錨碇隧道開挖爆破施工技術(shù)研究

張磊

（四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，成都 610000）

1 引言

懸索橋具有跨度大、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)省材料等特點(diǎn)，在山區(qū)高速公路中常采用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)來跨越山溝及大河。錨碇結(jié)構(gòu)是懸索橋中主要承受纜索拉力的結(jié)構(gòu)。錨碇隧道對橋址區(qū)巖體要求高，施工工藝復(fù)雜，無法得到廣泛運(yùn)用，而鉆眼爆破法具有適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，在山嶺隧道施工中運(yùn)用得較為廣泛。錨碇隧道爆破施工是一個(gè)反復(fù)作用的過程，使錨碇隧道圍巖損傷不斷增加，影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，直接關(guān)系著懸索橋的運(yùn)營安全及使用周期[1-4]。錨碇隧道常采用光面爆破施工，根據(jù)錨碇隧道設(shè)計(jì)斷面的輪廓線布置光爆孔，確定光爆孔的裝藥系數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)，形成平整、光滑的隧道周壁，減小爆破施工對圍巖的擾動，有利于保證錨碇隧道圍巖的穩(wěn)定性。錨碇隧道采用光面爆破技術(shù)可有效控制超欠挖，以減少爆破施工對圍巖的損傷，加快施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本，給建設(shè)單位帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 工程概況

雅安側(cè)錨錠為隧道錨，分左右兩側(cè)，錨洞洞室整體為喇叭形，斷面由洞口向洞內(nèi)逐漸變大。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隧道錨可分為錨塞體、散索鞍支墩、錨室、錨洞4部分。左右洞隧道錨軸線總長度為159 m，其中，軸室軸線長度為74.8 m，錨塞體軸線長度為39.2 m，錨洞軸線長度為45 m。錨洞凈斷面為6.4 m（寬）×6.6 m（高），拱頂半徑為3.2 m，底板反拱，半徑為4.64 m；錨塞體后錨面斷面尺寸為17.1 m（寬）×18.37 m（高），拱頂半徑為8.55 m，地面反拱，半徑為12.4 m。左右洞隧道錨間最小凈距為9.3 m，隧道錨與瀘定隧道最小凈距為26.42 m，大于2倍的單洞隧道寬度。錨碇隧道圍巖為閃長巖和蝕變二長花崗巖，巖體中存在節(jié)理裂隙，且受后期卸荷影響，前期構(gòu)造產(chǎn)生的部分節(jié)理裂隙產(chǎn)生張裂縫。

3 錨碇隧道施工難點(diǎn)分析

1）由于錨碇隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及隧址區(qū)域復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，隧道單次開挖進(jìn)尺小，循環(huán)爆破對圍巖的擾動次數(shù)將不可避免地增加。

2）錨碇隧道的錨塞體位置處，中夾巖墻厚度小于2倍隧道跨度，為小凈距段施工。同時(shí)，懸索橋錨碇隧道和瀘定隧道的相對距離較小，為小凈距隧道。錨碇隧道開挖爆破施工需要嚴(yán)格控制爆破振動強(qiáng)度才能避免對鄰近隧洞和洞室的穩(wěn)定性與安全性帶來影響。

3）由于錨碇隧道特定的結(jié)構(gòu)形式，在不斷進(jìn)行錨碇隧道的開挖爆破施工時(shí)，錨洞開挖斷面逐漸增大，需不斷對開挖爆破孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)設(shè)計(jì)斷面尺寸。

4）隨著錨碇隧道斷面不斷增大，為了破碎拋擲巖石，需加大炸藥用量，其引起的振動越來越強(qiáng)烈，但隨著錨碇隧道的不斷掘進(jìn)，中夾巖墻的厚度不斷減小，中夾巖墻的振動控制越苛刻，如何控制振動強(qiáng)度與單循環(huán)進(jìn)尺的總炸藥量是本工程的重大難點(diǎn)。

4 錨碇隧道控制爆破方案

4.1 錨碇隧道控制爆破技術(shù)方案

1）控制錨碇隧道每一循環(huán)的開挖進(jìn)尺可以有效控制爆破振動強(qiáng)度，單循環(huán)進(jìn)尺直接關(guān)系著單次爆破開挖方量，影響著施工進(jìn)尺。因此，確定合理的隧道上臺階單次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺，可以達(dá)到控制爆破振動的要求，還可以提高施工效率。根據(jù)本工程地質(zhì)條件和爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)，錨碇隧道上臺階單次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺確定為1.8 m，并對施工過程中爆破振動強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)振動強(qiáng)度遠(yuǎn)小于振動控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以適當(dāng)增加單次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺。

2）錨碇隧道施工過程中，受開挖爆破自由面條件的限制，雖然掏槽孔單段起爆藥量不是最大的，但在掘進(jìn)和爆破的所有炮孔中，掏槽孔開挖爆破所受的夾制作用最大，因此，在錨碇隧道掘進(jìn)爆破引起的振動強(qiáng)度中，掏槽孔最為強(qiáng)烈。為充分利用掌子面有限的自由面，減少掏槽孔的夾制作用，降低爆破振動強(qiáng)度，在進(jìn)行錨碇隧道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小掏槽孔軸線與掌子面的夾角，錨碇隧道在單次掘進(jìn)爆破進(jìn)尺為1.8 m時(shí)，掏槽角選取為50°~65°，隨著隧道開挖寬度不斷增加（8~17.7 m），掏槽角越來越小，掏槽爆破的振動明顯減弱。

3）錨碇隧道掘進(jìn)爆破的炮孔數(shù)量較多，為了控制爆破振動強(qiáng)度，必須采用毫秒微差延遲起爆技術(shù)控制隧道掘進(jìn)爆破單次起爆藥量。因此，為了減少各段炮孔引起的地震波相互疊加，每段炮孔之間或同類炮孔中不同圈層炮孔之間的起爆時(shí)差應(yīng)控制在50 ms以上。同時(shí)，對實(shí)時(shí)監(jiān)測的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行判讀和分析，確保各段爆破的振動速度不形成50%以上的疊加，作為起爆延時(shí)時(shí)間的依據(jù)。

4）為了減弱開挖爆破對錨洞圍巖的擾動破壞，同時(shí)，使爆破開挖形成平整的輪廓線，并有效地控制隧道的超挖和欠挖，隧道開挖邊界上的周邊孔采用光面爆破。根據(jù)錨碇隧道圍巖情況，光面爆破的炮孔間距選為40~50 cm，現(xiàn)場鉆孔時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對炮孔間距進(jìn)行調(diào)整，周邊孔采用的線裝藥密度不小于0.2~0.3 kg/m。周邊孔采用光面爆破藥卷，炸藥爆速最好控制在約2 200 m/s，藥卷直徑控制在20~25 mm，并且采用徑軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，減弱光面炸藥起爆引起的應(yīng)力波對孔壁圍巖的沖擊，避免在隧道周壁產(chǎn)生粉碎圈，縮小爆破對圍巖的擾動范圍。

4.2 錨碇隧道控制爆破設(shè)計(jì)

錨碇隧道鉆眼爆破的炮孔直徑為40 mm。

4.2.1 錨碇隧道爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1）單循環(huán)爆破進(jìn)尺。根據(jù)錨碇隧道區(qū)域的地質(zhì)條件、隧道施工進(jìn)度、小凈距隧道及鄰近隧道的振動控制要求，錨碇隧道單次掘進(jìn)爆破施工進(jìn)尺為1.8 m，考慮到隧道爆破炮孔利用率為0.9，故本次爆破方案炮孔深度設(shè)計(jì)為2 m。

2）炸藥單耗。依據(jù)錨碇隧道的開挖斷面尺寸、隧道圍巖強(qiáng)度及巖石的完整度，并結(jié)合相關(guān)工程開挖爆破經(jīng)驗(yàn)，爆破施工采用2#巖石乳化炸藥，本工程開挖爆破設(shè)計(jì)采用的炸藥單耗為q=1.0~1.2 kg/m3。

3）單次開挖爆破的炸藥量。每次開挖爆破所需要的炸藥量根據(jù)錨碇隧道斷面尺寸、隧道單次開挖爆破進(jìn)尺和巖石炸藥單耗確定。由于錨碇隧道每次開挖的斷面尺寸都不相同，故每次爆破所需要的炸藥量各不相同，每次根據(jù)爆破的振動及巖石爆破破碎效果對單次爆破所使用的炸藥量進(jìn)行調(diào)整。單次開挖爆破所需的炸藥量計(jì)算式如下：

式中，q為炸藥單耗，kg/m3；s為隧道掘進(jìn)斷面面積，m2；L為掌子面上炮孔的平均深度，m；η為炮孔利用率，一般在0.85~0.95，設(shè)計(jì)按照0.90計(jì)算。得到前錨室段單循環(huán)爆破的炸藥耗量為Q=43~58 kg。

4）炮孔堵塞長度。炮孔堵塞長度一般可根據(jù)炮孔直徑確定：

式中，l堵為堵塞長度，m；d為炮孔直徑，m。經(jīng)計(jì)算，對于光面爆破孔的堵塞長度應(yīng)不小于0.4 m，其他炮孔的堵塞長度為0.8~1.0 m（掏槽孔可取小值）。

4.2.2 錨碇隧道爆破施工設(shè)計(jì)

1）炮孔設(shè)計(jì)。錨碇隧道上臺階開挖爆破中掏槽孔和輔助掏槽孔均按矩形布置設(shè)計(jì)，炮孔深度均為2.2 m，掏槽孔的排距為0.5 m，孔口距為2.6 m，并根據(jù)隧道開挖寬度做相應(yīng)調(diào)整，掏槽孔與掌子面夾角約為61°；輔助掏槽孔排距為0.65 m，孔口距為3.2 m，同時(shí)，按隧道開挖寬度做出相應(yīng)調(diào)整。隧道開挖掘進(jìn)孔按半圓弧形布置，炮孔深度為2 m，各圈掘進(jìn)孔的孔距約為1.0~1.2 m，排距為0.9~1.0 m。周邊光面爆破孔沿著錨碇隧道開挖輪廓線進(jìn)行布置，炮孔設(shè)置1°~2°的外插角，為下一循環(huán)爆破留有鉆孔作業(yè)空間，還能有效控制超欠挖。上述設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)隧道斷面尺寸為標(biāo)準(zhǔn)斷面B時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，施工時(shí)掘進(jìn)炮孔的位置允許在5~10 cm范圍內(nèi)，其余的調(diào)整間距則不能大于5 cm。標(biāo)準(zhǔn)斷面B上臺階掘進(jìn)爆破炮孔布置剖面及裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)斷面B上臺階掘進(jìn)爆破炮孔布置剖面及裝藥結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2）裝藥結(jié)構(gòu)。錨碇隧道掏槽孔、輔助掏槽孔和掘進(jìn)孔設(shè)計(jì)采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長度為200 mm；周邊孔采用光面爆破專用炸藥，藥卷直徑為25 mm，長度為200 mm。除周邊光面爆破孔，其他炮孔均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊光面炮孔采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。掏槽孔設(shè)計(jì)裝藥量為7卷；輔助掏槽孔設(shè)計(jì)裝藥量為6卷；掘進(jìn)孔設(shè)計(jì)裝藥量均為5卷；光爆孔裝藥量為3卷。為使爆破效果提高，所有炮孔均采用反向起爆方法引爆孔內(nèi)炸藥，即在炮孔底部放置起爆藥卷。周邊光面爆破孔全部采用導(dǎo)爆索，使周邊光面爆破孔同時(shí)起爆，以獲得更好的光面爆破效果。周邊光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 周邊光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

3）起爆網(wǎng)路。錨碇隧道開挖爆破采用毫秒延時(shí)微差爆破，起爆順序?yàn)椋禾筒劭?、輔助掏槽孔、掘進(jìn)孔、周邊孔。各段炮孔起爆間隔時(shí)間為50 ms，周邊光面孔與最后一圈掘進(jìn)孔的起爆時(shí)間差應(yīng)大于100 ms，以保證光面爆破效果。

5 錨碇隧道爆破振動分析

標(biāo)準(zhǔn)斷面A掏槽孔爆破開挖引起中隔墻的振速峰值為11.87 cm/s，標(biāo)準(zhǔn)斷面B掏槽孔爆破開挖引起中隔墻的振速峰值為9.12 cm/s。根據(jù)相關(guān)研究表明，錨碇隧道不同區(qū)段開挖爆破的振動控制標(biāo)準(zhǔn)為：錨碇隧道上段振動速度閾值為20 m/s，錨碇隧道中段振動速度閾值為15 m/s，錨碇隧道下段振動速度閾值為11 m/s。這2個(gè)斷面的爆破振動峰值均小于錨碇隧道不同區(qū)段開挖爆破的振動控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，該爆破設(shè)計(jì)可以確保錨碇隧道掘進(jìn)爆破施工安全，并能有效加快施工進(jìn)度。

6 結(jié)語

1）由于錨碇隧道自身結(jié)構(gòu)的特殊性，在隧道掘進(jìn)爆破過程中需要根據(jù)不同的斷面形式采用合理的爆破設(shè)計(jì)方案。

2）隨著錨碇隧道開挖深度不斷增大，隧道間間距也不斷減小，屬于小凈距隧道；而錨碇隧道鄰近存在既有的二郎山隧道，故掘進(jìn)爆破施工時(shí)需要考慮爆破振動對鄰近結(jié)構(gòu)的影響。

3）錨碇隧道掘進(jìn)爆破中，掏槽孔爆破引起的爆破振速最大，在對中隔墻振動速度進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，主要監(jiān)測上臺階開挖爆破施工。