軟弱圍巖大斷面隧道光面爆破*

姚洪瑞

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014)

隨著國(guó)家對(duì)鐵路、公路的大力推進(jìn)，大斷面、長(zhǎng)縱深隧道越來(lái)越多，隧道穿越的地質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜，目前主要開挖方法為鉆爆法[1-3]。鉆爆法擁有適用范圍廣，施工靈活等優(yōu)點(diǎn)，隧道施工為了減少超欠挖，主要采用光面爆破技術(shù)，隧道光面爆破方案主要取決于隧道工程地質(zhì)、工程進(jìn)度等因素，因此針對(duì)不同的隧道施工需要設(shè)計(jì)合理的爆破方案。

巖屋沖一號(hào)隧道是張家界經(jīng)吉首至懷化(張吉懷)高鐵的控制性工程，該隧道洞身位于Ⅳ～Ⅴ級(jí)軟弱圍巖中，且地表水系發(fā)育，對(duì)爆破施工安全造成不利影響。針對(duì)富水軟弱圍巖中爆破施工的安全問(wèn)題，劉朝陽(yáng)設(shè)計(jì)了微臺(tái)階精細(xì)爆破的施工方案，并在仁新高速坪田隧道工程中進(jìn)行了應(yīng)用[4]。陳鴻等介紹了采用微臺(tái)階帶仰拱一次開挖快速封閉成環(huán)、鐵路單線隧道二次襯砌仰拱及仰拱填充大區(qū)段、碎石換填基底加固、反坡排水等技術(shù)在蒙華鐵路中條山隧道的應(yīng)用[5]。高朋飛等以瑯琊山隧道為實(shí)例，分析了隧道爆破對(duì)軟弱圍巖穩(wěn)定性的影響，并介紹了爆破施工參數(shù)的選取方法[6]。夏孝維等提出了利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)獲取圍巖和地層信息，并根據(jù)圍巖狀態(tài)變換爆破方法的施工方案，并在蘭海高速公路麻崖子隧道進(jìn)行了應(yīng)用[7]。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工要求的差異性，不同項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)計(jì)差異顯著[8-10]。為保證巖屋沖一號(hào)隧道的爆破效果和施工安全，提出了“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤量測(cè)”的施工原則，并設(shè)計(jì)了結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、淺孔微差爆破等措施的“臺(tái)階法”光面爆破施工方案，提高巖屋沖一號(hào)隧道施工的安全性，取得了良好的爆破效果。

1 工程概況

張家界經(jīng)吉首至懷化高鐵某標(biāo)段線路全長(zhǎng)32.202 km，位于懷化市麻陽(yáng)縣。該標(biāo)段的巖屋沖一號(hào)隧道為設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h的客運(yùn)線，雙線電力牽引，雙線隧道軌面以上凈空面積按不小于100 m2，為大斷面隧道。該隧道洞身位于沅麻紅層盆地，圍巖主要為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥質(zhì)等軟弱巖層。這些軟弱節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，并且沅麻紅層盆地多有狹長(zhǎng)溝谷，溝谷內(nèi)多發(fā)育溪流，導(dǎo)致了巖體穩(wěn)定性的進(jìn)一步劣化，巖屋沖一號(hào)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如表1。

表1 巖屋沖一號(hào)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表Table 1 Stability evaluation for the surrounding rocks in No.1 tunnel of Yanwuchong project

巖屋沖一號(hào)隧道按照“新奧法”原理設(shè)計(jì)并施工。富水軟弱圍巖中的爆破施工的安全性，以及圍巖的穩(wěn)定性，是巖屋沖一號(hào)隧道工程的難點(diǎn)和關(guān)鍵。為保證安全施工及圍巖穩(wěn)定，制定了“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤量測(cè)”的施工原則，采用“臺(tái)階法”施工(如圖1)并結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、淺孔微差爆破等技術(shù)，提高圍巖穩(wěn)定性，并降低爆破振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

2 爆破設(shè)計(jì)

巖屋沖一號(hào)隧道鑿巖采用一字釬頭，直徑為φ=40 mm，炮孔孔徑為φ=42 mm。為提高軟弱圍巖下爆破施工的安全性，按照“弱爆破、短開挖”的施工原則，確定每循環(huán)進(jìn)尺為150 cm，因此掏槽孔孔深為170 cm、其它炮孔深為160 cm。由于炸藥單耗對(duì)爆破效果和圍巖穩(wěn)定性都有較大的影響，根據(jù)巖屋沖一號(hào)隧道的巖石特性、炸藥性能、斷面面積、炮孔直徑及孔深等因素，設(shè)計(jì)采用2號(hào)巖石炸藥，炸藥單耗量q取為1.0 kg/m3。為降低爆破施工對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)，采用塑料導(dǎo)爆管非電起爆系統(tǒng)，毫秒微差起爆，根據(jù)以上參數(shù)，進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2.1 單孔裝藥量計(jì)算

利用式(1)計(jì)算單孔裝藥量[10]

Qi=ni·li·r

(1)

式中：Qi代表i種類炮孔的單孔裝藥量，kg；ni代表i種類炮孔的裝填系數(shù)，%；li代表i種類炮孔的孔深，m；r代表每米炸藥的質(zhì)量，kg/m；i代表炮孔種類，i=1(掏槽眼)，i=2(底板眼)，i=3(輔助眼)，i=4(周邊眼)。

根據(jù)式(1)計(jì)算可得：

(1)掏槽眼：n1=75%，l1=1.7 m，r=0.78 kg/m，因此Q1=0.99 kg，取值為1 kg。

(2)底板眼：n2=75%，l2=1.6 m，r=0.78 kg/m，因此Q2=0.94 kg，取值為0.9 kg。

(3)輔助眼：n3=75%，l3=1.6 m，r=0.78 kg/m，因此Q3=0.88 kg，取值為0.9 kg。

(4)周邊眼：周邊眼通常為輔助眼的1/3～1/4，取Q4=0.2 kg。

炮孔采用炮泥堵塞，淺孔堵塞長(zhǎng)度不小于20 cm，深孔不小于30 cm。

2.2 炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 掏槽孔參數(shù)設(shè)計(jì)

掏槽孔主要作用為輔助孔及周邊孔提供合適爆破臨空面，掏槽孔爆炸效果的好壞影響著隧道成型的效果?？紤]巖性、斷面寬度、鑿巖臺(tái)架尺寸等條件，本隧道采用二級(jí)復(fù)式楔形掏槽，一級(jí)掏槽孔角度取76°，二級(jí)掏槽孔角度取66°，孔底距取20 cm，上、下掏槽孔間距由巖性決定，取為50 cm。

2.2.2 輔助孔(底板孔)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

輔助孔是破碎巖石的主要炮孔，其均勻布置在掏槽孔周圍，炮孔孔距及排距主要取決于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、以及前期的施工參數(shù)。綜合以上因素，輔助孔孔距取80～90 cm，排距取80～90 cm；底板孔孔距取85 cm，排距取85 m。

2.2.3 周邊孔光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

周邊孔布置在隧道開挖邊界上，孔底位于開挖邊界外約10 cm，采用光面爆破[11,12]。間距取45 cm，最小抵抗線值取50 cm。

2.3 爆破施工工藝

2.3.1 炮孔布置及設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2所示為巖屋沖一號(hào)隧道上下臺(tái)階炮孔布置圖，采用光面爆破控制開挖輪廓線。為減輕爆破施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用淺孔弱爆破方案，每循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5 m，嚴(yán)格控制周邊孔的眼距和裝藥量，盡量減少超欠挖，邊開挖邊噴混凝土3～4 cm，并按設(shè)計(jì)要求及時(shí)施作錨桿、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架，再?gòu)?fù)噴至設(shè)計(jì)要求厚度，盡量使初期支護(hù)封閉成環(huán)，防止圍巖失穩(wěn)崩塌。各炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 巖屋沖一號(hào)隧道爆破炮孔設(shè)計(jì)Table 2 Blasting hole design for No.1 tunnel of Yanwuzhong project

2.3.2 起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路為復(fù)式網(wǎng)路，聯(lián)結(jié)采用電雷管-導(dǎo)爆管雷管-非電毫秒雷管的起爆網(wǎng)路。各炮孔采用非電毫秒雷管微差起爆技術(shù)，以控制單段雷管的起爆藥量和起爆時(shí)間，使爆破震動(dòng)波不疊加，以降低對(duì)圍巖的破壞。為了保證后起爆的網(wǎng)路不被先起爆的炸斷，采用孔內(nèi)微差的起爆網(wǎng)路。具體起爆網(wǎng)路聯(lián)結(jié)為：①孔內(nèi)采用1～19段非電毫秒雷管；②掏槽孔采用1～3段復(fù)式網(wǎng)路聯(lián)接；③其它孔采用5～19段單式網(wǎng)路聯(lián)接；④孔外采用1段非電毫秒雷管復(fù)式網(wǎng)路聯(lián)接。

隧道爆破炮孔起爆順序均為：掏槽孔～崩落孔(輔助眼)～周邊孔～底板孔。崩落孔由里向外逐層起爆。采用多段微差毫秒雷管起爆由里向外起爆，其中周邊孔比輔助孔要跳2段，間隔時(shí)間為50～110 ms，且用同一段雷管和導(dǎo)爆索連接同時(shí)起爆。

3 安全措施

由于巖屋沖一號(hào)隧道圍巖為富水軟弱巖體，為提高爆破施工的安全性，采取了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、超前支護(hù)及排水等措施，提高巖體穩(wěn)定性。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的是在施工前掌握前方的巖體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)，以及地下水、瓦斯等的賦存情況、地應(yīng)力情況等地質(zhì)信息，為進(jìn)一步的施工提供指導(dǎo)。由于巖屋沖一號(hào)隧道全程位于富水軟弱圍巖中，為爆破過(guò)程的安全性，采用了TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、紅外探水技術(shù)、超前地質(zhì)鉆孔、加深炮孔等措施，預(yù)報(bào)施工掌子面前方的巖體條件和含水構(gòu)造。

3.1.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)通過(guò)小藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)沿隧道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中地震波以不同的速度傳播在其界面處被反射，并被高精度的接收器接收。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及掌子面的距離，以預(yù)測(cè)不良地質(zhì)段的性質(zhì)，并可初步測(cè)定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)以供參考。TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖如圖3(a)所示。

3.1.2 紅外探水

巖層由于分子振動(dòng)和晶體格振動(dòng)，每時(shí)每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。當(dāng)探測(cè)前方不存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，紅外輻射場(chǎng)就是常值；而當(dāng)探測(cè)前方存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，地質(zhì)異常體產(chǎn)生的輻射場(chǎng)就要疊加在正常輻射場(chǎng)上，從而使得正常輻射場(chǎng)發(fā)生畸變。紅外探測(cè)的原理就是通過(guò)探測(cè)儀測(cè)量掌子面前方紅外輻射場(chǎng)的異常，預(yù)測(cè)前方的地質(zhì)條件。紅外探水的工作流程為：①?gòu)恼谱用婧蠓降奶綔y(cè)段起點(diǎn)，按5 m點(diǎn)距布設(shè)測(cè)點(diǎn)；②使用紅外線探水儀量測(cè)各測(cè)點(diǎn)的初始場(chǎng)強(qiáng)(目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng))；③對(duì)場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化的測(cè)點(diǎn)重復(fù)量測(cè)，并作橫向、垂向掃描，記錄所在測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的極大和極小值；④以縱座標(biāo)為紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)，橫座標(biāo)為測(cè)點(diǎn)，繪制紅外探測(cè)曲線圖；⑤根據(jù)曲線圖，采用趨勢(shì)外推法，判斷掌子面前方的含水體構(gòu)造。紅外探水示意圖如圖3(b)所示。

3.1.3 超前地質(zhì)鉆孔及加深炮孔

采用沖擊鉆和回轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置取巖芯，鉆孔直徑采用φ=89 mm。活動(dòng)斷裂帶超前探測(cè)長(zhǎng)度80～100 m搭接長(zhǎng)度不小于10 m，其余地段超前探測(cè)長(zhǎng)度不小于30 m，前后兩次搭接長(zhǎng)度不小于5 m。利用巖芯，驗(yàn)證中近距離物探超前探的結(jié)果。

在隧道開挖工作面上的炮眼鉆孔來(lái)探測(cè)前方圍巖的地質(zhì)情況，在每一循環(huán)鉆設(shè)炮孔時(shí)布設(shè)3～15個(gè)鉆孔，較循環(huán)進(jìn)尺加深3 m以上作為探測(cè)孔，探測(cè)掌子面前方地質(zhì)條件。

3.2 超前支護(hù)及治水

3.2.1 超前支護(hù)

為增強(qiáng)巖屋沖一號(hào)隧道圍巖的自穩(wěn)能力，針對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的破碎區(qū)域，采用了超前管棚支護(hù)和超前小導(dǎo)管的超前支護(hù)方式。

超前管棚采用管棚鉆機(jī)或水平地質(zhì)鉆機(jī)造孔，鋼管洞外分節(jié)加工，并按設(shè)計(jì)鉆設(shè)注漿孔，采用鉆機(jī)推進(jìn)器頂進(jìn)，高壓注漿泵注漿。

超前小導(dǎo)管采用手持風(fēng)鉆鉆孔，將小導(dǎo)管送入風(fēng)鉆釬尾套開動(dòng)風(fēng)鉆頂入，注漿泵注漿，超前小導(dǎo)管尾部與鋼架焊接牢固，并嚴(yán)格控制小導(dǎo)管數(shù)量、間距及外插角。

3.2.2 治水措施

巖屋沖一號(hào)隧道地表水系發(fā)育，為降低水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的不利影響，采取排堵結(jié)合的治水措施。對(duì)于與地表存在良好水力聯(lián)系、地下水發(fā)育、具有中等富水性和強(qiáng)富水的斷層及影響帶地段采用“以堵為主，限量排放”的原則，其余地段按照“以排為主，防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進(jìn)行處理。

地表水主要采用截流進(jìn)行治理，在開挖邊線5 m以外設(shè)截水天溝，將水引離洞口，防止地表水沖刷自然坡，灌入洞內(nèi)，以保證隧道洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

地下水主要采用堵水措施進(jìn)行治理。在加強(qiáng)施工過(guò)程中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)注漿來(lái)改良軟弱破碎巖體、封堵地下水。根據(jù)注漿目的的不同，注漿施工方案主要包括超前周邊注漿、局部注漿、徑向注漿等。超前周邊注漿主要用于在易涌水地段封閉圍巖，以控制地下水涌出。斷層破碎帶施工采用小導(dǎo)管法進(jìn)行注漿對(duì)隧道四周及掌子面圍巖進(jìn)行固結(jié)堵水，并加強(qiáng)初期支護(hù)防拱部及掌子面失穩(wěn)坍塌。對(duì)注漿盲區(qū)、注漿后的巖面滲漏水應(yīng)采用小導(dǎo)管法進(jìn)行補(bǔ)注漿。上述注漿方案的適用范圍如表3。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果

以上爆破施工方案及安全措施在張吉懷高鐵巖屋沖一號(hào)隧道進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)觀察，光面爆破效果良好，施工過(guò)程中未發(fā)生突水、突泥以及圍巖失穩(wěn)塌方等事故。該隧道于2018年7月9日如期順利貫通。通過(guò)采取的兩臺(tái)階的淺孔弱爆破施工方案，以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)及治水措施，有效保證了巖屋沖一號(hào)隧道的工程質(zhì)量和施工安全，施工效果如圖4所示。

表3 隧道注漿方案適用范圍表Table 3 Employable conditions for different slip casting schemes

5 結(jié)論

以張吉懷高鐵巖屋沖一號(hào)隧道爆破工程為背景，針對(duì)隧道全程處于富水軟弱圍巖中的地質(zhì)條件和“臺(tái)階法”的施工方法，提出了“弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早閉合、勤量測(cè)”的設(shè)計(jì)原則，并介紹了淺孔弱爆破的光面爆破的施工方案，以及超前探測(cè)、超前支護(hù)及排水等安全措施。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)采用上下兩臺(tái)階的淺孔弱爆破施工方案，在保證爆破效果的基礎(chǔ)上，有效降低爆破對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)。

(2)采用了包括TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、紅外探水和超前鉆孔等探測(cè)手段獲取地質(zhì)信息，并有針對(duì)性的采用超前管棚、超前小導(dǎo)管、超前周邊注漿、局部注漿以及徑向注漿等支護(hù)和治水措施，提高了圍巖的自穩(wěn)能力。

(3)采用基于“臺(tái)階法”的淺孔弱爆破施工方法，以及超前探測(cè)、超前支護(hù)及治水等措施，有效解決了張吉懷高鐵巖屋沖一號(hào)隧道富水軟弱圍巖爆破施工的安全性問(wèn)題。