光面爆破技術(shù)在鎮(zhèn)廣高速秦家?guī)X隧道中的應(yīng)用

李 鈺

（四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

鉆爆法作為隧道開挖的首選方式，具有成本低、進(jìn)度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。然而使用傳統(tǒng)的爆破隧道開挖技術(shù)，容易出現(xiàn)超挖和欠挖的現(xiàn)象，使得隧道開挖斷面凹凸不平，并對隧道圍巖產(chǎn)生較大擾動(dòng)和破壞，因此，目前在隧道開挖的過程中使用較多的是光面爆破技術(shù)。

隧道光面爆破技術(shù)[1-2]是指通過合理的孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)和起爆方式，使得隧道輪廓線較為光滑和完整。由于是通過分段間隔裝藥的方式，使炸藥爆炸的能量和沖擊力在炮孔內(nèi)壁分布較為均勻，因此在減小爆破震動(dòng)的同時(shí)，也減少了對周圍圍巖的損害，使得圍巖在爆破施工后仍具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性[3-5]，有利于后續(xù)斷面的施工和操作。本文以鎮(zhèn)廣高速秦家?guī)X隧道工程為背景，研究在該地質(zhì)條件下隧道的合理孔網(wǎng)參數(shù)和起爆方式，以減小和控制隧道斷面的超欠挖，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，加快后續(xù)施工環(huán)節(jié)的進(jìn)度，進(jìn)而減小隧道施工的時(shí)間，節(jié)約工程成本。

1 工程背景

秦家?guī)X隧道是鎮(zhèn)廣高速的核心區(qū)間之一，秦家?guī)X隧道處于大巴山—米倉山南麓，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，隧址區(qū)分布地層巖性以紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖為主，部分段見灰白色中厚—厚層狀細(xì)砂巖，巖體裂隙發(fā)育，早期應(yīng)力多已釋放。巖層傾角較陡，巖體發(fā)育有豎向裂隙且自穩(wěn)性較差，部分巖體裂面不平直，略有彎曲且有泥質(zhì)充填。隧道圍巖大多屬于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，局部區(qū)段屬于Ⅲ級圍巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度大致為30MPa。隧道周邊200m 范圍內(nèi)無建（構(gòu)）筑物和地下管線。

按照非光面爆破方法進(jìn)行施工，雖然每次爆破施工循環(huán)作業(yè)的單次進(jìn)尺滿足需要，但由于單次起爆藥量大，裝藥方式不合理，且使用耦合裝藥方式，過多的能量被用來粉碎炮孔周圍的巖體，炸藥能量利用率低，使得周圍巖體爆破震動(dòng)過大，對工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生危害。并且爆后隧道的輪廓面不光滑平順，隧道斷面輪廓線凹凸不平（圖1），超欠挖現(xiàn)象非常嚴(yán)重，單次爆破循環(huán)的平均超欠挖達(dá)到了20～25cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隧道輪廓線規(guī)定的平均標(biāo)準(zhǔn)15cm。由于該隧道巖石強(qiáng)度高，對炮孔底部的夾制作用強(qiáng)，爆炸能量大部分集中在孔底，使得炮孔底部的破碎較為明顯，因此炮孔的利用率和半孔率較低。

圖1 原方案爆后效果圖

2 爆破參數(shù)分析

2.1 爆破設(shè)計(jì)相關(guān)公式

由于設(shè)計(jì)隧道斷面面積較大，屬于大斷面隧道，因此采用臺(tái)階爆破法開挖。原方案對周邊孔采用非光面爆破的方式，即對周邊孔采取連續(xù)線裝藥的方式，周邊孔鉆孔徑為40mm，設(shè)計(jì)孔深約為3.7m，沿著隧道輪廓線外插約為10cm，按照堵塞長度為40cm 來計(jì)算，實(shí)際周邊孔裝藥長度約為330cm，裝藥質(zhì)量約為3.3kg，線裝藥密度達(dá)到了0.33kg/m。但由于周邊孔與外圈掘進(jìn)孔之間的排距不合理，最小抵抗線在1m 左右，導(dǎo)致周邊孔與外圈掘進(jìn)孔之間的炸藥單耗較小，且炸藥能量集中，因此起爆后對周邊孔的破壞較大。并且原方案采用導(dǎo)爆管雷管延時(shí)起爆的方式進(jìn)行引爆，導(dǎo)爆管雷管起爆的延時(shí)時(shí)間存在一定的誤差（15 段雷管毫秒延時(shí)誤差可達(dá)50～100ms），使得炮孔之間的起爆順序并非按照設(shè)定的段別進(jìn)行起爆，容易在起爆時(shí)出現(xiàn)抵抗線小于設(shè)計(jì)抵抗線的情況，可能會(huì)產(chǎn)生不合理的自由面，影響后面炮孔的爆破效果，使得炸藥能量整體分布不均，導(dǎo)致爆破掌子面和輪廓線凹凸不平。最后，通過對原方案起爆后爆破效果的分析，以及對掌子面和炮孔的觀察發(fā)現(xiàn)，掌子面凹凸不平，不平整度達(dá)到了30cm，殘孔深度深淺不一，周邊孔炮孔外插過大，說明炮孔之間偏差較大，且鉆孔深度不一。導(dǎo)致爆破后平均超挖過大，初期支護(hù)的實(shí)際噴射混凝土量約為設(shè)計(jì)值的2倍以上，即超噴率超過100%。

為有效解決以上問題，需要用光面爆破法進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選用38mm 的鉆頭，鉆孔直徑為40mm，選用炸藥種類為2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32mm，單卷藥量為300g，長度為300mm。

（1）由于隧道開挖爆破只有一個(gè)臨空面，因此需要設(shè)置掏槽眼擴(kuò)大自由面，而斜眼掏槽因其良好的效果被廣泛使用，其中斜眼掏槽孔的長度由下式確定：

式中：L——掏槽眼的鉆孔長度；

B——開挖斷面的寬度，斜眼掏槽孔與隧道斷面的夾角由巖性和進(jìn)尺深度來確定。

由于隧道圍巖大多屬于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，屬于中等硬度巖石，在隧道開挖爆破作業(yè)中，掏槽孔的裝藥量最大，炸藥單耗最高，如果采用單級掏槽會(huì)產(chǎn)生較大的爆破震動(dòng)，因此采用二級斜眼掏槽。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)爆破試驗(yàn)，以及對爆后爆破效果的總結(jié)分析，得出單次爆破循環(huán)最佳進(jìn)尺為3.5m。此時(shí)一級斜眼掏槽孔的深度約為3.9m，與隧道掌子面的夾角為45°，二級斜眼掏槽孔的孔深約為4.8m，與隧道掌子面的夾角為55°，同一級的掏槽眼的孔底間距均為20cm。

（2）炸藥采用不耦合裝藥，裝藥方式為空氣間隔裝藥，在不耦合裝藥作用下，炸藥爆炸后的壓力均勻分散在炮孔中，一般小于所爆巖石的極限抗壓強(qiáng)度而大于極限抗拉強(qiáng)度，因此隧道周邊孔的間距可采用以下公式計(jì)算：

式中：E——周邊孔的孔距，cm；

K——周邊孔的密集系數(shù)；

d——炮孔直徑，mm；

W——光爆層厚度（即周邊孔抵抗線）。

對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖等中等硬度巖石，一般周邊孔的密集系數(shù)K取0.8，炮眼間距E取50～75cm，氣即光爆層厚度W取60～80cm，裝藥線密度一般為0.12～0.2kg/m，由于現(xiàn)場巖石屬于中強(qiáng)度巖石，因此線裝藥密度取0.15kg/m，經(jīng)過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，當(dāng)光爆層厚度W取為65cm，周邊孔孔間距取為50cm時(shí)，爆破效果最佳。

（3）炸藥單耗q。隧道掘進(jìn)爆破的炸藥單耗主要與巖性和開挖斷面積有關(guān)，由下式給出：

式中：q——炸藥單耗，kg/m3；

f——巖石普氏系數(shù)；

k0——考慮炸藥做功能力的修正系數(shù)；

s——開挖斷面積，m2。

按（3）式計(jì)算得q=1.10～1.70kg/m3。設(shè)計(jì)時(shí)，按1.5kg/m3選取。

（4）單循環(huán)裝藥量Q。按照一次爆破的巖體體積計(jì)算單循環(huán)爆破的裝藥量[8]

式中：η——炮孔利用率，一般取0.80～0.95。

對之前爆破效果分析發(fā)現(xiàn)，單次循環(huán)爆破進(jìn)尺長度均能達(dá)到預(yù)定的進(jìn)尺長度，且沒有較大的塊體產(chǎn)生，說明之前爆破擴(kuò)槽孔以及掘進(jìn)孔的打孔位置以及孔網(wǎng)參數(shù)較為合理，能夠滿足進(jìn)尺要求，只是打孔精度和鉆孔質(zhì)量需要提高，因此周邊孔、外圈掘進(jìn)孔以及掏槽孔孔網(wǎng)參數(shù)需要調(diào)整，其余孔網(wǎng)參數(shù)可按照之前的方式布置。

2.2 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 掌子面孔網(wǎng)參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)公式以及借鑒之前爆破孔網(wǎng)參數(shù)，可得光面爆破布孔方式。由于隧道直徑長度為13.13m，單次進(jìn)尺為3.5m，進(jìn)尺長度較大，為減小對圍巖和初期支護(hù)的擾動(dòng)，采用二級復(fù)式斜眼掏槽孔，一級斜眼掏槽孔的深度約為3.9m，與隧道掌子面的夾角為45°，二級斜眼掏槽孔的孔深約為4.8m，與隧道掌子面的夾角為55°，一級掏槽孔設(shè)置為4對，孔距為45cm，二級掏槽孔設(shè)置為6對，孔距為55cm，兩排炮孔的孔口距離為30cm。擴(kuò)槽孔與二級掏槽孔孔口距為65cm，與掌子面的夾角約為62°。兩排掘進(jìn)孔之間孔口距均為70cm，與掌子面之間夾角分別為70°與80°。光爆層厚度為65cm，周邊孔孔距：除靠近底板孔的間距為30cm外，其余孔間距均取為50cm。

2.2.2 裝藥密度和堵塞長度

除周邊孔外，其余炮孔均采用連續(xù)線裝藥的方式，所使用藥卷長度為300mm，一級掏槽孔裝藥長度為2.1m，堵塞長度約為1.2m。二級掏槽孔裝藥長度為2.4m，堵塞長度為2.4m。其余炮孔（非周邊孔）堵塞長度約為1.3m，剩余炮孔長度進(jìn)行連續(xù)線裝藥。周邊孔采用空氣間隔裝藥，間隔距離為50cm，裝藥密度為0.15kg/m，周邊孔各炮孔之間使用導(dǎo)爆索進(jìn)行T 型連接，使用雷管同時(shí)起爆。

2.2.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)要求，掏槽孔需最先起爆，因此在滿足震動(dòng)要求的前提下，一級和二級掏槽孔起爆段分別設(shè)置為毫秒1段和3段，擴(kuò)槽孔、掘進(jìn)孔I和掘進(jìn)孔II分別設(shè)置為毫秒5段、7段和9段。外圈掘進(jìn)孔與底板孔設(shè)置為毫秒13段，該段起爆后能確保自由面平行于周邊孔，提高光面爆破效果。周邊孔采用15段雷管最后起爆，周邊孔之間必須使用導(dǎo)爆索連接，以保證能夠同時(shí)起爆。

3 爆破效果分析

采用隧道光面爆破方案進(jìn)行開挖，并不斷對光面爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的爆破效果。

（1）在保證單次爆破循環(huán)進(jìn)尺的條件下，隧道輪廓面凹凸不平的情況得到了明顯的改善。輪廓面整體的不平整度基本控制在15cm 以下，超挖欠挖的現(xiàn)象明顯減小。

（2）炮孔的利用率高，基本能達(dá)到95%，隧道掌子面較為光滑平整，沒有出現(xiàn)欠挖的現(xiàn)象。周邊孔的半孔率達(dá)到了85%，并且由于對周邊孔采用空氣間隔裝藥的方式，因此對圍巖的擾動(dòng)大幅度減小。通過對爆破后圍巖變形的監(jiān)測分析，圍巖的收斂變形量小于所給的設(shè)計(jì)安全值，爆破后沒有出現(xiàn)掉塊落塊的現(xiàn)象，充分保證了圍巖的自身強(qiáng)度，使得圍巖能夠依靠自身的承載維持穩(wěn)定（圖2），使初期支護(hù)不再緊跟掌子面，極大地增加了下一爆破循環(huán)的鉆孔作業(yè)面，使得鉆孔精度和鉆孔質(zhì)量能夠得到提高，加快了施工進(jìn)度，有效地提高了施工效率。

圖2 光面爆破的效果

4 結(jié)束語

綜上所述，采用光面爆破能夠有效地解決隧道爆破的超欠挖問題，使得隧道輪廓面不平整度由20～25cm降到了15cm 以下，減少了隧道初期支護(hù)的噴射混凝土用量，節(jié)省了工程成本，加快了施工速度；在光面爆破中采用空氣間隔裝藥，使得炸藥爆炸時(shí)壓力能夠均勻分布在炮孔壁上，提高了炮孔的半孔率，減少了炸藥爆炸對圍巖的擾動(dòng)，使圍巖能夠依靠自身的強(qiáng)度維持穩(wěn)定性，加快下一個(gè)爆破循環(huán)鉆孔作業(yè)的進(jìn)度；采用光面爆破能使單次爆破循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到3.5m，并且能夠減小大塊碎石的產(chǎn)生，爆破產(chǎn)生的碎石塊度合理，易于清理和轉(zhuǎn)運(yùn)，為下一個(gè)隧道作業(yè)的循環(huán)提供了時(shí)間，能夠提高施工效率和加快施工進(jìn)度，值得在隧道施工中大面積推廣和應(yīng)用。