上軟下硬巖體大斷面隧道掏槽爆破技術(shù)優(yōu)化*

朱永學(xué)，王丙坤，謝豐澤，徐幫樹，張萬志,3，張 劍，蔣 勇

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，廊坊 065201;2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南 250061;3.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，濟南 250357)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，雙向六車道及八車道大斷面山嶺隧道工程日趨增多。當(dāng)前，山嶺隧道掘進開挖多采用光面爆破開挖方法，且掏槽爆破方式主要以楔形掏槽為主。由于隧道橫斷面較大，其洞身段常存在巖體軟硬不均、上軟下硬或上硬下軟等情況，此時常因爆破參數(shù)不合理，造成隧道超挖或欠挖。針對掌子面上軟下硬的情況，若掏槽孔楔形設(shè)計的炮孔數(shù)量、間距、布置形式及裝藥量等參數(shù)設(shè)計不合理，爆破開挖后常出現(xiàn)大塊石、掌子面欠挖及爆破振動過大等不良影響[1-3]。

影響隧道掏槽爆破效果的因素主要包括兩類：圍巖地質(zhì)特征和掏槽爆破參數(shù)。其中，圍巖地質(zhì)特征包括巖體類型及分布、巖石力學(xué)性質(zhì)及軟弱結(jié)構(gòu)面等；掏槽爆破技術(shù)包括掏槽孔形式、炮孔參數(shù)、裝藥參數(shù)以及爆破荷載作用等[4-8]。目前，由于工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變、爆破荷載的瞬時作用和爆炸載荷作用下爆破介質(zhì)的非線性力學(xué)行為，隧道楔形掏槽破巖成型機理尚沒有相對成熟的研究成果，學(xué)者多基于工程實踐經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬等方法開展相關(guān)研究。鄒新寬通過分析楔形分段毫秒延遲掏槽爆破機理，依托實際工程，提出了掏槽深度比、段間裝藥分配比、炮孔傾角和段間延遲時間等掏槽爆破關(guān)鍵參數(shù)的確定方法[9,10]。石洪超采用現(xiàn)場振動監(jiān)測和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，研究了楔形掏槽孔的布置角度對爆破開挖振動極值和最大振動速度出現(xiàn)位置的影響[11]。龔敏等通過開展現(xiàn)場單掏槽孔單自由面爆破實驗，獲得了其不同裝藥量和時間振動曲線，同時應(yīng)用MATLAB獲得了多孔微差掏槽爆破后的累加曲線，確定了安全藥量計算方法[12]。吉凌等依托實際隧道工程，應(yīng)用理論分析和數(shù)值模擬等方法提出了適用于特大斷面隧道的倒T型掏槽爆破方法，提高了炮孔利用率，且降低了炸藥單耗[13]。上述研究多集中在大斷面掏槽爆破參數(shù)對爆破掏槽體積及爆破振動的影響，而針對上軟下硬的巖體特征，掏槽爆破后出現(xiàn)掌子面欠挖及大塊石的情況研究較少。

為此，基于海螺峪隧道現(xiàn)場掏槽爆破試驗，研究了大斷面上軟下硬隧道楔形掏槽參數(shù)對隧道爆破效果的影響。研究成果對該類隧道工程掏槽爆破設(shè)計及提高掘進開挖進度具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程實例

1.1 工程概況

高速公路工程海螺峪隧道位于山東省濟南市歷城區(qū)錦繡川鎮(zhèn)海螺峪村。隧道為左、右線分離式隧道，左線起訖里程為Z1K11+445～Z1K14+280，長2835 m；右線為K11+395～K14+410，長3015 m。隧址區(qū)地形起伏較大，地面高程260.0～670.0 m，相對高差410 m；隧道埋深40～200 m，最大埋深約380 m。海螺峪隧道地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

海螺峪隧道Ⅳ級圍巖左線長500 m、右線長320 m；V級圍巖左線長2275 m、右線長2695 m。隧道為雙向六車道，其V級圍巖段隧道標準開挖斷面設(shè)計高度12.16 m、寬度18.20 m，如圖2所示。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)測繪資料和鉆探報告，隧址區(qū)洞身巖性為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，灰黃色；或中風(fēng)化石灰?guī)r，青灰色；或中風(fēng)化頁巖，褐紅色；或中風(fēng)化花崗巖，灰綠色。其中中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r單軸抗壓強度約為10 MPa，中風(fēng)化頁巖單軸抗壓強度約為11 MPa，而中風(fēng)化石灰?guī)r單軸抗壓強度約為50 MPa，中風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強度約為65 MPa，存在地層巖性不一，巖體軟硬不均的情況。

2 掏槽爆破存在的問題

2.1 掏槽爆破方案

海螺峪隧道試驗段Z1K12+065～Z1K12+185，均為V級圍巖，洞身段巖體特征為拱頂至拱腰分布中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r或頁巖，巖體完整性及強度較差；而拱腰至拱腳分布中風(fēng)化石灰?guī)r，巖體完整性及強度較好。該段采用上、下臺階法開挖，上臺階開挖寬度為18.0 m、高度為7.5 m，開挖面積約為105.1 m2。考慮鑿巖臺車的寬度，為便于掏槽孔鉆孔和滿足掏槽腔體積大小要求，上臺階掏槽孔爆破采用四級楔形掏槽，掏槽孔鉆孔布設(shè)如圖3所示，一級掏槽孔(主掏槽孔)炮孔孔口距約為8.0 m，一級至四級掏槽孔每兩排炮孔孔口距約為80 cm，每排炮孔豎向間距為70～90 cm；每循環(huán)進尺約為4.0 m，一級至四級掏槽孔與掌子面的夾角分別為47°、58°、66°和77°，炮孔長度分別為5.7、4.8、4.4和4.1 m。掏槽爆破使用2號巖石乳化炸藥，為毫秒延遲起爆，自一級至四級掏槽孔逐級爆破，起爆時差約為50 ms。掏槽孔的裝藥參數(shù)見表1，總裝藥量為127.2 kg。

表1 隧道掏槽孔參數(shù)及裝藥量Table 1 Tunnel cut blasting parameters and charge quantities

2.2 存在問題分析

基于原掏槽爆破爆后效果分析，掌子面巖體破壞存在以下兩點主要問題。

(1)爆破后掌子面中底部存在根底。海螺峪隧道試驗段圍巖雖為V級圍巖，但洞身巖性不一，存在上軟下硬的巖體特征，其掌子面中底部巖體單軸抗壓強度大于30.0 MPa，導(dǎo)致原掏槽爆破后掌子面中底部存在一定范圍的根底(即欠挖)，范圍分布高度1.0～1.5 m，寬度4.0～6.0 m，外凸厚度約0.5 m，如圖4所示。

(2)爆破后存在大尺寸的塊石。由于海螺峪隧道上臺階寬度為18.0 m，一級主掏槽孔的炮孔孔口距約為8.0 m，該楔形掏槽設(shè)計導(dǎo)致爆破開挖后產(chǎn)生大尺寸塊石，選取一次典型的掘進開挖案例，其爆后塊石尺寸如圖5所示，塊石長度×寬度×高度約為2.0 m×1.0 m×1.5 m。為滿足現(xiàn)場出渣要求，需要對大尺寸塊石進行二次鉆孔及爆破，造成施工安全隱患，且影響掘進施工進度。

分析大斷面上軟下硬巖質(zhì)隧道掏槽爆破存在欠挖和大塊石的原因為：(1)洞身巖性軟硬不均，為上軟下硬，掌子面中底部巖體多為中風(fēng)化石灰?guī)r；(2)考慮V級圍巖特征設(shè)計掏槽爆破參數(shù)，存在炮孔數(shù)量少，炮孔孔口距過大的問題；(3)爆破進尺過大，導(dǎo)致單孔裝藥量較多，造成單孔裝藥集中度過大；(4)掌子面中底部上、下臺階交界處未設(shè)底孔。

3 掏槽爆破優(yōu)化及效果

隧道掏槽爆破欠挖和大塊石，必然影響出渣施工作業(yè)的進度滯后及機械運轉(zhuǎn)，同時對下一循環(huán)的鉆孔布設(shè)造成影響。

基于試驗段隧道原掏槽爆破效果及成因分析，通過現(xiàn)場試驗，提出“四級復(fù)式楔形掏槽”的掏槽孔設(shè)計，增大掏槽腔體體積，同時解決爆破大塊石的問題；掌子面中底部增加底孔，協(xié)同掏槽孔爆破解決掌子面中底部欠挖的問題；減小掏槽孔最大單孔裝藥量，增加掏槽炮孔數(shù)量，使巖體破碎充分且降低爆破震動。

3.1 掏槽炮孔參數(shù)優(yōu)化

考慮到圍巖的巖性不一，中風(fēng)化石灰?guī)r單軸抗壓強度約為50 MPa，中風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強度約為65 MPa，設(shè)計兩種掏槽爆破方案。具體如下：

(1)掌子面圍巖分布以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，且?guī)r體單軸抗壓強度大于30.0 MPa時，掏槽形式為復(fù)式楔形掏槽，如圖6(a)所示。增設(shè)復(fù)式掏槽短孔4個，為二對、左右對稱布置；其炮孔長度為2.6 m，孔口距為4.0 m，炮孔豎向間距為1.0 m，與掌子面的夾角為46°，距上、下臺階交界面1.0 m。

(2)掌子面圍巖分布以中風(fēng)化花崗巖為主，且?guī)r體單軸抗壓強度大于45.0 MPa時，掏槽形式為復(fù)式楔形掏槽，如圖6(b)所示。增設(shè)復(fù)式掏槽短孔6個，為三對、左右對稱布置，其中二對炮孔長度為2.7 m，孔口距為3.0 m，與掌子面的夾角為62°；一對炮孔長度為2.6 m，孔口距為4.0 m，與掌子面的夾角為46°；其炮孔間距約為0.9 m，距上、下臺階交界面0.6 m。此外，增加二級掏槽孔4個，為二對、左右對稱布置。

3.2 增設(shè)底孔

圖6中上臺階掌子面中底部存在欠挖的巖體根底，分析其原因之一是未設(shè)置底孔。因此，在掌子面中底部增設(shè)底孔6個，炮孔間距約為1.5 m，炮孔長度為4.0 m，豎向向下外插角為3°。

3.3 減少單孔裝藥量

參考相關(guān)文獻的研究[14-16]，減小掏槽孔單孔裝藥集中度，設(shè)置掏槽孔的單孔最大裝藥量為2.7 kg，詳細裝藥參數(shù)參見表2、表3，其中掏槽短孔的單孔裝藥量為1.5 kg，底孔單孔裝藥量為2.1 kg；四級二復(fù)式和三復(fù)式楔形掏槽總裝藥量分別為121.2和124.2 kg。與優(yōu)化前掏槽裝藥情況相比，優(yōu)化后的整個掏槽腔體體積內(nèi)炸藥分布集中度減小、但分布范圍更廣。

表2 四級二復(fù)式楔形掏槽參數(shù)及裝藥量Table 2 Tunnel four-stage two-duplex wedge cut blasting parameters and charge quantities

表3 四級三復(fù)式楔形掏槽參數(shù)及裝藥量Table 3 Tunnel four-stage three-duplex wedge cut blasting parameters and charge quantities

3.4 優(yōu)化爆后效果

采用上述掏槽爆破優(yōu)化參數(shù)進行掘進開挖，提高了掏槽爆破開挖效果，表現(xiàn)為擴大了掏槽腔體體積，消除了掌子面中底部的欠挖，形成了平整的掌子面開挖面，如圖7所示；最大掏槽塊石尺寸大大減小，其最大尺寸約為 0.8 m × 0.5 m × 0.3 m(長度×寬度×高度)，如圖8所示；掌子面中底部開挖面平整、無欠挖，有利于機械運作、鑿巖臺架移動和下一循環(huán)的鉆孔作業(yè)；最大塊石尺寸減小避免二次爆破作業(yè)，提高了施工安全和出渣效率。

優(yōu)化后，隧道開挖循環(huán)進尺平均為3.71 m，炮孔利用率為92.7%，炸藥單耗約為0.76 kg/m3；試驗前，開挖循環(huán)進尺平均為3.57 m，炮孔利用率為89.3%，炸藥單耗約為0.79 kg/m3。

4 結(jié)論

(1) 針對海螺峪隧道試驗段掌子面上軟下硬的巖體特性和原掏槽爆破方案下隧道掌子面中底部欠挖、產(chǎn)生大尺寸塊石等工程問題，提出了“復(fù)式楔形掏槽”的多排掏槽孔設(shè)計、增加掏槽孔數(shù)量、減小掏槽孔最大單孔裝藥量和掌子面中底部增加底孔等措施，改善了掏槽爆破開挖效果。

(2) 對于大斷面巖質(zhì)隧道，采用復(fù)式楔形掏槽設(shè)計，有利于減小炮孔孔口距、擴大掏槽腔體體積；通過增設(shè)底孔及設(shè)計一定外插角，形成掏槽孔與底孔的協(xié)同作用，有利于消除掌子面中底部的欠挖及形成平坦的底面。

(3) 大斷面巖質(zhì)隧道中底部巖體完整性越好、圍巖單軸抗壓強度越強，則復(fù)式楔形掏槽設(shè)計應(yīng)考慮增加掏槽短孔的數(shù)量、擴大掏槽裝藥分布范圍和增加掏槽總裝藥量。