s2炸药安装
51.一阶掏槽眼1-1、三阶掏槽眼1-3、扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5内装炸药，二阶掏槽眼1-2内不装炸药；
52.作为一个优选的方案，每个炮孔的炸药使用量为：
53.一阶掏槽眼1-12.4kg/眼、三阶掏槽眼1-32.1kg/眼、扩槽眼21.8kg/眼、辅助眼31.5kg/眼、周边眼41.2kg/眼、底眼51.5kg/眼；
54.一阶掏槽眼1-1内的炸药安装方式采用实施例1中的方式，即在炸药的两端分别安装一个圆盖1-11进行聚能。在此不再赘述。
55.炸药装好后，对炮孔进行封堵，具体的封堵方法是：
56.一阶掏槽眼1-1和三阶掏槽眼1-3的封堵方法是自内向外依次使用1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥将炮孔全部封堵；
57.扩槽眼2、辅助眼3和底眼5使用1段炮泥 1个炮塞封堵；
58.周边眼4用0.3m水炮泥封住孔口。
59.s3爆破
60.爆破时的起爆顺序为：一阶掏槽眼1-1-三阶掏槽眼1-3-扩槽眼2-辅助眼3-周边眼4-底眼5，连接方式采用大并联的方式。
61.应用案例
62.莲花山隧道位于广东惠州市惠东县和深汕特别合作区相交之处的莲花山脉，莲花山隧道长度5200m，隧道净空断面尺寸为4.5m
×
4.5m(高
×
宽)，直墙-圆拱型，隧道内敷设一根dn914天然气管道，设计压力9.2mpa。
63.莲花山隧道围岩级别划分为ⅱ～ⅵ级。隧道水平长度5200m，其中ⅱ级围岩长度1016.69m，占总长度19.55％，ⅲ级围岩长度2296.11m，占总长度的44.15％；ⅳ级围岩长度1116.53m，占总长度的21.47％；
ⅴ
级围岩长度713.92m，占总长度的13.73％；ⅵ级围岩长度57.04m，占总长度的1.10％。
64.其中的ⅱ级围岩为特硬花岗岩，现有方案是：采用两台阶楔形掏槽方式，第一阶掏槽眼深度1.5m，第二阶掏槽眼深度3.0m，其它炮孔深度均为2.8m，全断面炮孔数为63个，共装炸药量96kg,每炮进尺为1.8～2.0m，剩余炮孔长0.7～0.8m，炮孔利用率64.3％～71.4％，进尺太低，成本高。
65.使用本发明实施例1的爆破结构和实施例2的爆破方法进行施工，下面进行详细的说明。
66.s1炮孔施工
67.使用yt-30型风钻、φ18mm
×
4.5m中空六角钢钻杆、φ42mm十字型合金钢钻头(或者采用金刚石钻头)在隧道断面上打眼(分别为：掏槽眼1、扩槽眼2、辅助眼3、周边眼4和底眼5)，炮孔分布按照图2的设计图的要求(区域划分和辅助线参考图1)，下述内容中的左、右、上、下等位置关系均是以图2为基础进行的说明。
68.隧道断面沿分界线m整体分为上下两部分，上部的拱形断面a和下部的直断面b；沿隧道中线n将整体分为左右两部分；
69.其中，掏槽眼1为三圈，均设置在直断面b上，一阶掏槽眼1-1一个(编号t0)，一阶掏槽眼1-1经过隧道中线n；二阶掏槽眼1-2四个(编号为o1、o2、o3、o4)，位于一阶掏槽眼1-1外围；三阶掏槽眼1-3八个(编号为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8)，位于二阶掏槽眼1-2外围；如图2所示，四个二阶掏槽眼1-2位于一个以一阶掏槽眼1-1为圆心的小圆周上，且四个二阶掏槽眼1-2在小圆周上均匀分布；八个三阶掏槽眼1-3位于一个以一阶掏槽眼1-1为圆心的大圆周上，且八个三阶掏槽眼1-3在大圆周上均匀分布。
70.在三阶掏槽眼1-3的外围设置扩槽眼2，数量为12个(编号为：k1-k12)，其中：6个位于直断面b上，三阶掏槽眼1-3的左右两侧各三个，按直线竖直排布，2个位于拱形断面a和直断面b的交界处，4个位于拱形断面a上，其中11个扩槽眼2围成城门洞形(两侧为竖直线、顶部为圆拱线)套在掏槽眼1的外面，剩余一个位于拱形断面a上的扩槽眼2位于圆拱线与掏槽
眼1之间；
71.在扩槽眼2的外围设置有2圈辅助眼3数量为32个(第一圈15个，编号为f1-f15，第二圈17个，编号为f16-f32)；其中第一圈15个的排布方式是：6个位于直断面b上，三阶掏槽眼1-3的左右两侧各三个，按直线竖直排布，2个位于拱形断面a和直断面b的交界处，7个位于拱形断面a上，15个辅助眼3围成城门洞形(两侧为竖直线、顶部为圆拱线)套在扩槽眼2的外围；第二圈17个辅助眼3的排布方式是：6个位于直断面b上，三阶掏槽眼1-3的左右两侧各三个，按直线竖直排布，2个位于拱形断面a和直断面b的交界处，9个位于拱形断面a上，17个辅助眼3围成城门洞形(两侧为竖直线、顶部为圆拱线)套在第一圈辅助眼3的外围。
72.在第二圈辅助眼3的外围还设置一圈周边眼4，数量为21个(编号为z1-z21)，排布方式是：6个位于直断面b上，三阶掏槽眼1-3的左右两侧各三个，按直线竖直排布，2个位于拱形断面a和直断面b的交界处，13个位于拱形断面a上，21个周边眼4围成城门洞形(两侧为竖直线、顶部为圆拱线)套在第二圈辅助眼3的外围。
73.在直断面b的下方设置有横向的一排底眼4，数量为9个(编号为d1-d9)。
74.各炮孔之间的位置、距离等信息参考图2中的数据，图2中的数据可以直接引用到专利的内容中。图2中的数据，比如325、400、500、550、600、650、700、850、1100、2500、2650等的单位均是mm。
75.具体的围岩参数、爆破参数及预期爆破效果如表1和表2所示。
76.表1ⅱ级围岩爆破参数设计
[0077][0078]
表2围岩参数和预期爆破效果
[0079][0080]
s2炸药安装
[0081]
按照表1在各个炮孔中安装炸药；并按照表1的内容对炮孔进行封堵；
[0082]
具体的封堵方法是：
[0083]
一阶掏槽眼1-1和三阶掏槽眼1-3的封堵方法是自内向外依次使用1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥 1个炮塞 1段炮泥将炮孔全部封堵；
[0084]
扩槽眼2、辅助眼3和底眼5使用1段炮泥 1个炮塞封堵；
[0085]
周边眼4用0.3m水炮泥封住孔口。
[0086]
s3爆破
[0087]
按照表1的起爆顺序爆破，爆破后的效果图如图6所示。
[0088]
本实施方式的爆破结构及爆破方法，针对特硬岩隧道的爆破，使用三阶同深直眼卧柱式掏槽，有利于多台钻机同时打眼而不受干扰，且可用长钻杆一次打孔成孔，提高了打眼工作效率。本专利的独特盖筒式装药结构，保证了炮孔下部爆破能量的聚集，加深了底部和扩大了下部硬岩破碎范围，保证了掏槽爆破深度；爆破进尺由原来的1.8～2.0m提高到3.2～3.4m，炮孔利用率由原来的70％提高到92％，施工进度由原来每月60～70m提高到170～190m，最高220m；光面爆破取得了良好效果，减少了超挖和欠挖，减少了初支喷射混凝土量，缩短了初支时间，节约了施工成本。
[0089]
针对应用案例，可以理解为本发明同时提供了一种针对直墙-圆拱型特硬岩隧道的爆破结构及爆破方法，具体的爆破结构和爆破方法参考图2和应用案例的内容。
[0090]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。