分區(qū)控制爆破技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件公路隧道改造中的應(yīng)用

王剛

（安徽江南爆破工程有限公司）

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅猛，高速鐵路網(wǎng)的形成對地區(qū)性經(jīng)濟增長刺激作用凸顯，部分隧道因為規(guī)模較小，無法滿足實際交通需求，須進行拓寬改造，但部分隧道由于使用年限較長，圍巖穩(wěn)定性較差，巖溶裂隙發(fā)育，溶洞內(nèi)部泥水充填，甚至可能存在暗河問題，極大增加了隧道掘進擴挖難度，如何有效控制爆破規(guī)模、優(yōu)化爆破工藝、控制爆破有害效應(yīng)、保障圍巖穩(wěn)定、降低安全風(fēng)險是現(xiàn)今隧道擴挖改造的一大難點［1-3］。

在隧道爆破擴挖研究方面，李源源［4］探究了微差光面爆破技術(shù)在既有隧道擴建中的應(yīng)用情況；林濤［5］提出了城市隧道拓寬改造中爆破控制措施；岳永青［6］針對隧道改造襯砌拆除爆破問題提出了相應(yīng)措施；呂瑞虎［7］對水平砂泥巖隧道爆破成型控制技術(shù)進行了現(xiàn)場應(yīng)用。

本文基于G5011 蕪合高速既有試刀山隧道爆破擴挖改造工況，通過精心設(shè)計爆破掘進過程中的掏槽方式、裝藥結(jié)構(gòu)，合理布置鉆孔，通過理論公式和現(xiàn)場實際情況計算各項爆破參數(shù)，分區(qū)塊進行爆破施工作業(yè)并校核爆破有害效應(yīng)閾值，順利完成了隧道擴挖爆破作業(yè)，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

G5011 蕪合高速既有試刀山隧道建成于1996 年6 月，因林頭至隴西立交段改擴建工程建設(shè)需要，對其進行改造和加固。本項目施工全部處在4 條試刀山隧道內(nèi)，加固主要為隧道病害整治，包含裂縫治理、滲漏水治理、襯砌脫空治理。項目中涉及爆破的主要工程：①通行方向的新舊隧道之間分別設(shè)置4條互通的行車橫洞；②行車橫洞相應(yīng)的位置設(shè)置4處緊急停車帶；③在新舊隧道之間東西兩端各設(shè)置2條行人橫洞。

1.2 地質(zhì)條件

沿蕪合高速自東向西工程及地質(zhì)條件：

（1）東側(cè)1#人行橫洞段，主要為泥質(zhì)灰?guī)r、局部泥巖和頁巖、硅質(zhì)巖，巖溶裂隙發(fā)育，Ⅳ級圍巖，巖石硬度f=5～8。

（2）中間行車橫洞及緊急停車帶區(qū)段，主要為灰白—淺肉紅色及綠灰色泥質(zhì)灰?guī)r，夾頁巖，Ⅳ級圍巖，巖石硬度f=6～9；地質(zhì)構(gòu)造上為向斜的軸部，F(xiàn)4斷層上盤；灰?guī)r構(gòu)造巖溶發(fā)育，溶洞內(nèi)多為泥水充填。

（3）西側(cè)2#人行橫洞段，主要為黃綠色的泥質(zhì)砂巖和粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁巖等，易風(fēng)化，賦存基本穩(wěn)定，巖石硬度f=4～6，水文及工程地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。

1.3 具體施工內(nèi)容

（1）緊急停車帶和行車橫洞：①緊急停車帶，斷面為馬蹄洞形，所處位置的凈寬度為13.5 m（原有隧道凈寬10.5 m），掘進寬度為14.04 m，需增加爆破寬度為3.54 m，面積約為21.3 m2，爆破工程量為8 732 m3；②行車橫洞，斷面為城門洞形，凈斷面規(guī)格尺寸為4.5 m×6.2 m（寬×高），掘進斷面約為28.7 m2，爆破工程量為1341.5 m3；2項工程量合計約為10 073.5 m3。

（2）行人橫洞：斷面為城門洞型，凈斷面規(guī)格尺寸為2.5 m×3.1 m（寬×高），掘進斷面約為9.4 m2，則爆破工程量為318.8 m3。

2 爆破方案的選擇

根據(jù)隧道掘進爆破的地質(zhì)概況和巖層賦存條件，參考前期主隧洞掘進爆破施工的特點以及施工機械設(shè)備的現(xiàn)有條件，擬確定采用如下掘進爆破工藝施工。

2.1 設(shè)計和施工原則

依據(jù)隧道圍巖的賦存條件，科學(xué)設(shè)計與施工，遵循“弱爆破、短開挖、強支護、早閉合、勤量測、襯砌緊跟”的原則，根據(jù)鉆爆施工效果及時優(yōu)化調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

2.2 緊急停車帶爆破方案

（1）人工切割和機械拆除原有的隧道襯砌，然后進行爆破擴挖；每次拆除的縱向長度不得超過1.5 m，分步拆除并擴挖，必須及時進行臨時支護。

（2）根據(jù)巖層賦存穩(wěn)定性條件，確定爆破工藝、循環(huán)進尺和爆破參數(shù)。①如果圍巖較為穩(wěn)定，無地質(zhì)構(gòu)造和破碎帶等，可進行1.5 m 及以上孔深開挖施工，采用松動爆破和周邊光面（或預(yù)裂）爆破技術(shù)，全斷面一次爆破。②如果遇到軟巖及斷層破碎帶或巖溶等，則根據(jù)圍巖的軟弱實際情況，酌情采用減弱松動爆破，或分臺階、分步驟進行“多循環(huán)、短進尺”爆破施工，循環(huán)進尺不大于1.0 m。

2.3 行車、行人橫洞爆破方案

（1）對于東側(cè)1#人行橫洞和中部行車橫洞，圍巖賦存條件相對較好，Ⅲ級圍巖可采用全斷面一次爆破法施工，炮孔深度為1.5 m，掏槽眼深度為1.8 m，循環(huán)進尺小于1.5 m；周邊孔采用光面爆破法施工。

（2）對于Ⅳ級圍巖段和西側(cè)2#人行橫洞，則采用“多循環(huán)、短進尺”減弱松動爆破法進行施工。炮孔深度為1.0～1.5 m，循環(huán)進尺為0.8～1.2 m，周邊孔采用光面爆破法進行施工。

3 爆破技術(shù)及參數(shù)設(shè)計

3.1 緊急停車帶爆破設(shè)計

破除原隧道襯砌后進行爆破擴挖。首先垂直隧道輪廓面挖缺口，然后平行于主隧道軸線方向打眼，以主隧道的側(cè)邊輪廓作為爆破的自由面，由里向外依次順序起爆。

（1）鉆眼直徑和適用藥卷直徑：采用YT27 型或ZY24型風(fēng)動鑿巖機鉆眼，鉆孔直徑D=42 mm，適用的炸藥卷直徑為32 mm。

（2）鉆眼間距和排（圈）距：①崩落眼間距，Ⅲ級圍巖a=0.8～1.0 m，Ⅳ級圍巖a=1.0～1.5 m；②周邊眼間距，Ⅲ級圍巖E=0.5～0.8 m，Ⅳ級圍巖E=0.4～0.6 m；③炮孔排距（圈間距），Ⅲ級圍巖b=0.6～0.8 m，Ⅳ級圍巖b=0.7～0.9 m。

（3）周邊眼距E與光爆層厚度W的比值為0.65～0.8。

（4）炮眼深度：Ⅲ級圍巖隧道采用中深孔掘進，炮孔深度L=1.5 m，Ⅳ級圍巖或破碎帶炮孔深度L=

1.0 m。

（5）裝藥系數(shù)、炸藥單耗和裝藥量：①裝藥系數(shù)ξ，臨近自由面炮眼ξ=0.3～0.5，其他崩落眼和底眼ξ=0.4～0.6，周邊眼ξ=0.15～0.35；②炸藥單耗q，Ⅲ級圍巖q=（0.5～0.75）kg∕m3，Ⅳ級圍巖q=（0.4～0.6）kg∕m3；③單孔裝藥量Q=ξL或Q=q·a·b·L。緊急停車帶掘進爆破周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。

（6）緊急停車帶掘進爆破的炮眼布置圖詳見圖2。緊急停車帶掘進爆破設(shè)計參數(shù)詳見表1。

（7）起爆網(wǎng)路：采用先簇聯(lián)后串聯(lián)的起爆網(wǎng)路，每簇捆扎16～18根導(dǎo)爆管，共分2簇；2個捆扎點用4發(fā)雷管，然后用四通連接元件接母線導(dǎo)爆管通往起爆站；采用起爆針連接發(fā)爆器激發(fā)。

（8）循環(huán)進尺和爆破效率：平均循環(huán)進尺按1.4 m計，爆破效率為93.33%；每循環(huán)爆破量為29.8 m3，每循環(huán)炸藥使用量為21.4 kg，則緊急停車帶爆破的炸藥單耗為0.72 kg/m3，雷管（含起爆網(wǎng)）單耗為1.27發(fā)/m3。

3.2 行車橫洞掘進爆破設(shè)計

對于行車橫洞掘進爆破而言，同樣根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性和巖石硬度條件進行設(shè)計，這里主要對巖石賦存穩(wěn)定的石灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r（Ⅲ級圍巖）洞挖設(shè)計。

3.2.1 掏槽方式

采用4～6 眼的復(fù)式楔形掏槽，掏槽方式詳見圖3。

3.2.2 爆破技術(shù)參數(shù)

（1）鉆眼直徑和適用藥卷直徑：采用YT24 型氣腿式風(fēng)動鑿巖機鉆眼，鉆孔直徑D=42 mm，適用的炸藥卷直徑為32 mm。

（2）鉆眼間距和排（圈）距：①崩落眼間距a=0.6～0.8 m；②周邊眼間距E=0.4～0.6 m；③炮孔排距（圈間距）b=0.5～0.7 m。

（3）周邊眼距E與光爆層厚度W的比值為0.7～0.8。

（4）炮眼深度：炮孔深度L=1.5 m，如果遇斷層破碎帶或巖溶時，炮孔深度L=1.0 m。

（5）裝藥系數(shù)、炸藥單耗和裝藥量：①裝藥系數(shù)ξ，掏槽眼ξ=0.6～0.7，崩落眼和底眼ξ=0.5～0.6，周邊眼ξ=0.15～0.35；②炸藥單耗q，Ⅲ級圍巖q=（0.6～0.8）kg/m3，Ⅳ級圍巖q=（0.5～0.65）kg∕m3；③單孔裝藥量Q=ξL或Q=q·a·b·L。

行車橫洞掘進爆破的炮眼布置詳見圖4。行車橫洞掘進爆破參數(shù)詳見表2。

3.2.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用先簇聯(lián)后串聯(lián)的起爆網(wǎng)路，每簇捆扎15～16 根導(dǎo)爆管，共分4 簇；每個捆扎點用2 發(fā)雷管，然后將6簇的雷管腳線另作一簇捆扎，則傳爆雷管共為10發(fā)；最后用四通連接元件接母線導(dǎo)爆管通往起爆站；采用起爆針連接發(fā)爆器激發(fā)。

3.2.4 循環(huán)進尺和爆破效率

循環(huán)進尺為1.3～1.4 m，平均按1.35 m 計，爆破效率為90.0%；每循環(huán)爆破量為28.7 m3，每循環(huán)炸藥使用量為46.5 kg，則炸藥單耗為1.16 kg/m3；雷管（含起爆網(wǎng)）單耗為1.82發(fā)/m3。

3.3 行人橫洞的掘進爆破設(shè)計

對于東側(cè)的1#行人橫洞掘進爆破而言，地質(zhì)條件和掘進方法與行車橫洞基本相同。這里主要對巖石賦存條件較差的西側(cè)2#行人橫洞（Ⅳ級圍巖）掘進爆破設(shè)計。

3.3.1 掏槽方式

采用4個眼的楔形掏槽，掏槽方式詳見圖5。

3.3.2 爆破技術(shù)參數(shù)

（1）鉆眼直徑和適用藥卷直徑：采用YT24 型氣腿式風(fēng)動鑿巖機鉆眼，鉆孔直徑D=42 mm，適用的炸藥卷直徑為32 mm。

（2）鉆眼間距和排（圈）距：①崩落眼間距a=0.8～1.0 m；②周邊眼間距E=0.4～0.6 m；③炮孔排距（圈間距）b=0.6～0.8 m。

（3）周邊眼距E與光爆層厚度W的比值為0.65～0.8。

（4）炮眼深度：炮孔深度L=1.0 m，槽眼垂深Lc=1.2 m。

（5）裝藥系數(shù)、炸藥單耗和裝藥量：①裝藥系數(shù)ξ，掏槽眼ξ=0.5～0.6，崩落眼和底眼ξ=0.4～0.5，周邊眼ξ=0.15～0.30；②炸藥單耗q=（0.4～0.6）kg/m3；③單孔裝藥量Q=ξL或Q=q·a·b·L。

行人橫洞掘進爆破的炮眼布置詳見圖6。行人橫洞掘進的爆破參數(shù)詳見表3。

3.3.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用先簇聯(lián)后串聯(lián)的起爆網(wǎng)路，每簇捆扎19～20 根導(dǎo)爆管，共分2 簇；每個捆扎點用2 發(fā)雷管，然后用四通連接元件接母線導(dǎo)爆管通往起爆站；采用起爆針連接發(fā)爆器激發(fā)。

3.3.4 循環(huán)進尺和爆破效率

循環(huán)進尺平均為0.95 m，爆破效率為95.0%；循環(huán)爆破量為9.4 m3，每循環(huán)炸藥使用量為13.7kg，則炸藥單耗為1.53 kg/m3；雷管（含起爆網(wǎng)）單耗為4.2發(fā)/m3。

4 爆破安全技術(shù)校核

4.1 地震效應(yīng)

根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式：

式中，V為地震波的傳播速度，cm/s，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，對于新建隧道所允許的振動速度按5 cm/s；K，α分別為與地震波的傳播介質(zhì)和爆破區(qū)地形地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定以及巖石軟硬程度和振動頻率綜合考慮，取K=150，α=1.60；Q為最大段裝藥量，kg；R為爆破中心至被保護建筑物或構(gòu)筑物之間的安全距離，新舊隧道之間的距離為35 m。

計算得出最大段裝藥量Q=93 kg，故每循環(huán)爆破用藥量均小于93 kg。

4.2 爆破沖擊波

根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中，Rc為爆破沖擊波距離，m；K2為與裝藥條件和破壞程度有關(guān)的系數(shù)，取5.5；Qc為循環(huán)總裝藥量，取46.5 kg。

計算得出Rc=85.25 m。參考該數(shù)據(jù)可知，防止爆破飛石的安全距離一般都會大于該數(shù)值。

4.3 爆破飛石

深孔臺階爆破個別飛石安全距離借鑒經(jīng)驗公式：

式中，Rf為爆破時個別飛石的最大飛散距離，m；K為與爆破區(qū)地形和風(fēng)向有關(guān)的系數(shù)，一般為1.0～1.5，取1.5；n為爆破作用指數(shù)，對于掏槽爆破來說，約為1.5；W為最小抵抗線，掏槽眼（裝藥中心）為1.5 m。

計算得出Rf=101.0 m。取150 m 的安全警戒距離是完全可行的。故人員的爆破警戒距離為200 m。

4.4 爆破有毒氣體

每次爆破人員全部撤出隧道，避開洞口的方向，爆破后等待15 min，同時進行通風(fēng)約20 min。

5 現(xiàn)場爆破效果

根據(jù)爆破方案進行現(xiàn)場爆破作業(yè)，爆破后爆堆效果和進尺如圖7所示。

由圖7 中可以看出，行人、行車通道爆破后巖石塊度均勻，爆破進尺達到設(shè)計要求；停車帶掌子面較為平整，圍巖穩(wěn)定，各分區(qū)邊孔光爆效果較好，半孔率較高，孔痕連續(xù)性較好。

在新隧道附近設(shè)置一測振點，觀測各分區(qū)爆破振動變化，如表4和圖8所示。

圖8中由上到下分別對應(yīng)X、Y、Z三方向，可以看出，測點處爆破峰值振動速度為0.25 cm/s 和0.736 cm/s，遠小于新隧道爆破振動速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)5 cm/s，爆破振動不會對新隧道產(chǎn)生有害效應(yīng)。

6 結(jié)論

（1）針對緊急停車帶隧洞擴挖工況，在穩(wěn)定圍巖處可采用1.5 m大循環(huán)開挖施工，全斷面一次爆破，遇軟巖及斷層破碎帶，酌情采用減弱松動爆破，或分臺階、分步驟進行“多循環(huán)、短進尺”爆破施工，由現(xiàn)場爆破效果來看，爆破擴挖效果較為良好。

（2）針對行車、行人橫洞掘進爆破作業(yè)工況，在圍巖條件較好區(qū)域設(shè)計炮孔深度1.5 m，掏槽眼深度1.8 m，循環(huán)進尺不超過1.5 m；圍巖軟弱區(qū)域炮孔深度為1.0～1.5 m，循環(huán)進尺為0.8～1.2 m，周邊孔均采用光面爆破法施工。爆破后巖石塊度均勻，爆破進尺達到設(shè)計值，圍巖穩(wěn)定，為類似隧道爆破擴挖工程提供了參考。

（3）根據(jù)現(xiàn)場爆破測試結(jié)果來看，采用先簇聯(lián)后串聯(lián)的起爆網(wǎng)路，毫秒微差起爆，合理控制最大單響藥量，可有效降低爆破振動峰值速度，從而減小對周邊隧洞、圍巖的振動危害。