東起隧道爆破施工技術(shù)研究

丁龍DING Long

（中交四公局第十工程有限公司，南寧 530000）

0 引言

目前，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)工程的深入推進，“交通強國”戰(zhàn)略的進一步落實，我國偏遠地區(qū)的道路修建正在蓬勃發(fā)展，伴隨著的便是隧道建設(shè)的迅速發(fā)展，隧道長度不斷創(chuàng)下新紀錄，總體規(guī)模越來越大。據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年我國公路隧道數(shù)量為19067 座，隧道總長1896.66 萬米，鐵路隧道共有16798 座，總長約19630km[1]。我國的隧道建設(shè)項目通常采用鉆爆法開挖，相較于其他開挖方式鉆爆法具有更強的地質(zhì)適應(yīng)性，因此被廣泛采用[2]。但是鉆爆法相較于其他開挖方法而言對隧道圍巖的擾動更大，存在一定的安全風(fēng)險，因此在對隧道進行鉆爆法開挖時必須進行精心設(shè)計、精心施工，以確保施工項目順利完成。下面以施工環(huán)境較為復(fù)雜的東起隧道為例，研究該隧道的爆破施工技術(shù)。

1 工程概況

桂林至柳城高速公路路線起于桂林市臨桂區(qū)柳南高速與包茂高速相交池頭互通處，路線由東向西經(jīng)臨桂、永福、融安三縣區(qū)，終點在融安縣潭頭鄉(xiāng)紅嶺村與三江至柳州高速公路相接。該標段里程為K80+000-K96+649.198，全長約16.649 公里，按雙向四車道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計速度100 公里/小時，整體式路基寬度26m，分離式路基寬度為2×13m。本標段共設(shè)橋梁13 座，其中大橋4 座，中橋2 座，立交橋3 座，匝道橋3 座，高架橋1 座；隧道共4座，合計7482m，其中三睦隧道1969m，東起隧道3333m，年洞隧道1184m，紅嶺隧道996m；互通2 處，分別為湖洞互通和紅嶺樞紐互通；連接線1 條，采用雙車道二級公路標準，路基寬度10m。隧道出口位于大良鎮(zhèn)湖洞村，隧道為分離式隧道。

2 開挖方式

經(jīng)地質(zhì)勘察，該隧道多為Ⅴ級圍巖且處于斷層帶，圍巖較為破碎。隧道洞身部位結(jié)合不同級別的圍巖條件，在保證安全、施工進度和質(zhì)量的條件下，采取相應(yīng)的爆破方法施工，以滿足工程要求。鉆爆設(shè)計施工遵循“短進尺、弱爆破、多打眼、少裝藥”的原則[3]。本隧道洞身圍巖級為V 級，根據(jù)設(shè)計要求，涉及的開挖方法包括CRD 法、三臺階法[4]。

爆破開挖設(shè)計原則：

①選用低密度低爆速、低猛度的炸藥，本標段隧道采用乳化炸藥。

②根據(jù)地質(zhì)條件靈活采用掏槽方法，并考慮輔助孔的布置均勻。輔助孔是以槽腔為自由面層層布置，交錯均勻地分布在被爆巖體上，并根據(jù)斷面大小和形狀調(diào)整好最小抵抗線和炮孔密集系數(shù)。輔助孔與周邊孔孔底在同一垂直面上。

③采用毫秒微差有序起爆。起爆時以能逐次增加自由面，充分發(fā)揮各炮孔的爆破作用，提高爆破效果為準。通常按掏槽、輔助、周邊孔的順序起爆。周邊孔又按側(cè)墻、頂部、底部孔的順序進行起爆。

3 爆破設(shè)計

隧道掘進中的爆破參數(shù)與多種因數(shù)有關(guān)，如巖石條件、斷面大小、爆破材料質(zhì)量、鑿巖爆破的技術(shù)水平等等，要根據(jù)客觀條件選取最適宜的爆破參數(shù)，取得該條件下的最佳爆破效果。

每次爆破后檢查爆破效果，分析原因及時修正爆破參數(shù)，提高爆破效果，改善技術(shù)經(jīng)濟指標。如根據(jù)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性軟硬情況，修正眼距，用藥量，特別是周邊眼；根據(jù)爆破后石砟的塊度大小修正裝藥參數(shù)；根據(jù)開挖面凹凸情況修正鉆孔深度等。

3.1 CRD 法爆破參數(shù)設(shè)計

炮孔布置依據(jù)開挖斷面圖尺寸，按照已設(shè)計好的掏槽眼、周邊眼及其它輔助眼的參數(shù)，在斷面圖上進行布眼，以隧中線為軸心對稱布置，先布置掏槽眼，然后由里向外弧形布置，同時布置周邊眼和拱內(nèi)圈眼由外向里弧形布置，再布置底板眼，最后適當調(diào)整間距。斷面圖上炮孔布置盡量均勻，圖上布置好的炮孔數(shù)量應(yīng)與公式計算的大致吻合，并標明尺寸?，F(xiàn)場布置炮孔可對圖上布置進行微調(diào)。

3.1.1 炮孔深度（L）

爆破設(shè)計的炮孔深度主要受爆破振動強度控制，設(shè)計炮孔深度根據(jù)爆破部位不同進行調(diào)整，該隧道圍巖環(huán)境較差同時還存在涌水情況，因此根據(jù)初次襯砌鋼架縱向間距為0.6m，上臺階設(shè)計開挖一榀支護一榀，故將上臺階爆破進尺設(shè)計為0.6m，炮孔長度為0.7～0.8m，中下臺階一次循環(huán)進尺為0.6~1.2m，炮孔長度為0.7～1.5m。

3.1.2 掏槽孔布置

為了加大掏槽深度，CRD 法施工爆破采用二層共四排楔形掏槽孔，每對掏槽孔呈完全對稱形或近似對稱形。每對掏槽孔由淺變深，與工作面的夾角（θ=60°～80°）則由小變大，為保證復(fù)式楔形掏槽取得良好的爆破效果，應(yīng)盡量減小鉆孔的偏差。掏槽孔距離隧道地板0.8～1.0m。

3.1.3 周邊孔和輔助孔布置

周邊孔布置在距開挖斷而邊緣0.1～0.2m 位置，周邊孔的孔底要朝隧道輪廓線方向傾斜，當隧道穿過的巖體堅硬時，孔底可達到或稍稍超出輪廓線位置；巖體中等堅固時，孔底距輪廓線約0.1～0.2m；在松軟巖體中，炮孔不必傾斜，孔底距輪廓線的距離與孔口處相同。周邊孔之間的距離約為0.4～0.6m，拱形隧道的轉(zhuǎn)角處，炮孔要密一些，孔間距取小值。

圖1 CRD 法爆破開挖施工工序斷面圖

圖2 CRD 法爆破開挖施工工序縱斷面圖

圖3 CRD 法爆破開挖炮孔布置示意圖

輔助孔均勻地布置在掏槽孔與周邊孔之間的范圍內(nèi)，鉆孔方向則垂直于隧道開挖面。崩落孔布置在輔助孔與周邊孔之間，孔深和孔網(wǎng)參數(shù)與輔助孔相同。

經(jīng)計算CRD 法掘進爆破綜合炸藥單耗為0.96kg/ m3。最大單響藥量控制在3.3kg 以內(nèi)（見表1），單次起爆總藥量：左上、下斷面控制在36.6kg 以內(nèi)，右上、下斷面控制在38.4kg 以內(nèi)，仰拱控制在13.2kg 以內(nèi)。數(shù)碼雷管時間設(shè)置如表1。

表1 CRD 法爆破參數(shù)表

以上爆破參數(shù)經(jīng)試爆后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整，以達到最佳爆破效果。

3.2 三臺階分步法爆破參數(shù)設(shè)計

3.2.1 炮孔深度（L）

三臺階分步法主要使用于圍巖等級較差的情況下采用，爆破設(shè)計的炮孔深度受爆破振動強度控制，設(shè)計炮孔深度根據(jù)爆破部位不同進行調(diào)整，上臺階設(shè)計每循環(huán)進尺為0.6m，中、下臺階及仰拱進尺為1.2m，取L=0.7～1.5m。

3.2.2 掏槽孔布置

三臺階法施工爆破采用三層楔形掏槽孔，每對掏槽孔呈對稱形或近似對稱形。每對掏槽孔由淺變深，與工作面的夾角（θ=60°～80°）則由小變大，為保證復(fù)式楔形掏槽取得良好的爆破效果，應(yīng)盡量減小鉆孔的偏差。掏槽孔布置在上部臺階底部中間部位，掏槽孔孔距a 取0.5～0.6m。

圖4 三臺階法爆破開挖掏槽孔布置示意圖

3.2.3 周邊孔和輔助孔布置

周邊孔布置在距開挖斷而邊緣0.1～0.2m 位置，周邊孔的孔底要朝隧道輪廓線方向傾斜，當隧道穿過的巖體堅硬時，孔底可達到或稍稍超出輪廓線位置；巖體中等堅固時，孔底距輪廓線約0.1～0.2m；在松軟巖體中，炮孔不必傾斜，孔底距輪廓線的距離與孔口處相同。周邊孔之間的距離約為0.45～0.6m，拱形隧道的轉(zhuǎn)角處，炮孔要密一些，孔間距取小值，輔助孔間距a 取0.7～0.8m。

圖5 三臺階法爆破開挖順序示意圖

圖6 三臺階法爆破開挖剖面順序示意圖

3.2.4 單位炸藥消耗量q

取q=0.7～1.1kg/m3。

3.2.5 炮孔裝藥量計算

上部臺階炮孔裝藥量計算。

每個炮孔的裝藥量可按下式計算，即：Q=r·n·L

式中：n——炮孔裝藥系數(shù)，n=0.58；

L——孔深，取L=1.2m；

r——每米長度炸藥量，r=1.0kg。

經(jīng)計算三臺階法掘進爆破綜合炸藥單耗為0.81kg/m3。最大單響藥量控制在3.6kg 以內(nèi)（見表2），單次起爆總藥量：上臺階控制在20.7kg 以內(nèi)，左、右中臺階分別控制在24.6kg 以內(nèi)，左、右下臺階分別控制在20.7kg 以內(nèi)，仰拱控制在21.9kg 以內(nèi)。

表2 三臺階法爆破參數(shù)表

以上爆破參數(shù)經(jīng)試爆后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整，以達到最佳爆破效果。

根據(jù)地勘資料，該隧道中存在一段巖性以泥質(zhì)砂巖為主，巖石堅固性較弱，可適當減少周邊眼的間距，使用機械輔助控制爆破形式開挖，減少輔助眼的密度，欠挖位置采用機械開挖，減小爆破規(guī)模，控制最大同段藥量在2.9kg以內(nèi)。

圖7 三臺階法爆破開挖炮孔布置示意圖

4 隧道突水處理

但因隧道地質(zhì)環(huán)境較差，大部分區(qū)域?qū)倏扇苄蕴妓猁}巖區(qū)，溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育。在施工過程中產(chǎn)生突水、涌水現(xiàn)象，經(jīng)水文地質(zhì)專項調(diào)查采用入滲法預(yù)測隧道正常涌水量為28701m3/d，日最大用水量為1382000m3/d，日極端涌水量為2904411m3/d，因此造成施工困難，工期增加。

為解決隧道涌水問題，進行了專項調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，該隧道突水主要來源于隧道高位洼地，地表徑流補給。根據(jù)巖溶區(qū)地下水宜排不宜堵的原則，截流外導(dǎo)相結(jié)合，結(jié)合該隧道的地形和水文地質(zhì)特征，采用泄水洞方案進行排水處理。結(jié)合現(xiàn)場地形地貌及洞內(nèi)溶洞位置，泄水洞初步擬定長度為546m，縱坡采用-0.5%，出口標高約為261.86m；洞口接路基改溝引排。泄水洞斷面建筑限界凈寬3.2m，凈高3.5m；襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計為單心圓直邊墻結(jié)構(gòu)，上半圓半徑為160cm。考慮施工便利性，泄水洞內(nèi)每隔70m 設(shè)置一處錯車帶，用于洞內(nèi)施工車輛會車使用，提高施工效率。根據(jù)計算該泄水洞排水能力為4072983.609m3/d，能滿足最大和極端情況下的排水需求。經(jīng)處置過后，隧道內(nèi)可正常進行爆破施工作業(yè)。

5 爆破施工效果

在爆破設(shè)計中，仔細考慮了該隧道的地質(zhì)特點進行了精心設(shè)計，在現(xiàn)場施工中爆破技術(shù)人員與鉆孔施工隊伍通力合作精心施工，因此該隧道在爆破施工環(huán)節(jié)完成順利，施工效果良好隧道安全順利貫通。

6 結(jié)論

以爆破作為技術(shù)手段的隧道開挖，在地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性上相較于其他掘進方法具有顯著優(yōu)勢，但是鉆爆法在隧道施工中具有較強的專業(yè)性，需要從設(shè)計到施工到管理上的綜合考量。對于圍巖較差的隧道，爆破技術(shù)設(shè)計應(yīng)當充分考慮圍巖特性及不良地質(zhì)環(huán)境的影響，鉆孔施工應(yīng)該嚴格按照設(shè)計要求精心施工，注意安全防護。2021 年東起隧道順利完工并通過各項驗收，證明該隧道的施工經(jīng)驗可以為后續(xù)類似工程提供一定參考。