紫羅山隧道爆破施工方案的優(yōu)化

張波，郭敏，馬騰飛，付君，楊鴻瑞，牛宏霄

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

ZHANG Bo,GUO Min,MA Teng-fei,FU Jun,YANG Hong-rui,NIU Hong-xiao

隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)逐年增多，鉆爆法由于對復(fù)雜多變地質(zhì)適應(yīng)性強和施工成本低的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于公路隧道的施工。而爆破方案設(shè)計是隧道施工的重要工序，對于提高工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和造價都十分關(guān)鍵。

目前隧道爆破方案的優(yōu)化主要從兩個方向進(jìn)行研究，分別是爆破效果和爆破振動方面。針對爆破效果優(yōu)化問題，何闖等分析了炮孔形式和爆破振動大小之間的關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場工程實踐對復(fù)式楔形掏槽技術(shù)進(jìn)行了完善[1-4]。針對爆破減振優(yōu)化，岳旭光等通過仿真軟件對新建隧道爆破施工對臨近既有隧道影響進(jìn)行了研究，得出隧道在間距小于12m 的情況下爆破方案需要進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)適當(dāng)減小裝藥量以減弱對既有隧道的影響[5-8]。

紫羅山隧道圍巖的結(jié)構(gòu)、強度、松動程度、初始地應(yīng)力的方向變化復(fù)雜，嚴(yán)重制約了隧道的掘進(jìn)速度，需對隧道施工工藝和爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文結(jié)合紫羅山隧道爆破開挖的具體實例，從開挖工藝、裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔布置3 個方面對爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，在原方案基礎(chǔ)上取得了更好的效果，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

紫羅山隧道地處秦嶺余脈外方山北麓，是G344 東靈線汝州汝陽交界至洛峪段公路的控制性工程之一，隧道總長968m，隧道部分穿越IV-V級圍巖，該段地域圍巖強度低，爆破超挖量大、施工進(jìn)度慢，嚴(yán)重拖延了工程進(jìn)度。為安全可靠的穿越IV-V 級圍巖地段，減小超欠挖，控制施工進(jìn)度，降低生產(chǎn)成本，亟需重新優(yōu)化隧道爆破方案。從一端開始施工，按照先施工左線隧道、再施工右線隧道，連續(xù)交錯的施工思路。具體隧道斷面見圖1。通過現(xiàn)場試驗探索最佳爆破方案，對爆破施工參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化，加快掘進(jìn)效率。

圖1 隧道斷面圖（單位：cm)

2 原設(shè)計爆破方案

爆破方案優(yōu)化段為IV-V 級圍巖深埋段，該標(biāo)段原掘進(jìn)方案為三臺階法開挖，在爆破方法上選擇光面爆破法[9]。

2.1 炮孔布置

原設(shè)計方案掏槽孔選擇楔形掏槽方式，在半徑為隧道斷面軸線1/4 的圓內(nèi)布置掏槽孔，圓心在斷面軸線上。沿隧道軸線布置3 對，炮孔深度為1.2m，單孔裝藥量0.9kg，傾角為75°。平行兩對掏槽孔間距在70cm，相對兩掏槽孔間距30cm。上臺階周邊孔布置18 個孔，中臺階布置8個孔，下臺階布置8 個孔。上中下臺階周邊孔間距均為65cm。先按照炮孔方案掏槽孔，其次沿爆破輪廓面布置周邊孔，最后布置輔助孔，輔助孔根據(jù)掏槽孔的布置位置向外布置，炮孔均勻的布置在開挖掌子面上。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，輔助孔的間距40～110cm，依據(jù)掌子面大小均勻布置。

2.2 爆破參數(shù)

人工控制鉆孔，炮孔直徑為?4cm，掏槽孔深1.2m，炮孔與掌子面的夾角選取75°；擴槽孔深1.1m，炮孔與掌子面的夾角選取75°；輔助孔深1.0m，周邊孔鉆孔深度為0.9m。周邊孔間距設(shè)計為0.65m，最小抵抗線取0.7m。選用低密度低爆速、低猛度的炸藥，本工程采用2#巖石乳化炸藥，1-15 段毫秒雷管起爆。掏槽孔、輔助孔以及掘進(jìn)孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔采用間隔裝藥的形式。藥包之間采用并聯(lián)的連線形式，反向進(jìn)行起爆。具體裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見圖2 所示。

圖2 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

2.3 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

以保證爆破安全為前提，降低爆破對周圍巖層的損傷、保護隧道圍巖，起爆網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管及非電毫秒延期雷管組成起爆網(wǎng)絡(luò)，擊發(fā)進(jìn)行起爆。從掏槽孔開始，輔助孔按照非電導(dǎo)爆管段數(shù)，從中心往外逐層起爆，最后周邊孔。各段起爆后，最大單段藥量為5.4kg。

圖3 優(yōu)化前左線爆破方案炮眼布置

3 爆破方案的優(yōu)化設(shè)計

采用原施工方案，存在以下問題：①爆破效果差，易出現(xiàn)隧道超欠挖現(xiàn)象；②鉆孔時間過長，炸藥用量多；③采用三臺階爆破方案施工，工序繁多，隧道開挖支護進(jìn)度慢，不利于工期的控制。因此針對現(xiàn)場爆破效果，對原有爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 爆破臺階和炮眼布置的優(yōu)化

對原有爆破參數(shù)（表1）進(jìn)行分析后，并結(jié)合巖層實際情況進(jìn)行爆破方案的優(yōu)化。

表1 優(yōu)化前的爆破參數(shù)表

1）掏槽孔的優(yōu)化。參考趙楚等人對公路隧道掏槽孔的設(shè)計，結(jié)合紫羅山隧道的地質(zhì)地況，對隧道爆破掏槽孔的傾斜角進(jìn)行調(diào)整[10]。與優(yōu)化前相比較，第一排掏槽孔與隧道掘進(jìn)面所成的傾斜角減小了2°，優(yōu)化后為73°；第二排掏槽孔與隧道掘進(jìn)面所成的傾斜角保持不變；第三排掏槽孔去掉，減少鉆孔量。優(yōu)化前后掏槽孔與掌子面傾斜角的變化如下圖4 所示。

圖4 優(yōu)化前后掏槽孔布置圖

2）周邊炮孔主要起控制隧道開挖輪廓面的作用。依據(jù)現(xiàn)場巖石的性質(zhì)，周邊孔布置在輪廓線以內(nèi)100～200mm 左右，以減小爆破開挖后的超欠挖現(xiàn)象。與優(yōu)化前相對比，周邊孔間距減小5cm。

3）炮孔深度L。炮孔深度與機械設(shè)備、開挖深度、巖石性質(zhì)等因素有關(guān)，掏槽孔鉆孔深度較周邊孔深0.4m，根據(jù)圍巖等級不同分別控制每循環(huán)炮掘進(jìn)進(jìn)度為0.5m，上臺階掏槽孔1.3m，輔助孔取1.1m，周邊孔0.9m。下臺階掘進(jìn)孔0.6m，周邊孔0.3m。

4）炮孔布置形式。上臺階輔助孔選擇三角形和圈形相結(jié)合的炮孔布置形式，充分釋放炸藥的爆破能量，破后巖石塊度大小均勻，掘進(jìn)進(jìn)尺加大。與優(yōu)化后爆破方案，炮孔利用率由75%提高至87%以上。優(yōu)化后的炮孔采用反向裝藥，優(yōu)化后臺階炮眼布置見圖5，優(yōu)化后的爆破參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化后的爆破參數(shù)

圖5 優(yōu)化后的臺階炮眼布置

3.2 優(yōu)化后方案爆破效果

紫羅山隧道采用優(yōu)化后的爆破方案，爆破后炮眼利用率達(dá)到87%以上，爆破碎石塊度均勻，便于運輸。同時炸藥用量從52.6kg 降低到47.4kg；優(yōu)化后鉆孔量較小，炮孔數(shù)量從99 個減少到95 個；優(yōu)化前隧道斷面周邊孔間距65cm，優(yōu)化后周邊孔間距60cm，通過調(diào)整周邊孔間距，較好的控制爆破輪廓面。

4 結(jié)論

通過對紫羅山隧道爆破開挖方案的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)論如下。

1）將三臺階爆破施工法優(yōu)化為兩臺階爆破施工，減少了施工工序，有利于工期的控制。

2）基于掏槽孔與掌子面的傾斜角的優(yōu)化，充分利用巖石斷面結(jié)構(gòu)，爆破后獲得較好的爆破效果。

3）通過調(diào)整爆破參數(shù)，上臺階采用梅花和環(huán)形相結(jié)合的炮孔布置形式，下臺階掘進(jìn)孔采用增大間距的布孔方式，隧道斷面爆破炸藥量減少了5.2kg，取得了較好的經(jīng)濟效益。炮孔減少了4個，鉆孔工作量進(jìn)一步降低。O