钻爆法隧道结构设计与施工(合)课件

第五章第五章钻爆法隧道结构设计与施工钻爆法隧道结构设计与施工主讲：孟杏微主讲：孟杏微7/28/2024本章重点、难点：本章重点、难点：1、了解钻爆法常用的钻爆机械以及碎岩理论；、了解钻爆法常用的钻爆机械以及碎岩理论；2、掌握台阶爆破设计和和轮廓爆破；、掌握台阶爆破设计和和轮廓爆破；3、掌握隧道爆破参数的设计。、掌握隧道爆破参数的设计。2010-05-287/28/2024n问题问题1 1：常用的碎岩方法有哪些？：常用的碎岩方法有哪些？n问题问题2 2：用钻爆法时可以采用哪几种开挖方法，：用钻爆法时可以采用哪几种开挖方法，以及它们的适用条件？以及它们的适用条件？5.1引言引言2010-05-287/28/20245.2钻爆法掘进隧道钻爆法掘进隧道2010-05-287/28/20245.2钻爆法掘进隧道钻爆法掘进隧道2010-05-287/28/20245.2钻爆法掘进隧道钻爆法掘进隧道2010-05-287/28/20245.2钻爆法掘进隧道钻爆法掘进隧道2010-05-287/28/20245.2钻爆法掘进隧道钻爆法掘进隧道2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计 19631963年年由由LangeforsLangefors和和KihlstromKihlstrom编编写写的的岩岩石石爆爆破破现现代代技技术术详详细细介介绍绍了了台台阶阶爆爆破破和和隧隧道道爆爆破破技技术术，下下面面将将详详细细介介绍绍二二者者的的设设计计原原理。理。2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计台阶爆破几何参数如图：台阶爆破几何参数如图：抵抗线（外观抵抗线和实际抵抗线）抵抗线（外观抵抗线和实际抵抗线）底部装药量、柱部装药量、堵塞长度底部装药量、柱部装药量、堵塞长度炮眼间距等。炮眼间距等。2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计外观抵抗线：炮眼到最近自由面的水平距离。外观抵抗线：炮眼到最近自由面的水平距离。实际抵抗线：炮眼到最近自由面的垂直距离。实际抵抗线：炮眼到最近自由面的垂直距离。2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1 破碎概念破碎概念装药量装药量Q与岩石破碎量最一般的关系可表示为：与岩石破碎量最一般的关系可表示为：下面分五种情况进行介绍：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1）底部集中装药底部集中装药2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1）底部集中装药）底部集中装药在瑞典花岗岩中采用在瑞典花岗岩中采用LFB炸药测试得到：炸药测试得到：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1）底部集中装药底部集中装药 对对于于某某种种特特定定的的炸炸药药，底底部部集集中中装装药药量量只只与与抵抗线有关。抵抗线有关。2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1）底部集中装药底部集中装药 引引入入每每单单位位体体积积岩岩石石炸炸药药消消耗耗量量 由由上上式式可可得：得：2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计1）底部集中装药底部集中装药 对对于于抵抵抗抗线线，一一般般取取值值在在115m的的范范围围内内，得到：得到：可近似取可近似取0.45：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计2）底部分布装药底部分布装药2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计2）底部分布装药底部分布装药:装药长度装药长度底部总装药量为：底部总装药量为：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计3）柱部装药量：）柱部装药量：当台阶高度大于抵抗线时，当台阶高度大于抵抗线时，称为自由面片层爆破。称为自由面片层爆破。2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计3）柱部装药量：）柱部装药量：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计4）假设眼底为集中装药时的总装药量计算：）假设眼底为集中装药时的总装药量计算：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计4）假设眼底为集中装药时的总装药量计算：）假设眼底为集中装药时的总装药量计算：2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计5）假设眼底为分布装药时的总装药量计算：）假设眼底为分布装药时的总装药量计算：如果台阶高度小于如果台阶高度小于2V，则柱部不需要装药；，则柱部不需要装药；如果台阶高度大于如果台阶高度大于2V，则柱部装药长度为，则柱部装药长度为2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计5）假设眼底为分布装药时的总装药量计算：）假设眼底为分布装药时的总装药量计算：如如果果取取台台阶阶的的高高度度为为2V，则则通通过过计计算算底底部部集中装药和底部分布装药是接近的。集中装药和底部分布装药是接近的。2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计2 台阶爆破设计（几个假设）台阶爆破设计（几个假设）台阶垂直和炮眼水平；台阶垂直和炮眼水平；单眼装药；确定单眼装药；确定ai时，使用相同的炸药；时，使用相同的炸药；每一个延期爆破一个眼；每一个延期爆破一个眼；台阶面为破碎自由面；台阶面为破碎自由面；岩石常数根据瑞典经验确定。岩石常数根据瑞典经验确定。2010-05-287/28/20245.3 台阶爆破设计台阶爆破设计考虑实际情况后的几点修正：考虑实际情况后的几点修正：岩岩石石类类型型的的影影响响、炸炸药药类类型型的的影影响响、钻钻眼眼斜斜度度的的影影响响、炮炮眼眼间间距距的的影影响响、协协同同炮炮眼眼的的影影响响、钻钻孔误差的影响。孔误差的影响。2010-05-287/28/20245.6 5.6 爆破损伤及控制爆破损伤及控制爆破损伤及控制爆破损伤的爆破损伤的原因原因：（1 1）爆破引起的动压力及爆破引起气体膨胀）爆破引起的动压力及爆破引起气体膨胀在破碎过程中起的重要作用。在破碎过程中起的重要作用。（2 2）由荷载释放引起的破裂。）由荷载释放引起的破裂。在地下工程中使用爆破，对岩体的完整性在地下工程中使用爆破，对岩体的完整性起到主要影响，使整体稳定性下降。起到主要影响，使整体稳定性下降。2010-05-287/28/2024 控制爆破破坏：控制爆破破坏：（1 1）机械开挖。）机械开挖。（2 2）采用预裂或光面爆破技术。这就要求有一个）采用预裂或光面爆破技术。这就要求有一个爆破的正确设计。爆破的正确设计。2010-05-287/28/2024 以以光面爆破光面爆破为例：为例：a.在在隧隧道道爆爆破破情情况况下下，首首先先要要创创造造一一个个空空间间，爆爆破破产产生生的的破碎岩石可膨胀到这个空间中。破碎岩石可膨胀到这个空间中。b.下下一一步步就就是是将将其其他他爆爆破破的的岩岩石石逐逐渐渐爆爆破破到到这这个个空空间间。平平行炮眼采用行炮眼采用0.5s延期瞬发雷管起爆。延期瞬发雷管起爆。c.最后一步是使用光面爆破，通过同时起爆装药量较少的最后一步是使用光面爆破，通过同时起爆装药量较少的周边炮眼来剥离余下周边炮眼来剥离余下0.5-1m的岩石，留下一个平整的开的岩石，留下一个平整的开挖面。挖面。2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.7 5.7 隧道支护结构设计隧道支护结构设计 支护结构的基本作用就是保持隧道断面的支护结构的基本作用就是保持隧道断面的使用净使用净空空，防止防止岩体质量的进一步岩体质量的进一步恶化恶化，同围岩一起组成，同围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，一个有足够安全度的隧道结构体系，承受承受可能出现可能出现的各种的各种荷载荷载，诸如水、土压力以及一些特殊使用要，诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载。此外，支护结构必须能够提供一个能求的外荷载。此外，支护结构必须能够提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和清洁。清洁。2010-05-287/28/2024按支护作用机理，目前采用的支护结构大致可按支护作用机理，目前采用的支护结构大致可以归纳为以下三类。以归纳为以下三类。(1)(1)刚性支护结构刚性支护结构(2)(2)柔性支护结构柔性支护结构(3)(3)复合式支护结构复合式支护结构5.7 5.7 隧道支护结构设计隧道支护结构设计2010-05-287/28/2024 这类支护结构通常具有这类支护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承受强大的一般用来承受强大的松动地压松动地压。但只要可能，就应。但只要可能，就应避免松动压力的发生。刚性支护只有很小的柔性，避免松动压力的发生。刚性支护只有很小的柔性，这类支护通常采用这类支护通常采用现浇混凝土现浇混凝土，有的采用石砌块或，有的采用石砌块或混凝土砌块。混凝土砌块。(1)刚性支护结构刚性支护结构2010-05-287/28/2024(2)柔性支护结构 柔性支护结构是根据现代支护原理而提出来的，它既能及时地进行支护，限制围岩过大变形而出现松动，又允许围岩出现一定的变形，同时还能根据围岩的变化情况及时调整参数。所以，它是适应现代支护原理的支护形式。锚喷支护是一种主要的柔性支护类型，其他如预制的薄型混凝土支护及钢支撑等亦均属于柔性支护。2010-05-287/28/2024 锚喷支护是指锚杆支护、喷射混凝土支护以及锚喷支护是指锚杆支护、喷射混凝土支护以及它们与其他支护结构的组合。它们与其他支护结构的组合。国内广泛应用的锚喷支护类型有如下六种：国内广泛应用的锚喷支护类型有如下六种：a a锚杆支护；锚杆支护；b b喷射混凝土支护；喷射混凝土支护；c c锚杆喷射混凝土支护；锚杆喷射混凝土支护；d d钢筋网喷射混凝土支护；钢筋网喷射混凝土支护；e e锚杆钢支撑喷射混凝土支护；锚杆钢支撑喷射混凝土支护；f f锚杆钢筋网喷射混凝土支护锚杆钢筋网喷射混凝土支护(2)柔性支护结构柔性支护结构2010-05-287/28/2024a.a.锚杆支护锚杆支护2010-05-287/28/2024锚杆支护锚杆支护2010-05-287/28/2024b.b.喷射混凝土支护喷射混凝土支护喷射混凝土支护-早期支护2010-05-287/28/2024c.c.锚杆喷射混凝土支护锚杆喷射混凝土支护2010-05-287/28/2024d.d.钢筋网喷射混凝土支护钢筋网喷射混凝土支护2010-05-287/28/2024钢筋网喷射混凝土支护钢筋网喷射混凝土支护2010-05-287/28/2024f.锚杆钢筋网喷射混泥土支护2010-05-287/28/2024（3 3 3 3）金属网）金属网）金属网）金属网常用的三种形式：常用的三种形式：a.金属网板金属网板 金属网板使用薄钢板经冷冲压或者热冲压制成。金属网板使用薄钢板经冷冲压或者热冲压制成。b.焊接金属网焊接金属网 焊接金属网是由焊接金属网是由68的钢筋焊接而成的。的钢筋焊接而成的。c.编制金属网编制金属网 主要用来加固围岩缺陷部分和防止围岩剥落。主要用来加固围岩缺陷部分和防止围岩剥落。2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/2024（4 4 4 4）钢拱架）钢拱架）钢拱架）钢拱架 两种基本形式：两种基本形式：a.a.用型钢做成的钢拱用型钢做成的钢拱 b.b.钢筋焊接成的格栅拱钢筋焊接成的格栅拱 钢拱架可以迅速架设，并能提供足够的支护抗钢拱架可以迅速架设，并能提供足够的支护抗力。现在主要用来做为早期支护，但大多数情况下力。现在主要用来做为早期支护，但大多数情况下都是将它灌入混凝土作为永久支护结构的一部分。都是将它灌入混凝土作为永久支护结构的一部分。2010-05-287/28/2024钢支撑支护钢支撑支护2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20242010-05-287/28/2024 5.7.3 5.7.3支护结构抗力设计计算支护结构抗力设计计算5.7.3.15.7.3.1混凝土或喷混凝土结构抗力设计计算混凝土或喷混凝土结构抗力设计计算(1)(1)混凝土或喷混凝土的支护设计混凝土或喷混凝土的支护设计2010-05-287/28/20245.7.3 支护结构抗力设计计算2010-05-287/28/20242010-05-287/28/20245.7.3.2灌浆锚杆支护设计 灌浆锚杆的支护特性是比较复杂的，它对围岩变形的约束灌浆锚杆的支护特性是比较复杂的，它对围岩变形的约束能力是通过能力是通过锚杆与胶结材料之间的剪应力锚杆与胶结材料之间的剪应力来传递的，所以，围来传递的，所以，围岩在向隧道内变形的过程中，锚杆始终受拉岩在向隧道内变形的过程中，锚杆始终受拉(图图5-9)5-9)。同时，。同时，锚杆所能提供的约束力必然与灌浆的质量有关。锚杆所能提供的约束力必然与灌浆的质量有关。因此，目前评价锚杆力学特征，需通过拉拔试验得到的拉因此，目前评价锚杆力学特征，需通过拉拔试验得到的拉拔荷载与位移的关系来确定。若假定锚杆的粘结力是沿隧道周拔荷载与位移的关系来确定。若假定锚杆的粘结力是沿隧道周边非均匀分布边非均匀分布(图图5-9)5-9)，且其破坏形式是，且其破坏形式是胶结材料与孔壁脱离胶结材料与孔壁脱离时。2010-05-287/28/2024灌浆锚杆灌浆锚杆2010-05-287/28/2024不灌浆锚杆不灌浆锚杆2010-05-287/28/2024加背板刚支架的有效支护加背板刚支架的有效支护设计计算设计计算2010-05-287/28/20245.4.4组合支护体系的特性当二种支护体系，例如锚杆和喷混凝土联合成为一个支护体系且同时架设，可假定组合支护体系的刚度K等于每个组成部分刚度的总和此时，组合支护所提供的支护抗力也是两者之和。2010-05-28