光面爆破在隧道中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

李超

（中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東泰安271000）

1 引言

張吉懷鐵路隧道地屬紅層地質(zhì)，為典型易滑地形。地層巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖為主，受雪峰山隆起帶影響，褶皺、構(gòu)造發(fā)育、斷層等，隧道多具壓性特征。線路以大角度穿越，受構(gòu)造影響較小。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)的95.2%。因此，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段如何更好地控制隧道開(kāi)挖的安全，及隧道超挖引起的噴射混凝土超方，減少工序循環(huán)時(shí)間尤為關(guān)鍵。而光面爆破這一施工工藝，可以更好地保證施工安全，控制超挖引起的材料消耗和時(shí)間成本，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路線路從張家界地區(qū)黔張常鐵路張家界西站引出，途經(jīng)湘西土家族，苗族自治州管轄的永順縣、古丈縣、吉首市和鳳凰縣，由麻陽(yáng)苗族自治縣至滬昆客專懷化南站，正線全長(zhǎng)243.265km。鐵路等級(jí)：高速鐵路；正線數(shù)目：雙線；設(shè)計(jì)行車速度：350km/h；線間距：5.0m。ZJHZQ-9標(biāo)段3 分部起訖起止里程為：DK215+126.27～DK225+202.53，線路全長(zhǎng)10.076km。其中，橋梁1 032.28m，隧道8 468.44m，路基585.83m，正線隧道比83.96%?；炷量偡搅考s47.39m3。隧道穿越圍巖較差，多數(shù)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，以紅褐色泥質(zhì)粉砂巖為主。隧道產(chǎn)值占據(jù)絕大部分。全線隧道初支噴射混凝土作業(yè)所有圍巖均采用光面爆破和濕噴工藝。隧道Ⅲ級(jí)圍巖410m 占比4.8%、Ⅳ級(jí)圍巖3930m 占比46.4%、Ⅴ級(jí)圍巖4 128.44m 占比48.8%，噴射混凝土8.72m3，其他混凝土34.19m3。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和施工

3.1 光面爆破機(jī)理

光面爆破機(jī)理是：光面爆破自掏槽眼開(kāi)始起爆，形成臨空面，由內(nèi)向外逐層起爆。在形成圓順臨空面的前提下，周邊眼互為導(dǎo)向孔。起爆后光爆層巖體沿周邊眼連線開(kāi)裂，產(chǎn)生圓順的開(kāi)挖輪廓。又稱為輪廓爆破或周邊爆破[1]。

3.2 光面爆破施工

3.2.1 開(kāi)挖作業(yè)工序

工序：測(cè)量放線—鉆孔平臺(tái)就位—鉆孔—鉆孔質(zhì)量驗(yàn)收—裝藥堵塞炮孔—連接起爆網(wǎng)路—起爆—通風(fēng)—危石排險(xiǎn)處理—本循環(huán)總結(jié)。

3.2.2 技術(shù)要點(diǎn)和參數(shù)選擇

本項(xiàng)目部圍巖多為Ⅳ、Ⅴ級(jí)泥質(zhì)粉砂巖，巖體較破碎，巖石強(qiáng)度不高，飽和單軸抗壓強(qiáng)度普遍少于15MPa，巖體波速2 600～4 400m/s，多為軟質(zhì)巖[2]。

本文選取代表性較強(qiáng)的Ⅳ級(jí)圍巖參數(shù)和應(yīng)用進(jìn)行論述。

1）根據(jù)圍巖的特性，使用低沖擊度和低爆速的小直徑炸藥。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)適用率抽檢后，采用φ32mm 的2 號(hào)巖石乳化炸藥，炸藥長(zhǎng)30cm，0.3kg/節(jié)。爆炸性能試驗(yàn)指標(biāo)：密度1 300kg/m3，爆速≥4 600m/s，猛度≥16mm，做功能力≥260mL，殉爆距離≥6cm。

2）周邊眼常用參數(shù)的選擇是控制開(kāi)挖輪廓平整度的重要因素。周邊眼間距較大，會(huì)減弱應(yīng)力波在周邊眼中心連線上的疊加效果，增加裂紋貫通的難度，對(duì)于相鄰周邊眼，“空孔效應(yīng)”也會(huì)增大，易形成欠挖。距離較小，則應(yīng)力波在周邊眼連線中的疊加效果越大，裂紋擴(kuò)展的范圍增加，易形成超挖。通常，周邊眼的距離E=（12～15）d，炮孔的直徑為d=35～45mm。最小抵抗線W（光爆層的厚度），直接影響光面爆破效果和爆碴塊度。其取值在（13～22）d范圍內(nèi)，且W≥E。結(jié)合文獻(xiàn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化確定，采用E=45cm，d=42mm，W=60cm。

3）周邊眼密集系數(shù)K=0.75，一般情況，以K=E/W=0.7～1.0為宜。

4）確定炸藥的單耗量q和周邊眼裝藥集中度Q。炸藥單耗量對(duì)裝藥效率，炮孔利用率，開(kāi)挖壁面的平整度和圍巖的穩(wěn)定性有很大影響。它取決于巖性，斷面面積，炮孔直徑和炮孔深度等多種因素。炸藥單耗量取0.693kg，周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度Q=qEW=0.19kg·m-1。

5）周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量，是達(dá)到光面爆破效果的重要條件。周邊眼采用間隔空氣非耦合裝藥形式，徑向不耦合系數(shù)D=d炮眼/d炸藥=1.31。即藥節(jié)與炮孔內(nèi)存在著空氣間隙時(shí)，爆破將在間隙中衰減，從而降低了對(duì)孔壁的沖擊力，減少傳遞到巖面的爆炸能量。具體周邊眼裝藥方式：竹片間隔綁扎為串，0.3kg 藥節(jié)分成3 小節(jié)。孔底裝藥1/3 節(jié)，間隔60cm/小節(jié)，依次向孔口裝藥，炮泥堵塞距離孔口30cm 處。周邊眼均設(shè)置導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索引到孔底藥節(jié)處?？椎姿幑?jié)采用反包導(dǎo)爆索形式。導(dǎo)爆索均采用“T”形連接，自兩側(cè)拱腳向上依次連接，交匯于拱頂。為保證爆破質(zhì)量，避免瞎爆，周邊眼設(shè)置5 處加裝雷管，于周邊眼藥卷第2 小節(jié)。

6）選擇合適的掏槽形式以獲得理想的掏槽效果，形成新的臨空面。并采用毫秒微差有序起爆，使爆破按掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底板眼的順序進(jìn)行，以便從內(nèi)到外逐次開(kāi)辟臨空面。

3.2.3 炮孔布置和爆破實(shí)施

根據(jù)不同圍巖的裝藥系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破效果調(diào)整爆破參數(shù)至最優(yōu)。Ⅳ級(jí)圍巖爆破參數(shù)、炮孔布置如下，如圖1 所示。

設(shè)計(jì)炮孔深度3.3m，進(jìn)尺3m 循環(huán)，炮孔利用率100%，開(kāi)挖量257.34m3，炸藥單耗量0.693kg。

圖1 鉆爆設(shè)計(jì)圖（ 單位：cm）

3.2.4 光面爆破成果展示

選取的掌子面是項(xiàng)目常見(jiàn)Ⅳ級(jí)圍巖，紅層節(jié)理裂縫較陡傾，拱頂存在與掌子面成80°夾角節(jié)理；拱腰、拱腳節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖局部破碎。爆破完成后，開(kāi)挖輪廓線完整，拱部平整度好，巖面超挖較少，炮眼殘眼率90%。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)挖輪廓3D 掃描圖分析得：采用光面爆破后的超挖量從平均35cm 減少到15cm，上臺(tái)階平均超挖量減少了4m3/m。炮眼殘存率和超挖深度滿足光面爆破標(biāo)準(zhǔn)。

4 效益總結(jié)

4.1 材料效益

4.1.1 混凝土消耗

上臺(tái)階噴射混凝土用量減少4m3/m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際稱重和相關(guān)文獻(xiàn)，噴射混凝土回彈量取20%計(jì)算，噴射混凝土的實(shí)際使用量減少4.8m3/m。噴射混凝土單價(jià)380 元/m3，施工成本164.27 元/m3。

綜上，混凝土消耗方面產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2 612.4 元/m。

4.1.2 炸藥、雷管消耗

綜合分析表明，光面爆破的使用與常規(guī)爆破炸藥的使用，以及炮孔的布置基本相同，根本區(qū)別在于光面爆破的周邊眼采用串狀裝藥結(jié)構(gòu)結(jié)合導(dǎo)爆索的形式。

光面爆破3m 循環(huán)，消耗導(dǎo)爆索181.6m，成本908 元，周邊眼雷管節(jié)約46 發(fā)，減少成本230 元。因此，上臺(tái)階炸藥和雷管的成本增加了226 元/m。

4.1.3 總計(jì)

由于材料消耗減少的成本為2 386.4 元/m。全線隧道8 468.44m，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益2 020.91 萬(wàn)元。

4.2 時(shí)間效益

在當(dāng)前的圍巖條件下，項(xiàng)目多采用2 臺(tái)階施工工法光面爆破鉆孔裝藥時(shí)間增加了0.5h，但是光面爆破減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)和超挖，因此，減少了出渣排險(xiǎn)和噴射混凝土的時(shí)間。整個(gè)一循環(huán)減少工序時(shí)間1h。

隧道正常進(jìn)尺施工過(guò)程中，一個(gè)掌子面工人約90 人，每月所需人工費(fèi)和機(jī)械費(fèi)，共計(jì)費(fèi)用90.2 萬(wàn)元，定額到每小時(shí)為1 252 元。故掌子面因工序時(shí)間縮短，減少3.75 萬(wàn)元/月。

隧道施工中，安全步距牽扯整體的挖掘進(jìn)尺，故以二襯臺(tái)車工作面計(jì)為正常施工工作面來(lái)計(jì)算時(shí)間效益。項(xiàng)目全線共計(jì)12 個(gè)二襯臺(tái)車，即每臺(tái)車施工705m 二襯，正常施工工期為7 個(gè)月/掌子面。工序時(shí)間產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益315.7 萬(wàn)元。

4.3 安全質(zhì)量效益

使用光面爆破技術(shù)，周邊眼會(huì)留有大量空氣柱，應(yīng)力集中變小，從而減少了炮震對(duì)圍巖的松動(dòng)深度、破碎程度和震動(dòng)范圍，避免了常規(guī)爆破對(duì)圍巖干擾大的問(wèn)題，充分利用了圍巖的自承能力，減少落石概率，保證隧道施工的安全。光面爆破的使用也極大限度地減少了超挖，并避免了由于超挖而在初支背后面形成空洞的隱患和后續(xù)注漿費(fèi)用，減少了濕噴厚度過(guò)厚產(chǎn)生掉塊的危險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

光面爆破需根據(jù)圍巖級(jí)別，斷面大小，循環(huán)進(jìn)尺，機(jī)械設(shè)備等綜合考慮。通過(guò)與工班簽訂鉆爆技術(shù)合同，加強(qiáng)管理，嚴(yán)格施工工藝，共同配合，可以取得良好的光爆效果。

通過(guò)對(duì)山嶺隧道爆破工程中光面爆破帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的研究，切實(shí)論證了光面爆破可以控制成本，加快工程進(jìn)度，提高生產(chǎn)的安全和質(zhì)量，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前嚴(yán)峻的市場(chǎng)條件下，光面爆破對(duì)于山嶺隧道施工，具有切實(shí)可行的推廣和使用的適用性。