軟弱圍巖大斷面隧道掘進(jìn)爆破方案優(yōu)化

謝超群，李啟月，陳元勇，張 想，吳曉夢

(1.中交一公局西南工程有限公司，成都 610091；2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083；3．江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013；4．湖南金聚能科技有限公司，長沙 410014)

軟弱圍巖大斷面隧道由于其地質(zhì)條件與大跨度等因素的影響，在使用鉆爆法進(jìn)行隧道爆破開挖時，對圍巖擾動極大，降低了圍巖的穩(wěn)定性，易引發(fā)支護(hù)成本增加、爆破性能降低、延緩工期等問題；還會造成圍巖失穩(wěn)、易引起垮塌、變形等事故，給工程造成嚴(yán)重的影響。如何在軟弱圍巖大斷面隧道的條件下控制圍巖損傷與超欠挖成了一大難題[1-8]。

針對軟弱圍巖條件下的隧道爆破開挖，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，提出了多種理論方法與優(yōu)化措施。劉敦文等[9]針對節(jié)理裂隙發(fā)育、穿越破碎帶斷層的某山嶺隧道，優(yōu)化了其周邊孔的爆破參數(shù)、起爆網(wǎng)路、裝藥結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于該復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道光面爆破方案。郭建等[10]以月直山隧道為工程背景，針對不同的圍巖條件與巖石特性，分別采用全斷面、2臺階、3臺階開挖方案，降低了平均線性超欠挖，改善了隧道成型質(zhì)量。萬利等[11]在超大斷面破碎圍巖隧道的工程背景下，開展了CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)洞法2種開挖方法下的數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗，研究了超大斷面隧道軟弱圍巖控制機(jī)制。袁紅所等[12]優(yōu)化了鷓鴣山隧道V級圍巖段爆破方案與裝藥參數(shù)，結(jié)合掏槽式光面爆破技術(shù)，采用低密度、低爆速乳化炸藥，有效地減少了爆破對圍巖的損傷和超挖量。黃維科等[13]以龍昌公路隧道Ⅳ級圍巖段施工為工程背景，提出“9+N”大斷面施工技術(shù)，提高了隧道施工的機(jī)械化程度、工作效率和安全性。李啟月等[14]針對某特長隧道Ⅳ級圍巖，分析了隧道爆破中導(dǎo)致超欠挖的主要因素，基于現(xiàn)場試驗結(jié)果對爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，討論了優(yōu)化后隧道輪廓控制及降振效果。朱永學(xué)等[15]針對上軟下硬巖體隧道爆破超欠挖和巖石塊度大的問題，基于現(xiàn)場分析與實驗，提出了優(yōu)化隧道掏槽爆破技術(shù)。徐幫樹等[16]開展了現(xiàn)場爆破試驗，對層狀巖體破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，針對超欠挖與圍巖變形現(xiàn)象，優(yōu)化了隧道開挖的光面爆破參數(shù)、炮孔集中系數(shù)和掏槽孔布設(shè)方式。文獻(xiàn)[17-18]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、粒子群優(yōu)化算法(PSO)和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)等方法對隧道爆破參數(shù)進(jìn)行了智能優(yōu)化，并建立了超欠挖預(yù)測模型，具有較好的預(yù)測能力與精度。

本文以東天山特長隧道工程為工程背景，針對軟弱圍巖隧道爆破開挖引起的拱頂超挖、掌子面欠挖等問題，結(jié)合現(xiàn)場試驗與爆后圍巖損傷分析，調(diào)整與優(yōu)化了爆破方案，通過對優(yōu)化后的爆后圍巖特征、超欠挖、爆破振動進(jìn)行分析，對提出的爆破優(yōu)化方案進(jìn)行了驗證，說明優(yōu)化方案是合理可行的。

1 工程概況

新疆東天山高速公路隧道為雙洞分離式特長隧道，單洞平均長度為11 780 m，隧道開挖斷面面積達(dá)92 m2，為大斷面隧道。東天山隧道Ⅳ級圍巖占比為29.7%，約7 500 m；Ⅴ級圍巖占比18.4%，約4 300 m。其中Ⅴ級圍巖段使用3臺階爆破開挖法設(shè)計并施工，施工的要點與難點是維持圍巖的穩(wěn)定性與控制超欠挖，保證安全高效施工。

試驗段位于ZK11+100～ZK11+200，該段為Ⅴ級圍巖，處于F2斷裂帶(巴里坤斷裂帶)及影響帶，圍巖以微、中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖為主。受F2斷裂帶影響，試驗段巖體破碎程度大，節(jié)理裂隙極發(fā)育，以0°～30°∠55～65°、310°～350°∠70°～80°最發(fā)育。圍巖自穩(wěn)性較差，成型困難，隧道開挖時拱部必須進(jìn)行超前支護(hù)，否則易產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁同樣容易發(fā)生垮塌。

2 優(yōu)化前爆破方案及效果分析

2.1 原爆破方案及爆破參數(shù)

對照段隧道里程為ZK11+100～ZK11+150，采用3臺階法施工，上臺階高度4.0 m，中臺階高度3.0 m，下臺階高度3.6 m，每臺階開挖長度控制在6～8 m。上臺階采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，巖面完成噴錨支護(hù)后立即進(jìn)行仰拱施工，隧道全斷面開挖完成15～20 m后進(jìn)行2次襯砌施工。

2.1.1 炮孔布置及設(shè)計參數(shù)

原方案設(shè)計循環(huán)進(jìn)尺為3.0 m，周邊孔孔距0.6 m，從外向里輔助孔孔距分別為1.0、1.2 m，從里向外掏槽孔、輔助孔排距分別為1.0、1.25、0.7、0.7、0.7、0.5 m，孔距分別為0.85、0.45、1.0、0.8 m；周邊孔、輔助孔孔深3.0 m，掏槽孔孔深3.5 m。炸藥選用2號巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為32 mm×300 mm(直徑×長度)，藥卷重量為300 g。原方案爆破設(shè)計參數(shù)如表1所示，炮孔布置如圖1所示。

圖1 炮孔布置Fig.1 Layout of blast holes

2.1.2 裝藥結(jié)構(gòu)

原爆破方案掏槽孔、輔助孔采用連續(xù)不耦合裝藥；周邊孔使用導(dǎo)爆索傳爆，采用3段式非連續(xù)不耦合裝藥，3卷藥卷間隔長度為70 cm。所有炮孔填塞長度均為20 cm。

2.1.3 起爆網(wǎng)路

采用非電毫秒延時導(dǎo)爆管雷管起爆，雷管最高段位為MS15段。起爆順序為掏槽孔～輔助孔～周邊孔，由里向外逐層起爆，其中上臺階掏槽孔采用MS1～MS3段雷管，輔助孔采用MS5～MS13段雷管，周邊孔采用MS15段雷管；中臺階輔助孔采用MS1～MS7段雷管，周邊孔采用MS9段雷管；下臺階輔助孔采用MS1～MS5段雷管，周邊孔采用MS7段雷管。

2.2 開挖方法對爆破效果的影響分析

使用鉆爆法進(jìn)行隧道開挖時，必須考慮巖體質(zhì)量和節(jié)理對開挖效果的影響。為了達(dá)到優(yōu)化爆破效果的目標(biāo)，在設(shè)計爆破方案時，應(yīng)該提前考慮巖體質(zhì)量和節(jié)理這些特性對爆破效果的影響。除了隧道周圍環(huán)境與工程地質(zhì)條件之外，隧道開挖方法的選擇還要考慮工期、施工設(shè)備的尺寸、開挖斷面的尺寸與輪廓等因素，不同類別巖體開挖方法如表2所示[19]。

表2 不同類別巖體隧道典型開挖方法

東天山隧道左洞采用3臺階爆破開挖法，這種開挖方法存在施工速度慢、爆破次數(shù)多、初期支護(hù)時間長等問題。3臺階開挖法臺階斷面面積小，大型施工設(shè)備無法進(jìn)入，無法發(fā)揮大型設(shè)備施工速度快的優(yōu)勢。每開挖一級臺階都要進(jìn)行爆破施工，對圍巖頻繁擾動，易造成沉降變形，特別是對于11 000余米的超長隧道，沉降累計就會變得十分巨大，不利于對隧道沉降的控制。

大斷面開挖方法就很好地避免了這些缺點，它具有以下特點：①降低了爆破次數(shù)與爆破規(guī)模，減輕了對圍巖的擾動；②施工空間大，方便大型設(shè)備進(jìn)入，不同平臺作業(yè)可以同時進(jìn)行，有利于提高開挖效率；③利用臨時仰拱對圍巖的保護(hù)作用，初期支護(hù)能快速封閉，能有效控制隧道輪廓的變形；④縮短了單次循環(huán)時間，提高了作業(yè)效率，加快了施工進(jìn)度。

2.3 優(yōu)化前爆后效果分析

對照段隧道爆后效果分析如下：

1)根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660-2020)[20]：炮孔深度不大于3.0 m時，拱頂部最大允許超挖250 mm。優(yōu)化前爆破后局部最大超挖1 200 mm，不符合該技術(shù)規(guī)范的要求。局部存在超前小導(dǎo)管變形情況，上圍巖破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其支護(hù)效果(見圖2a)。

2)圍巖等級高且節(jié)理發(fā)育，而掏槽孔、輔助孔裝藥過多，引起的爆破振動大，致使圍巖巖體嚴(yán)重松動，導(dǎo)致拱腰超挖嚴(yán)重，使得超前小導(dǎo)管支護(hù)效果差，極有可能出現(xiàn)拱腰崩塌(見圖2b)。

3)掌子面中底部出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象(見圖2c)。爆后巖石塊度較大，掌子面掉渣嚴(yán)重，在施工時易造成人員受傷與設(shè)備受損，延緩工程進(jìn)度。

圖2 爆后圍巖特征Fig.2 Surrounding rock characteristics after blast

3 隧道爆破方案優(yōu)化

試驗段隧道里程為ZK11+150～ZK11+200，原方案采用3臺階爆破開挖法，綜合考慮到施工技術(shù)、圍巖等級以及節(jié)理發(fā)育等情況，對原爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 臺階爆破法改為兩臺階大斷面爆破法

現(xiàn)采用兩臺階大斷面爆破開挖法，設(shè)計循環(huán)進(jìn)尺調(diào)整為2.0 m，優(yōu)化爆破參數(shù)，減輕爆破對圍巖的損傷，降低對圍巖的擾動次數(shù)。上斷面高度主要由操作臺架確定，操作臺架尺寸應(yīng)滿足正常通行機(jī)械、架設(shè)拱架空間高度、預(yù)留安裝量等，經(jīng)計算確定上斷面高度為7.0 m，下斷面高度3.6 m，寬度為13.6 m，上斷面總開挖面積約為64 m2。

3.2 光面爆破與預(yù)裂爆破綜合布置

優(yōu)化前隧道拱腰部分輪廓控制不佳，易發(fā)生掉渣現(xiàn)象，不利于后續(xù)噴射混凝土與支護(hù)。為了進(jìn)一步降低大斷面爆破對圍巖及襯砌的擾動，拱腰部分采用預(yù)裂爆破，降低了爆炸應(yīng)力波的疊加作用，能夠有效控制下斷面爆破對圍巖造成的擾動，可對保護(hù)圍巖穩(wěn)定起到積極作用，故采取光面爆破結(jié)合預(yù)裂爆破的綜合爆破方案。預(yù)裂孔與光爆孔的布置如圖3所示。

圖3 預(yù)裂孔與光爆孔布置Fig.3 Layout of presplit holes and smooth blasting holes

3.3 炮孔參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)控制爆破破巖相關(guān)理論[21-23]可知，影響爆破效果的主要參數(shù)有：周邊孔間距E、線裝藥密度q、最小抵抗線W、周邊孔密集系數(shù)m、不耦合系數(shù)D。只有各個參數(shù)都在一個合適的范圍內(nèi)，才能得到良好的爆破效果。由于光面爆破和預(yù)裂爆破的爆破機(jī)理還沒有完全明了，各種理論與方法層出不窮，在實踐中首先采取工程類比法獲得大概的爆破參數(shù)，然后再根據(jù)經(jīng)驗公式加以修正，并通過多個循環(huán)的試爆效果對爆破參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與優(yōu)化，最終得到合適的爆破參數(shù)。得到光面爆破及預(yù)裂爆破參數(shù)如表3所示。炸藥選用與原方案相同規(guī)格的藥卷，爆破炮孔參數(shù)及裝藥量參數(shù)如表4所示。

表3 爆破參數(shù)

表4 隧道爆破參數(shù)

周邊孔炮孔采用不耦合非連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，掏槽孔和輔助孔的起爆藥包前2卷藥卷進(jìn)行一定長度的耦合裝藥，孔底加強(qiáng)裝藥，能有效降低出現(xiàn)掌子面根底現(xiàn)象。周邊孔在裝藥時，可以將一卷藥切成幾段后再進(jìn)行裝藥，該方法可以有效防止部分炮孔壁裝藥量過于集中，從而導(dǎo)致該部分區(qū)域圍巖破壞較其他區(qū)域嚴(yán)重，有利于光面爆破與預(yù)裂爆破的爆破效果。

由于圍巖為Ⅴ級圍巖，波阻抗較低，爆生氣體在破壞巖石過程中起到主要作用，所以炮孔要進(jìn)行填塞，炮泥的有效填塞長度為20 cm。周邊孔、輔助孔、掏槽孔的裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure

3.4 起爆順序及爆破網(wǎng)路優(yōu)化

炸藥起爆采用非電毫秒導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行分段爆破，在實際爆破過程，非電毫秒導(dǎo)爆管雷管的段位越高其精度越差，而周邊孔起爆段位為MS15且數(shù)量眾多，故不能保證周邊孔同時起爆，將會嚴(yán)重影響光爆效果。為降低雷管起爆延時誤差，提高起爆延時精度，故降低光爆孔雷管段位，設(shè)置預(yù)裂孔與掏槽孔同時起爆，雷管總段別從MS15降為MS13。MS1、MS3底板孔排間距調(diào)整為0.7 m，上臺階底部MS3段、MS5段、MS7段、MS9段炮孔排間距、孔間距分別為0.5、0.8 m；輔助孔孔距為1.5 m，周邊孔孔距為0.45 m。試驗段爆破炮孔布置及雷管段別如圖5所示。

圖5 炮孔布置Fig.5 Layout of blast holes

4 優(yōu)化效果分析及評價

4.1 優(yōu)化后爆破圍巖特征分析

試驗段ZK11+150～ZK11+200采用優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行爆破開挖，進(jìn)行8次循環(huán)開挖，得到優(yōu)化后的爆后圍巖特征如圖6所示。對比分析圖2、圖6可以看出，采用優(yōu)化后的爆破方案進(jìn)行爆破開挖，隧道輪廓、拱頂巖體控制較好，超前小導(dǎo)管未出現(xiàn)優(yōu)化前完全裸露甚至被炸彎的現(xiàn)象，超前小導(dǎo)管以上圍巖控制效果較好，可以對圍巖進(jìn)行有效支護(hù)；左、右拱腰位置巖石塊度大現(xiàn)象得到控制，巖體表面整潔，未出現(xiàn)掉渣情況，也未出現(xiàn)明顯的“臺階狀現(xiàn)象”；掌子面平整，未出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，減少了清理掌子面的工作時間，有利于下一階段工作的進(jìn)行。

圖6 優(yōu)化方案下爆后圍巖特征Fig.6 Tunnel surrounding rock characteristics under optimized blasting scheme

4.2 超欠挖效果分析

統(tǒng)計爆破方案優(yōu)化前后8個循環(huán)的超欠挖，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660-2020)[20]規(guī)定：炮孔深度不大于3.0 m時，拱頂部最大允許超挖250 mm。優(yōu)化前、后8個循環(huán)的平均線性超挖量分別為1.006、0.102 5 m，超挖量平均減少89.8%，優(yōu)化前、后超挖現(xiàn)象得到了極大的控制，符合有關(guān)規(guī)定的要求。

圖7 優(yōu)化前后平均線性超挖值Fig.7 Average linear overcut value before and after optimization

選取某次典型的優(yōu)化后的爆破斷面超欠挖情況(見圖8)進(jìn)行分析，根據(jù)測量結(jié)果，拱頂?shù)淖畲缶€性超挖為61 mm，左拱腰、右拱腰的最大線性超挖分別為220 mm和55 mm，均小于最大允許超挖值。根據(jù)文獻(xiàn)[21-23]，左拱腰超挖值遠(yuǎn)大于右拱腰的原因可能是當(dāng)爆炸應(yīng)力波通過巖體節(jié)理時，會產(chǎn)生透射與反射現(xiàn)象，使應(yīng)力波的振幅產(chǎn)生衰減，且當(dāng)節(jié)理方向與應(yīng)力波傳播方向垂直時，波的振幅的衰減率最小，而試驗段多為70°～80°傾斜節(jié)理，左拱腰方向的爆炸應(yīng)力波衰減程度最小，故超挖相比右拱腰嚴(yán)重。掌子面中部的平均線性欠挖分別為106、59 mm，均值較原方案減少了68%。

圖8 優(yōu)化后斷面超欠挖情況Fig.8 Tunnel overbreak and underbreak under optimized blasting scheme

4.3 爆破振動結(jié)果分析

采用NUBOX-8016智能爆破測振儀對優(yōu)化后爆破進(jìn)行了8次振動監(jiān)測，匯總實測波形，選取具有典型時頻特征的波形如圖9所示。

圖9 爆破振動監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Monitoring results of blasting vibration

爆破測振儀測點距離掌子面25 m，由振動監(jiān)測結(jié)果可得，爆破峰值振速發(fā)生在MS1段，即掏槽孔與預(yù)裂孔爆破段，最大振速為0.643 cm/s?！侗瓢踩?guī)程》(GB 6722-2014)[24]規(guī)定：爆破主振頻率大于100 Hz的交通隧道，其質(zhì)點峰值振動速度不超過15～20 cm/s，故優(yōu)化后的爆破振動符合該標(biāo)準(zhǔn)。高段位雷管的使用將掏槽孔、輔助孔內(nèi)的炸藥爆炸時間分隔開來，能適當(dāng)減小其產(chǎn)生的峰值爆破振動，減小了爆破擾動，減輕了圍巖損傷，說明了起爆順序以及起爆網(wǎng)路優(yōu)化的降振效果明顯。MS13段爆炸時間為0.902 s，振速為0.105 cm/s，可以看出MS13段爆炸比較集中，高段位雷管漂移現(xiàn)象控制情況較好，可以有效提高光面爆破的爆破效果。

5 結(jié)論

1)以東天山特長隧道左洞為工程背景，針對東天山特長隧道試驗段軟弱圍巖、節(jié)理發(fā)育等地質(zhì)特征，以及原爆破方案存在隧道輪廓控制不佳、圍巖損傷大等問題，將原三臺階爆破開挖法調(diào)整為兩臺階大斷面爆破開挖法，減輕了爆破對圍巖的擾動，超欠挖得到了良好的控制，研究結(jié)果對類似工程具有借鑒意義。

2)根據(jù)工程實際情況，采用預(yù)裂爆破與光面爆破綜合布設(shè)的方式，優(yōu)化了炮孔參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序及起爆網(wǎng)路等參數(shù)，增強(qiáng)了對隧道輪廓的控制，減輕了拱頂超挖、掌子面欠挖的現(xiàn)象，提高了施工質(zhì)量。

3)優(yōu)化后超前小導(dǎo)管支護(hù)效果良好，超欠挖得到有效控制，平均線性超欠挖在0.1 m左右，小于0.25 m的要求；MS13爆炸時間集中在0.902 s，光爆孔段位雷管漂移時間過大現(xiàn)象得到控制；距掌子面25 m測得的爆破振動峰值為0.643 cm/s，符合爆破安全規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。