光面爆破技術在硬質(zhì)圍巖隧道中的應用

徐振紅　蓋英志

摘要：硬質(zhì)圍巖隧道的施工，關鍵工序是開挖，控制開挖質(zhì)量的關鍵因素則是光面爆破。影響光面爆破效果的因素很多，本文對光面爆破的機理、影響光面爆破效果的主要因素進行了分析，并以連云港后云臺山隧道為例，介紹了控制光面爆破實例和取得的效果。

關鍵詞：隧道施工；堅硬巖石；光面爆破

一、工程概況

連云港東疏港高速公路是直通連云港市港區(qū)的第一條高速公路，起點為連徐高速公路NK15+460，徑直向東北方向，設置四座互通并以路塹開挖方式過中云臺山，先后穿過后云臺山隧道和炮臺頂隧道后進入港區(qū)。其中后云臺山隧道總長3740m，為特長隧道，隧道結(jié)構(gòu)型式為分離式雙向六車道，最大開挖斷面高11.44m，寬16.24m。后云臺山為典型的‘單面山，圍巖級別85%以上為Ⅱ～Ⅲ級，僅各個洞口存在約15%左右的Ⅳ～Ⅴ級圍巖；巖體多為堅硬的淺粒巖和變粒巖，隧道穿越的巖層平均單軸飽和抗壓強度約100Mpa；地層結(jié)構(gòu)多為厚層結(jié)構(gòu)，完整性較好，相對較差的地層存在含云母質(zhì)的較軟弱巖層和比較明顯的擦面結(jié)構(gòu)。

二、光面爆破的作用機理及影響因素

隧道成型技術的核心是光面爆破技術。由于鉆爆法施工工藝特點決定了超挖是不可避免的，所以合理的超挖成為施工控制的關鍵，盡量使炮孔中心與開挖輪廓線重合、仰角按炮孔深度適當確定，這樣才能達到光面爆破的效果。

光面爆破首先是選擇爆破方案，其次是鉆孔、爆破、組織管理、測量放線等。有統(tǒng)計資料顯示，影響光面爆破效果的主要因素不是地質(zhì)條件，而是鉆孔技術，其次是爆破技術和施工組織管理，這三項影響光面爆破效果達到82%[ ]。

以下就以連云港后云臺山隧道為例，分析影響光面爆破效果的各種因素。

（一）爆破方案的選擇

本工程采用預切割（或預裂）爆破，周邊眼按設計間距鉆孔、裝藥。具體做法是：在設計間距內(nèi)加密鉆孔作為空孔，將開挖面與圍巖切割；在破碎地層地段，同一炮孔內(nèi)采用微差減震爆破技術，必要時采用短進尺鉆孔，從總體上提高光面爆破的效果。

（二）鉆孔技術

①、鉆孔技術表現(xiàn)在插鉆位置、外插角控制、鉆桿左右向擺動的控制等幾個方面。

鉆頭的正確位置應是隧道設計開挖輪廓線中心，偏外側(cè)則超挖，偏內(nèi)側(cè)則欠挖。在三車道隧道最大跨度位置，開挖弧長約為18m。鉆頭位置如平均偏上5cm，則每延米超挖將近1m3。

②、外插角是由于鑿巖機的外型尺寸所決定的，它是指向孔底的"設計位置"，該"設計位置"在隧道開挖底部端面弧線以外，位于弧線法線上的點。這個點既能使得超挖量最小，又可以為下一循環(huán)開挖提供較好的設置風鉆的空間。在正常情況下，外插角在2°左右是可以滿足工藝要求的，所以《公路隧道施工規(guī)范》中給出了允許超挖值：硬巖（Ⅰ級），拱部平均超挖10cm，最大20cm；中硬、軟巖（Ⅱ~Ⅳ級），拱部平均超挖15cm，最大25cm；破碎松散巖石（Ⅴ~Ⅵ級），拱部平均超挖10cm，最大15cm。以開挖進尺3m為例，仰角每加大1°，則線超挖量約為5cm，每延米增加超挖量約為0.75m3。

鉆桿在鉆進過程中應按上圖標識的準確位置進行，偏向外側(cè)，會造成超挖；偏向內(nèi)側(cè)，則會欠挖，并對下一個循環(huán)的鉆孔造成影響，嚴重時，還須"扒皮"[2]，以消除欠挖對支護的影響。

（三）爆破技術

爆破技術首先需要選擇的是雷管和炸藥，其次是裝藥方式和炮孔的封堵。

1、雷管

目前電雷管已經(jīng)發(fā)展為瞬發(fā)電雷管、毫秒延期電雷管、秒延期電雷管、半秒延期電雷管四大系列，隧道爆破中最常用的是毫秒延期電雷管。在爆破設計中應注意，毫秒延期在50ms以內(nèi)時，沖擊波的迭加還是明顯的。目前毫秒延期電雷管的1~7段位間隔時間在25~40ms之間，需隔段使用，避免沖擊波和振動速度的迭加，以避免圍巖過大擾動和保護初期支護。

2、炸藥

隧道施工一般均采用硝銨類炸藥。硝銨類炸藥是以硝酸銨為主要成分，與其他物質(zhì)機械混合而成的。硝酸銨是爆炸劑，可以作為單質(zhì)炸藥，但其敏感度不穩(wěn)定，而且產(chǎn)生大量有毒氣體。當摻入少量烈性炸藥如硝化甘油、TNT和某些易燃物質(zhì)如松脂、木炭、木屑或石蠟等之后，可充分改善其敏感度，增強其爆炸力，并且使用更安全。

連云港后云臺山隧道爆破選擇的就是2#巖石硝銨炸藥，其特點是：爆炸力適中，使用安全度高，產(chǎn)生有害氣體較少，成本較低。

3、裝藥

爆破效果與裝藥的均勻度有關，藥卷直徑越小，均勻度越高，施工中一般宜選取小直徑藥卷。有試驗資料顯示，不同的裝藥方式對爆破效果影響也較大，a詳見下表：

連云港后云臺山隧道實際施工情況顯示，采用藥卷直徑為32mm、間隔裝藥方式，其光面爆破效果差于藥卷直徑20~25mm、連續(xù)裝藥方式。

4．炮眼需采用炮泥進行封堵，以減小爆破凌空面積，增加爆破效能。

4、 組織管理

組織管理的核心是充分認識開挖工程的重要性和科學性，并在此基礎上提高施工人員的專業(yè)技術水平和實際操作能力。"感覺到了的東西我們不能立刻理解它，只有理解了的東西，才能更深刻地感覺它"。只有讓現(xiàn)場一線操作人員真正掌握了施工中的關鍵影響因素，比如外插角的含義、各種炸藥的成分及其特性，才能主動去落實技術措施。此外，還要從優(yōu)質(zhì)優(yōu)酬方面給以物質(zhì)獎勵,鼓勵工人提高施工水平，確保光面爆破施工的有力開展。

5、 測量放線

1.嚴格控制隧道中線及標高。在洞外控制測量成果的基礎上，利用人行或車行橫通道對左右洞進行中線和水平的閉合導線測量，確保測量精度。

2.采用先進儀器，比如利用激光投點，可直接劃出開挖輪廓線。

3.周邊眼距離和最小抵抗線，要按不同的石質(zhì)，選取效果較好的參數(shù)。一般情況下，周邊眼距離E，略小于最小抵抗線的距離V，其比例一般是E/V≈0.8。如果V值較大，則圍巖會受到很大擾動，"殘孔"[3]難以保留，有時還會出現(xiàn)小型塌方；如果V值太小，爆炸的沖擊力能輕易將外層爆開，而相臨周邊眼之間會留下一道"鼓包"，從而形成了欠挖。

6、 地質(zhì)變化

隨著現(xiàn)代施工技術的發(fā)展，受地質(zhì)條件的限制影響光面爆破效果這一因素相對較小。若缺少先進施工技術措施作為保障，受地質(zhì)條件的影響也是非常大的。應對地質(zhì)變化的技術措施，主要有以下兩個方面：

1.通過觀察、分析，預測控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的位置。

巖石的構(gòu)造面是不規(guī)則的、成立體狀分布在巖體中，在隧道開挖過程中，某條結(jié)構(gòu)面會在某一部位率先被揭露，借助巖層的產(chǎn)狀要素等，就可以推測關鍵部位遇到控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的里程（見下圖）。比如當控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面在隧道下部首先被揭露，則可通過巖層走向、傾向和傾角，推算該結(jié)構(gòu)面在拱部出現(xiàn)的里程；當控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面自拱部首先被揭露時，要特別注意，因為一個循環(huán)的進尺，為3m左右，即使是較嚴重的控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面，也是剛剛進入開挖面，從橫斷面看，可能還沒有進入最大跨度范圍內(nèi)，及時的發(fā)現(xiàn)和采取應對措施，將有效的降低塌方風險，保證施工質(zhì)量。

超前地質(zhì)雷達預報方法，目前尚停留在定性階段，比較可靠的方法仍是鉆取巖芯，通過

巖芯中顯示的結(jié)構(gòu)面，判定是否為控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面，并依此確定控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面到達隧道拱部斷面的里程。

2.針對控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的具體情況，制定和實施恰當?shù)募夹g措施。

當遇到結(jié)構(gòu)擦面在拱部交會的情況時，首先縮小開挖進尺，一般以1m為宜；加長、加密超前錨桿；嚴格控制炸藥裝藥量，盡量減少對圍巖的擾動。

當遇到巖石破碎，且地下水較豐富時，要設置超前錨桿并注漿，同時縮小開挖進尺。

當控穩(wěn)結(jié)構(gòu)層較厚、松散并富含地下水時，以超前小導管注漿為主，宜采用雙液漿，以便控制漿液的凝固時間和擴散半徑。

7、 其他

按照現(xiàn)行《公路隧道施工技術規(guī)范》的規(guī)定，"當巖石完整、巖石抗壓強度大于30Mpa，并確認不影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強度時，允許巖石個別突出部分（每1m2內(nèi)不大于0.1m2）但其隆起量不得大于5cm"。據(jù)此，可在周邊眼放線時，在設計輪廓線向內(nèi)按4~5cm放線（見下圖）。如此處理，約可將允許超挖再降低50%。

三、 光面爆破效果實例總結(jié)

連云港后云臺山隧道經(jīng)過幾個月的施工，已完成開挖支護約2200m，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖已全部完成，現(xiàn)將Ⅳ、Ⅴ級圍巖和部分Ⅲ級圍巖的光面爆破情況作如下小結(jié)。

1、全斷面開挖，一般進尺3~3.5m，掏槽采用8個斜孔，另加3個Φ100鉆孔，形成臨孔面；周邊眼間距50cm，最小抵抗限75cm，單位布孔率約為1.2~1.3孔/m2，一般采用10段毫秒雷管，隔段位使用。

2、隧道石質(zhì)為變粒巖，大部分地段的節(jié)理、裂隙為密閉型，巖體內(nèi)孔隙較少。雖然抗壓強度一般均大于60Mpa，但單位用藥量不大，平均單位用藥量約為0.7~0.8kg/m3。由于巖體密實度較大，爆破能量得到了充分發(fā)揮。

3、采用全站儀對初支表面進行檢測，沒有出現(xiàn)欠挖，最大超挖個別點達0.55m，各洞口、各種圍巖級別的超挖數(shù)量詳見下表。經(jīng)過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)：一是局部超挖比較大，按要求的位置開孔，按標準的2°外插角，超挖應為0.75m2，考慮各種誤差，超挖應在1m2左右。但統(tǒng)計的超挖量已大出2倍多；二是圍巖級別越高，超挖量反倒越大，Ⅳ級圍巖超挖量是Ⅴ級圍巖的115%，而Ⅲ級圍巖超挖量是Ⅵ級圍巖的136%。說明單憑巖石級別較高，不能肯定光面爆破效果就必然是好的；同時也從側(cè)面反映出施工組織管理對光爆效果也能產(chǎn)生很大影響。

4、在檢測的開挖斷面內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了很多斷面的超挖是比較理想的。如ZK6+685斷面，超挖量為0.62m2（見以下照片），說明光面爆破的潛力還是很大的。

四、 結(jié)語

由于連云港后云臺山隧道主要為淺粒巖和變粒巖，該巖為硬質(zhì)巖，致密堅硬，抗壓強度大，抗分化性能好，巖體完整性好，在使用風鉆鉆孔施工時，機械能耗較大，施工進度較慢。實踐證明，當采用光面爆破施工時，能有效控制開挖斷面，減少噴錨支護工程量，降低工程造價，對施工進度也能有所加快。

注釋：

[1]引自：關寶樹《隧道工程施工要點集》

[2]由于欠挖，在爆破后開挖輪廓線不能滿足設計要求，需要再次爆破

[3]爆破后殘存的炮眼，常用于測算炮眼殘存率

參考文獻：

[1]周愛國.隧道工程現(xiàn)場施工技術.北京：人民交通出版社，2004.

[2]關寶樹.《隧道工程施工要點集》.北京：人民交通出版社，2003.

[3]張軍，柯小華，李建華.淺埋大跨軟弱地層老山隧道動態(tài)設計施工技術.江蘇寧淮高速公路老山隧道環(huán)保型建設技術暨大跨徑隧道建設技術學術研討會論文集.人民交通出版社，2006.