提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法与流程

本发明是关于一种隧道爆破掘进方法，尤其是一种在提高爆破进尺的基础上能降低爆破振动的隧道掘进方法。

背景技术：
当隧道开挖遇到环境复杂区段,首要考虑爆破振动对环境的影响。为限制爆破振动峰值常规办法主要是缩短爆破进尺、减小爆破用药量，其后果使爆破开挖成本大幅提高，掘进速度显著下降。研究证明，影响隧道爆破最大振动峰值的主要因素有：掏槽爆破的夹制作用过大；受雷管延时精度和段别的限制，同段起爆炮孔数目太多。针对这两大问题目前的爆破对策是采用空孔掏槽和增加雷管段别。但空孔掏槽爆破受空孔空间限制以及炮孔间距过小的缺陷，掏槽爆破的钻孔施工精度难以达标、爆破效果难以保证、爆破振动难以控制。为限制爆破振动峰值，现有的方法之一是缩短单次爆破进尺。采用该方法会导致炮孔变浅、单孔装药量减小、总爆破用药量下降，同时被爆岩体的夹制力较大，其后果使爆破振动幅值降低，但因进尺小钻爆开挖成本大幅提高，掘进速度显著下降。因此，缩短单次爆破进尺虽然能限制爆破振动峰值，但其掏槽孔爆破的临空面条件并没改变，由掏槽爆破导致爆破振动幅值较大的技术特征没有改善。实际爆破循环中掏槽爆破单段爆炸药量并不是最大，但其产生的爆破振动却是最大。所以即使依靠牺牲掘进速度、不惜增加爆破成本的办法，以缩短单次爆破进尺达到控制爆破振动幅值的效果非常有限。此外，增加导爆管雷管分段数量可减小单段起爆药量，一定程度上减小的爆破振动。但通常导爆管雷管只能采购到15个段别，最多能到20段，而且前8段以内还需跳段别使用，又减少了4个段别，致使隧道全断面爆破中仍然某些段别炮孔数集中，单响爆破药量过大。另外楔形掏槽孔只能布置同段别雷管，根本上改变不了掏槽爆破的振动强度。导爆管雷管分段数量增加虽然能减小单段爆破药量，适当限制爆破振动峰值，但楔形掏槽孔爆破的间隔时差不能调整，由掏槽爆破导致爆破振动幅值较大的技术特征没有改善。实际爆破循环中受雷管段别的限制，相同圈位的炮孔需同段爆破，外层圈炮孔单段爆炸药量还是很大，爆破振动难以控制在理想范围。所以即使购买更多段别导爆管雷管，以减小单段爆破药量，也难以达到控制爆破振动幅值的理想效果。有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出本发明的隧道大进尺微振动爆破掘进方法，即能在增加爆破进尺的基础上减小爆破振动的隧道爆破掘进方法。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法，在不减小隧道钻爆循环进尺的前提下，实现隧道大进尺微振动爆破掘进，能大幅降低爆破振动危害。为此，提出一种提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法，包括：首先在隧道掌子面上开设空槽；待形成空槽后，在欲开挖隧道断面的轮廓周边、所述轮廓周边与所述空槽之间、以及所述欲开挖隧道断面的底边分别布置周边炮孔、扩槽炮孔、辅助炮孔和底板炮孔；在所述炮孔内装填炸药，将雷管按设定的雷管编号装入对应的炮孔，各雷管以并联方式相连组成起爆网路；设置在所述空槽外周的扩槽炮孔、设置在所述扩槽炮孔和周边炮孔之间的所述辅助炮孔逐圈排布，自内圈的扩槽炮孔至最外圈的周边炮孔，由内向外圈逐圈延时起爆，而设置在所述隧道开挖断面底边的底板炮孔最后起爆；且同圈内的扩槽炮孔、辅助炮孔均设置成逐孔延时起爆。本发明的隧道开挖爆破方法通过预先在隧道掌子面上开设空槽替代公知的掏槽爆破，克服了公知技术采用掏槽孔爆破而产生强大振动的缺陷。并且所有炮孔爆破有良好临空面，这样能够一次钻凿较深的炮孔，实现一次较深的爆破进尺、较小的爆破振动，有利于实现复杂环境下大进尺爆破开挖，提高开挖效率。本发明通过控制从空槽向外各圈炮孔的起爆时间，不仅实现了逐圈、逐孔起爆，而且使爆破主振频率提高到100～200Hz，更可以达到振动波峰与波谷叠加的干扰减振效果。既减轻了爆破对围岩的扰动破坏，又降低了爆破振动对环境的影响。附图说明以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，图1是本发明提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法的流程图；图2是本发明提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法炮孔布置示意图；图3是本发明的圆台形空槽示意图；图4是本发明的圆柱形空槽示意图；图5是本发明的锥形空槽示意图。附图标号说明：40、隧道端面41、41’、楔形换槽孔42、直眼掏槽孔410、420、条形炸药包5、中心孔51、掏槽孔60、空槽70、周边炮孔80、扩槽炮孔81、辅助炮孔90、底板炮孔具体实施方式本发明提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法，包括：预先在隧道掌子面上开设空槽；待形成空槽后，在欲开挖隧道断面的轮廓周边、轮廓周边与空槽之间、以及欲开挖隧道断面的底边分别布置多个周边炮孔70、扩槽炮孔80、辅助炮孔81和底板炮孔90；在所述炮孔内装填炸药，将雷管按设定的雷管编号装入对应的炮孔，各雷管以并联方式相连组成起爆网路；设置在所述空槽外周的扩槽炮孔80、设置在扩槽炮孔80和周边炮孔70之间的所述辅助炮孔81逐圈排布，自内圈的扩槽炮孔80至最外圈的周边炮孔70，由内向外圈逐圈延时起爆，而设置在所述隧道开挖断面底边的底板炮孔90最后起爆；且同圈内的扩槽炮孔80、辅助炮孔81均设置成逐孔延时起爆。当隧道开挖遇到环境复杂区段,首要考虑爆破振动对环境的影响。为限制爆破振动峰值本发明首先改进了公知的掏槽炮孔的临空面条件，在隧道掌子面上预先开设好空槽，然后再在所述空槽的外部开设炮孔；其次是确定炮孔的最佳起爆时序，从而使爆破掘进开挖速度基本不受影响，爆破振动有害效应大幅下降。采用本发明的技术方案，在不减小隧道钻爆循环进尺的前提下，大幅降低了爆破振动危害。本发提出的预设空槽彻底解决了公知的掏槽爆破因夹制作用过大造成振动较大的技术难题；通过控制各炮孔的起爆时间，并通过延时爆破达到振动波峰与波谷叠加的干扰减振效果，既减轻了爆破对围岩的扰动破坏，又降低了爆破振动对环境的影响。为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的能提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法的具体实施方式、步骤、特征及功效详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。请配合参见图1，本发明提出的一种能提高爆破进尺率并降低爆破振动的隧道掘进方法，包括：预先在隧道掌子面上开设空槽60；待形成空槽60后，在欲开挖隧道断面的轮廓周边、所述轮廓周边与空槽之间、以及欲开挖隧道断面的底边分别布置周边炮孔70、扩槽炮孔80、辅助炮孔81和底板炮孔90；在炮孔内填入炸药，将雷管按设定的雷管编号装入对应的炮孔，各雷管以并联方式相连组成起爆网路；设置在空槽60外周的扩槽炮孔80、设置在所述扩槽炮孔80和周边炮孔70之间的所述辅助炮孔81逐圈排布，且自内圈的扩槽炮孔80至最外圈的周边炮孔70，由内向外圈延时起爆，而设置在隧道开挖断面底边的底板炮孔90最后起爆；且同圈内的扩槽炮孔80、辅助炮孔81均设置成逐孔延时起爆。本发明的空槽60通常可以设置在欲开挖隧道断面的中下部。具体是，设置在空槽外周的扩槽炮孔80和辅助炮孔81内装药量自内圈向外圈逐渐减少，延时起爆时序逐渐递增，从而不仅可以提高爆破主振频率，更可以达到振动波峰与波谷叠加的干扰减振效果。如图2所示，在一个可行的技术方案中，设置在欲开挖隧道断面轮廓周边与空槽60之间的炮孔包括：环绕所述空槽的一圈扩槽炮孔80，沿轮廓周边布置的周边炮孔70，以及设置在扩槽炮孔80和周边炮孔70之间的至少一圈辅助炮孔81；设置在欲开挖隧道断面底边的炮孔构成底板炮孔90。其中，根据隧道断面和空槽大小布置辅助炮孔81的圈数，多数隧道需3～5圈辅助炮孔81，且每个周边炮孔70和底板炮孔90均向外斜3～5°。其中，扩槽炮孔80、辅助炮孔81、周边炮孔70和底板炮孔90的间距与常规隧道爆破相当，在此不再赘述。此外，根据预先设计药量将炸药装填入各炮孔内，并将雷管按设定的雷管编号装入对应的炮孔。优选采用数码电子雷管，根据实际需要设置每发雷管的起爆时间。将欲开挖隧道断面划分为一个或多个区域，将每个区域内的各炮孔内装入的数码电子雷管相同颜色的脚线连成一个节点，每个区域的节点并联联网，且在每个连接点绑扎一发引爆雷管和50g炸药，待网路充电起爆后所述引爆雷管与第一个扩槽炮孔80同时起爆，将各连接点炸断。从而能防止先爆炮孔冲出的气体将尚未起爆雷管拉出炮孔。进一步地，根据从空槽向外逐圈延时的原则，分别使扩槽炮孔80、辅助炮孔81、周边炮孔70逐圈延时起爆，底板炮孔90最后起爆。其中，靠近所述空槽的第一圈为扩槽炮孔80，其首先起爆，与该第一圈扩槽炮孔80相邻的第二圈为辅助炮孔81，该辅助炮孔81较该扩槽炮孔80延时50ms～100ms起爆；上述第二圈炮孔全部起爆后，第三圈炮孔再延时70ms～100ms起爆。即，自设置在所述空槽外部的第二圈炮孔开始，外圈炮孔较相邻的内圈炮孔延时70ms～100ms起爆。周边炮孔70全部起爆后，底板炮孔90延时20ms-100ms起爆。此外，同一圈的扩槽炮孔80或辅助炮孔81，均由顶部中间开始起爆，然后向两侧左右交替逐孔延时4ms～8ms起爆。优选地，周边炮孔70以2～5个炮孔为一组，由顶部中间开始起爆，然后向两侧左右交替逐组延时5ms～10ms起爆。进一步地，底板炮孔90以1～3个炮孔为一组，位于底边中间的一组底板炮孔90首先起爆，然后由中间向两侧左右交替逐组延时8ms～20ms起爆，设置在底边两外侧的底板炮孔90最后起爆。优选相邻的两组底板炮孔90延时15ms～20ms起爆。根据空槽60的形成方式不同，空槽60可以形成开口部直径D为0.3～0.8m，深度H为1～2.5m的柱状形、圆台形或锥形槽孔。且优选空槽开口部直径D宜大于等于空槽深度H的30％。在一个具体实施方式中，可以采用铣挖机开设，形成开口部直径大于底部直径的圆台形的空槽，如图3所示。空槽的深度一般大于等于每次爆破进尺的深度，即，空槽的开挖深度大于等于预定的在其外周的各炮孔深度。在另一个具体实施方式中，也可以采用钻孔加爆破开设空槽，则形成的空槽为圆柱形。如图4所示，采用该方法开设空槽时，首先用钻机钻设中心孔5，例如钻设直径为100mm～160mm的大直径中心孔，然后根据空槽所要求的开口直径大小，在该中心孔5的外周钻Φ40mm炮孔，爆破后形成所述空槽。其中，钻孔的深度可以是每次爆破进尺的深度，当然为节约作业成本，提高作业效率，可以一次钻凿较深(15～30m)的中心孔5，根据每次进尺深度在该中心孔5的外周钻炮孔，通过爆破形成空槽，且空槽的深度等于或略大于每次预定的隧道爆破进尺的深度，完成一段进尺的爆破，清理好掌子面做好支护后，再在上述形成的较深的钻孔外周进行爆破形成下一段进尺所需深度的空槽，继续隧道的爆破掘进。在又一个具体实施方式中，如图5所示，还可以采用浅部楔形掏槽孔与深部直眼掏槽孔相结合的爆破形式形成锥形空槽60。下面结合一具体实施例对本发明的爆破步骤进行详细说明：图2示意性地表示了一个隧道上半断面爆破开挖炮孔布置图，该隧道的地质勘察资料为：爆破开挖段属弱风化花岗岩，地表以下5m为风化土层，地表至隧道顶深12m，地面有3～6层住宅小区，爆破振动峰值不许超过1.5cm/s。按照施工进度要求每次爆破循环进尺为2.0米，进尺率设计达95％，设计钻孔深度2.0米。采用本发明的掘进方法，根据预先设计：在隧道断面中下部用铣挖机开设空槽，形成圆台形的空槽，如图3所示，其底部直径0.8m，口部直径D约1.5m，深H约2.2m。然后在隧道断面的空槽周围钻凿炮孔，其中，所述炮孔类型有：位于空槽外围的扩槽炮孔80、辅助炮孔81，位于开挖轮廓线上的周边炮孔70，以及位于隧道底边的底板炮孔90，参看图2所示，并将隧道断面分为四个区域，其中各扩槽炮孔80所在的区域形成扩槽炮孔区域A，各辅助炮孔81所在的区域形成辅助炮孔区域B；各周边炮孔70所在的区域形成周边炮孔区域C；各底板炮孔90所在的区域形成底板炮孔区域D。完成各炮孔的钻孔后，根据预先设计的炮孔装药量将炸药装入所述炮孔，并将雷管按设定的雷管编号装入对应的炮孔；其中所述雷管可为数码电子雷管，便于能够根据需要设置延时时间，而且延时时间可以在线调整，孔间微差间隔爆破能够精确到1ms，有效降低爆破振动危害，从而降低对围岩的破坏。如图2所示，将放置好数码雷管的炮孔分为左上、左下、右上、右下四个区域，将每个区域内雷管相同颜色的脚线连成一个节点，共8个节点，各区域的节点并联联网，每个连接节点绑扎一发引爆雷管和50g炸药，待网路充电起爆后所述引爆雷管与第一个扩槽炮孔80同时起爆，将各连接节点炸断。这样网路充电起爆后第一时间将连接节点炸断，避免先爆炮孔将后爆炮孔的雷管脚线拉出，造成雷管不在炮孔中引爆而出现盲炮的危害。数码电子雷管的起爆时差顺序为扩槽炮孔80、辅助炮孔81、周边炮孔70、底板炮孔90，采用从空槽60向外逐层间隔时差依次起爆；在本实施例中设置一圈扩槽炮孔80、三圈辅助炮孔81，其中，靠近空槽的第一圈为扩槽炮孔80，其首先起爆，与其相邻的第二圈为辅助炮孔81，该圈辅助炮孔81较所述第一圈扩槽炮孔80延时70ms～80ms起爆；待设置在第二圈的辅助炮孔81全部起爆后，第三圈的辅助炮孔81起爆，外圈孔较相邻的内圈孔延时70ms～100ms起爆；同一圈的所述扩槽炮孔80或辅助炮孔81，由顶部中间开始向两侧左右交替逐孔延时4ms起爆。周边炮孔70距离地表更近，为减小爆破振动也布设逐孔起爆，由顶部中间开始向两侧左右交替延时4ms起爆。最后底板炮孔90起爆，且位于底边中间的一组底板炮孔90首先起爆，然后由中间向两侧左右交替逐组延时起爆，相邻的两组底板炮孔90延时15ms～20ms起爆，设置在底边两外侧的底板炮孔90最后起爆。这样设计的起爆时差可以保证每个炮孔爆破时都有足够的自由面，可以获得更好的爆破效果，同时各炮孔爆破振动的波峰与波谷叠加产生干扰降振效果。其它钻爆参数可以沿用以往常规隧道爆破设计要求。爆破通风后检查盲炮和其它爆破效果，然后清除顶部松动岩石，出渣后，组织初次支护。本发明提供的隧道爆破方法，避开了掏槽孔爆破产生强大振动，而且所有炮孔爆破有良好临空面，这样能够一次打较深的炮孔，实现一次较深的爆破进尺、较小的爆破振动，有利于实现复杂环境下大进尺爆破开挖，提高开挖效率。此外，如图4所示，上述空槽60还可在隧道断面中下部采用钻孔加爆破开设，在一个具体实施例中，钻直径为100mm的中心孔5，一次钻深30m，分次爆破循环完成。即，在该中心孔5的外周通过钻孔爆破，如图4所示，这样形成的空槽为圆柱形，且空槽的深度等于或略大于每次预定的隧道爆破进尺的深度。完成一次隧道全断面的爆破后，再在该孔的外周钻孔爆破形成空槽，如此进行分次爆破循环完成隧道的开挖。图4中所示的实例，位于中心孔5外周的掏槽孔51采用电子管雷管爆破，单孔装药量1～2kg，并按照图中间隔的毫秒时差逐孔起爆，此方法采用公知的常规技术，在此不再赘述。爆破通风后将槽内余碴清理干净后，再进行上述扩槽炮孔80、辅助炮孔81、周边炮孔70的钻孔等，完成全断面的钻爆作业。在又一实施例中，所述空槽60也可以采用浅部楔形掏槽孔41、41’与深部直眼掏槽孔42相结合的爆破形式预先形成，通过此方法形成的空槽为锥形空槽。如图5所示，为形成锥形空槽的炮孔位置剖面图。自隧道断面40向内开设掏槽孔，包括位于中部的直眼掏槽孔42，以及设置在直眼掏槽孔42两侧的楔形掏槽孔41、41’，其中，两侧的楔形掏槽孔41、41’自隧道断面40向直眼掏槽孔42倾斜，且所述直眼掏槽孔42的长度大于楔形掏槽孔41、41’的长度。在楔形掏槽孔41、41’中装设条形炸药包410，直眼掏槽孔42的前段中不装设炸药包，在其位于所述楔形掏槽孔41、41’后端的后段m中装有条形炸药包420。起爆时，楔形掏槽孔41、41’中的炸药包410先行起爆，口部形成喇叭口后，位于楔形掏槽孔41、41’后部的深部直眼掏槽孔中的药包420再行起爆；其中浅部楔形掏槽孔中的炸药包与深部直眼掏槽孔中的炸药包的起爆时间间隔为80ms。在形成锥形空槽后再进行上述扩槽炮孔80、辅助炮孔81、周边炮孔70的钻孔等，完成全断面的钻爆作业。以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。