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光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体,然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包,将光爆层炸除,形成一个平整的开挖面,是通过正确选择爆破参数和合理的施工方法,达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计要求的一种控制爆破技术。隧道全断开挖光面爆破,是应用光面爆破技术,对隧道实施全断面一次开挖的一种施工方法。它与传统的爆破法相比,最显著的优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用,从而减少对围岩的扰动,保持围岩的稳定,确保施工安全,同时,又能减少超、欠挖,提高工程质量和进度。一、 光面爆破作用原理
光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题,目前仍在探索之中。尽管在理论上还不甚成熟,但在定性分析方面已有共识。一般认为,炸药起爆时,对岩体产生两种效应;二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。光面爆破是周边眼同时起爆,各炮眼的冲击波向其四周作径向传播,相邻炮眼的冲击相遇,则产生应力波的叠加,并产生切向拉力,拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点,当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时,岩体便被拉裂,在炮眼中心连线上形成裂缝,随后,爆炸气的膨胀合裂缝进一步扩展,形成平整的爆裂面。
二、 光面爆破的技术要点
要使光面爆破取得良好效果,一般需掌握以下技术要点:
1、 根据围岩特点,合理选定周边眼的间距和最小抵抗线,尽最大努力提高钻眼质量。
2、 严格控制周边眼的装药量,尽可能将药量沿眼长均匀分布。
3、 周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。为满足装结构要求,可借助导爆索(传爆线)来实现空气间隔装药。
4、 采用毫秒微差有序起爆。要安排好开挖程序,使光面爆破具有良好的临空面。
5、边孔直径小于等于50mm。
三、预裂爆破和光面爆破
为保证保留岩体按设计轮廓面成型并防止围岩破坏,须采用轮廓控制爆破技术。常用的轮廓控制爆破技术包括预裂爆破和光面爆破。所谓预裂爆破,就是首先起爆布置在设计轮廓线上的预裂爆破孔药包,形成一条沿设计轮廓线贯穿的裂缝,再在该人工裂缝的屏蔽下进行主体开挖部位的爆破,保证保留岩体免遭破坏;光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体,然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包,将光爆层炸除,形成一个平整的开挖面。
预裂爆破和光面爆破在坝基、边坡和地下洞室岩体开挖中获得了广泛应用。
(一)成缝机理
预裂爆破和光面爆破都要求沿设计轮廓产生规整的爆生裂缝面,两者成缝机理基本一致。现以预裂缝为例论述它们的成缝机理。
预裂爆破采用不耦合装药结构,其特征是药包和孔壁间有环状空气间隔层,该空气间隔层的存在削减了作用在孔壁上的爆炸压力峰值。因为岩石动抗压强度远大于抗拉强度,因此可以控制削减后的爆压不致使孔壁产生明显的压缩破坏,但切向拉应力能使炮孔四周产生径向裂纹。加之孔与孔间彼此的聚能作用,使孔间连线产生应力集中,孔壁连线上的初始裂纹进一步发展,而滞后的高压气体的准静态作用,使沿缝产生气刃劈裂作用,使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝。
(二)质量控制标准
1)开挖壁面岩石的完整性用岩壁上炮孔痕迹率来衡量,炮孔痕迹率也称半孔率,为开挖壁面上的炮孔痕迹总长与炮孔总长的百分比率。在水电部门,对节理裂隙极发育的岩体,一般应使炮孔痕迹率达到10%~50%;节理裂隙中等发育者应达50%~80%;节理裂隙不发育者应达80%以上。围岩壁面不应有明显的爆生裂隙。
2)围岩壁面不平整度(又称起伏差)的允许值为±15cm。
3)在临空面上,预裂缝宽度一般不宜小于1cm。实践表明,对软岩(如葛洲坝工程的粉砂岩),预裂缝宽度可达2cm以上,而且只有达到2cm以上时,才能起到有效的隔震作用;但对坚硬岩石,预裂缝宽度难以达到1cm。东江工程的花岗岩预裂缝宽仅6 m m,仍可起到有效隔震作用。地下工程预裂缝宽度比露天工程小得多,一般仅达0.3~0.5cm。因此,预裂缝的宽度标准与岩性及工程部位有关,应通过现场试验最终确定。
影响轮廓爆破质量的因素,除爆破参数外,主要依赖于地质条件和钻孔精度。这是因为爆生裂缝极易沿岩体原生裂隙、节理发展,而钻孔精度则是保证周边控爆质量的先决条件。
(三)参数设计
预裂爆破和光面爆破的参数设计一般采用工程类比法,并通过现场试验最终确定。
(1) 预裂爆破参数
1)孔径 明挖工程为7 0~165mm;隧洞开挖为40~90mm;大型地下厂房为50~110mm。
2)孔距 与岩石特性、炸药性质、装药情况、开挖壁面平整度要求和孔径大小有关。孔距一般为孔径的7~12倍。爆破质量要求高、岩质软弱、裂隙发育者取小值。
3)装药不偶合系数 不偶合系数指炮孔半径与药卷半径的比值,为防止炮孔壁的破坏,该值一般取2~5。
4)线装药密度 线装药密度是单位长度炮孔的平均装药量。影响预裂爆破参数的因素复杂,很难从理论上推导出严格的计算公式,以经验公式为主,目前国内较常用公式的基本形式为
式中,QX—预裂爆破的线装药密度,kg/m;
σC—岩石的极限抗压强度,MPa;
a—炮孔间距,m;
d—钻孔直径,mm;
K、α、β和γ—经验系数。
随岩性不同,预裂爆破的线装药密度一般为200~500g/m。为克服岩石对孔底的夹制作用,孔底段应加大线装药密度到2~5倍。
(2) 光面爆破参数
1)光面爆破层厚度 即最小抵抗线的大小,一般为炮孔直径的10~20倍,岩质软弱、裂隙发育者取小值。
2)孔距 一般为光面爆破层厚度的0.75~0.90倍,岩质软弱、裂隙发育者取小值。
3)钻孔直径及装药不偶合系数 参照预裂爆破选用。
4)线装药密度Qx 一般按照松动爆破药量计算公式确定
式中q—松动爆破单耗,kg/m;
a—光面爆破孔间距,m;
W—光面爆破层厚度,m。
(四)装药结构与起爆
(1) 装药结构
1)堵塞段 堵塞段的作用是延长爆生气体的作用时间,且保证孔口段只产生裂缝而不出现爆破漏斗,对深孔爆破该段长一般取0.5~1.5m。
2)孔底加强段 段长大体等于堵塞段。由于孔底受岩石夹持作用,故需用较大的线装药密度。
3)均匀装药段 该段一般为轴向间隔不偶合装药,并要求沿孔轴线方向均匀分布。轴向间隔装药须用导爆索串联各药卷起爆。为保证孔壁不被粉碎,药卷应尽量置于孔的中心。国外一般用炮孔中心定位器定位,国内一般是将药卷及导爆索绑于竹片进行药卷定位。
(2) 起爆
为保证同时起爆,预裂爆破和光面爆破一般都用导爆索起爆,并通常采用分段并联法。
由于光面爆破孔是最后起爆,导爆索有可能遭受超前破坏。为保证周边孔准爆,对光面爆破孔可采用高段延期雷管与导爆索的双重起爆法。预裂孔若与主爆区炮孔组成同一网路起爆,则预裂孔应超前第一排主爆孔75~100ms起爆。v
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