大斷面隧道直眼掏槽施工技術(shù)應(yīng)用

康慶山KANG Qing-shan

（中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，濟(jì)南 250300）

0 引言

本文以阿聯(lián)酋鐵路某隧道為背景，闡述隧道爆破中直眼掏槽爆破方案在工程中的實(shí)際應(yīng)用。文中援引隧道斷面為125m2，圍巖種類主要以輝長(zhǎng)巖為主，結(jié)構(gòu)構(gòu)造均勻，裂隙較少，巖石堅(jiān)硬穩(wěn)定，隧道開挖考慮采用全斷面法進(jìn)行。為盡快完成施工任務(wù)，探索安全、穩(wěn)定且進(jìn)尺較大的爆破方案勢(shì)在必行。因此，本工程中采取的空孔直眼掏槽爆破的方案順利解決了面臨的這一難題。

1 本隧道爆破方案的選擇

根據(jù)目前市場(chǎng)信息，隧道爆破施工總體可分為兩大類：斜眼掏槽及直眼掏槽。根據(jù)本工程巖石堅(jiān)硬、穩(wěn)定的特點(diǎn)，以及縮短施工工期的要求，加快隧道施工進(jìn)度成了唯一的解決方式。經(jīng)兩種爆破方式的對(duì)比可知，采取直眼掏槽方案為宜。主要原因如下：

1.1 斜眼掏槽方案

斜眼掏槽原理：采用傾斜于隧道軸線的爆破孔裝藥，使爆炸產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)行剝離中心部位巖石，為后續(xù)巖石移動(dòng)提供更多的自有面。（圖1）

圖1 斜眼掏槽爆破掏槽孔布置圖

如圖1所示，考慮到本工程中所涉及到的隧道巖石硬度高，完整性較好。單層掏槽方式恐難以完全剝離掏槽區(qū)域巖石，因此現(xiàn)場(chǎng)施工中考慮采用雙層掏槽以徹底剝離掏槽區(qū)，為其他爆破孔的爆破提供充足的自由面。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，斜眼掏槽的掏槽孔與自由面夾角為60°~70°掏槽效果為最佳。本設(shè)計(jì)中，考慮掏槽孔最大的進(jìn)尺深度為4.5m，掏槽孔與掌子面夾角為64°，則第一排掏槽孔左右間距為4.8m，孔底的最小抵抗線為40cm；第二排掏槽孔左右間距則為5.3m。如圖所示，如果繼續(xù)增加左右兩側(cè)掏槽孔間距，則孔底的最小抵抗線增加，則同樣導(dǎo)致掏槽區(qū)無(wú)法完全剝離；如果左右兩側(cè)掏槽孔間距減小，則掏槽孔與掌子面的夾角也隨之減小，如此也容易導(dǎo)致掏槽區(qū)無(wú)法剝落的現(xiàn)象；且本隧道掌子面的最大寬度為13m，若繼續(xù)放大掏槽孔空口間距則會(huì)因兩側(cè)邊墻影響，無(wú)法按照設(shè)計(jì)角度鉆孔。因此，本隧道的掏槽孔最大鉆孔深度為4.5m，掘進(jìn)孔最大鉆孔深度為4.3m，考慮炮孔利用率為93%，則爆破深度為4m。因此本隧道中斜眼掏槽爆破單循環(huán)最大施工進(jìn)尺為4m為最宜。

1.2 空孔直眼掏槽方案

隧道空孔直眼掏槽原理：采用空孔作為掏槽孔的爆破自由面，為其余各孔內(nèi)炸藥爆破提供預(yù)裂空間。如圖2所示。

圖2 空孔直眼掏槽爆破掏槽孔布置圖

K：為空孔，即該孔僅為掏槽孔提供爆破自由面，爆破裝藥過程中不進(jìn)行炸藥及雷管安裝；施工中使用鉆孔設(shè)備擴(kuò)大空孔，空孔直徑越大越好但不小于ф120mm，才可保證掏槽效果。

T：為掏槽孔，該孔共設(shè)計(jì)5個(gè)，編號(hào)分別為1、2、3，施工過程中該孔率先進(jìn)行爆破，爆破產(chǎn)生的擠壓力，迫使周邊四個(gè)空孔同時(shí)坍塌，同時(shí)，掏槽區(qū)爆破坍塌后繼續(xù)為后續(xù)輔助孔及周邊孔的爆破提供自由面，從而形成“中心開花”的局面。

空孔直眼掏槽爆破的施工方式，爆破孔與隧道軸線始終處于平行狀態(tài)，爆破孔孔口與孔底距離空孔的抵抗線始終相同，在使用臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)不受掌子面大小的限制。因此，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石的實(shí)際情況，在綜合考慮超欠挖的問題后，自由選擇合適的爆破深度，鉆孔深度即為爆破深度。

綜上所述，本隧道施工采用空孔直眼掏槽爆破的施工方案更容易滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工需求。

2 空孔直眼掏槽方案

隧道鉆爆方案如圖3所示。本設(shè)計(jì)中設(shè)置直徑為120mm的空孔4個(gè)；掏槽孔5個(gè)，布置于空孔四周；輔助掏槽孔11個(gè)，分布于掏槽孔四周；掘進(jìn)孔5層，合計(jì)80個(gè)，掘進(jìn)區(qū)域逐步外擴(kuò)，主要用于控制單循環(huán)的開挖進(jìn)尺；周邊孔59個(gè)，用于隧道開挖輪廓線以及隧道總體超欠挖的控制；底板孔2層，合計(jì)25個(gè)，主要用于底板的掘進(jìn)以及超欠挖的控制。因本乳化炸藥工程所處地區(qū)爆破施工采用乳化炸藥，其藥卷直徑為40mm，為便于裝藥施工，所以本項(xiàng)目所鉆孔直徑選擇為48mm。

圖3 空孔直眼掏槽炮孔布置方案

現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際爆破效果增加炮眼數(shù)量，調(diào)整炮眼間距及裝藥量，但不可減少設(shè)計(jì)炮眼數(shù)量。若在施工過程中，遇到隧道掌子面圍巖發(fā)生變化時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行藥量的調(diào)整，改變進(jìn)尺長(zhǎng)度。

首次爆破裝藥參數(shù)如表1所示。

表1 首次爆破裝藥參數(shù)表

3 空孔直眼掏槽的優(yōu)點(diǎn)

3.1 單循環(huán)進(jìn)尺大

空孔直眼掏槽，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件自由選擇鉆孔深度。因其爆破孔產(chǎn)生的爆破力為垂直隧道軸線方向，掏槽孔孔口與孔底抵抗線相同，因此不用擔(dān)心出現(xiàn)斜眼掏槽里因孔底抵抗線過大而導(dǎo)致的掏槽區(qū)無(wú)法剝離的現(xiàn)象發(fā)生。所以，在保證安全的前提下我們可以盡可能增加鉆孔深度，從而確保隧道安全進(jìn)尺。相比斜眼掏槽該方案可最大限度的實(shí)現(xiàn)隧道單循環(huán)進(jìn)尺深度。如本隧道中，若采用斜眼掏槽爆破方式，單循環(huán)最大進(jìn)尺僅為4m；但采用直眼掏槽爆破方案單循環(huán)進(jìn)尺可達(dá)到5m或更多。

3.2 施工不受作業(yè)面限制

斜眼掏槽施工方案，掏槽孔鉆進(jìn)方向與隧道軸線必須存在一定的夾角才能實(shí)現(xiàn)良好的爆破。因此鉆孔作業(yè)面的大小會(huì)嚴(yán)重限制掏槽孔的作業(yè)，特別時(shí)受隧道兩側(cè)拱墻的影響，容易產(chǎn)生無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)鉆孔角度的現(xiàn)象，從而造成爆破過程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)深度掏槽和掏槽不徹底等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響單循環(huán)的隧道進(jìn)尺深度。

直眼掏槽施工方案，施工中所有的鉆爆孔均與掌子面垂直，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工深度容易控制，只要洞內(nèi)能滿足鑿巖臺(tái)車進(jìn)入，鉆孔施工就不會(huì)受兩側(cè)拱墻影響，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工需求最大程度上加深鉆孔深度。因此，空孔直眼掏槽施工方案可以最大限度的避開客觀因素對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工主觀可控。

3.3 飛石拋擲距離短

隧道斜眼掏槽施工方案，是以施工作業(yè)掌子面為掏槽自由面。爆破施工中，依靠炸藥沖擊波的擠壓推出掏槽區(qū)域，從而為后續(xù)其余爆破孔的爆破提供爆破自由面。因該方案中掏槽孔的自由面垂直于隧道軸線方向，爆破發(fā)生時(shí)，受爆破沖擊波的影響，掏槽區(qū)域飛石拋擲的距離遠(yuǎn)，存在對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)施、設(shè)備等均可造成不可逆?zhèn)Φ陌踩[患，進(jìn)而造成施工工序的延誤，影響總體施工工期。

空孔直眼掏槽施工方案，是采用空孔作為爆破自由面，通過鄰近孔爆破形成沖擊波對(duì)空孔造成孔間擠壓，從而導(dǎo)致掏槽孔空體坍塌，為后續(xù)掘進(jìn)孔爆破提供爆破自由面。以此類推，空孔直眼掏槽中所有爆破孔爆破產(chǎn)生的沖擊波均與爆破自由面垂直，因此該爆破方式在最大程度上限制了飛石外拋，對(duì)后方風(fēng)、水、電等基礎(chǔ)設(shè)施危害性較少。爆破過程中不必對(duì)后方配套設(shè)施進(jìn)行必要保護(hù)，節(jié)省施工時(shí)間，避免材料浪費(fèi)，同時(shí)減少因基礎(chǔ)設(shè)施損傷造成的工期延誤現(xiàn)象。

3.4 改變爆破方案操作簡(jiǎn)單

在隧道施工中，隧道掌子面圍巖的變化存在諸多不可確定因素。為適應(yīng)圍巖的變化，取得良好的爆破效果，爆破設(shè)計(jì)也需進(jìn)行相應(yīng)的變化。如果采用斜眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)，則需對(duì)爆破方案進(jìn)行整體調(diào)整。對(duì)于調(diào)整完的爆破設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員在鉆孔過程中需重新適應(yīng)新的掏槽角度，現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)整較困難，從而也造成了鉆孔效果不佳，爆破效果不理想的狀態(tài)。但若采取空孔直眼掏槽施工工藝，在遇到掌子面圍巖變化，需要調(diào)整單循環(huán)進(jìn)尺的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)施工人員，僅需要改變各孔的鉆孔深度即可，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，調(diào)整單孔裝藥量。對(duì)于一線作業(yè)人員來(lái)講，該爆破設(shè)計(jì)適應(yīng)簡(jiǎn)單，易于掌握。

3.5 巖石爆破塊度小

以進(jìn)尺4m為例，由圖1可知，在隧道斜眼掏槽施工方案中，左右兩排掏槽孔間距為4.8m，高度為3m。因掏槽區(qū)內(nèi)巖石完整性較好，且沒有其他多余的孔。所以在爆破后，掏槽區(qū)范圍內(nèi)很容易產(chǎn)生大塊巖石。由圖2及圖3可知，采用空孔直眼掏槽施工方案，掌子面爆破孔布置較為均勻，而且掏槽方式為掏槽孔的爆破沖擊波擠壓空孔而形成最終掏槽，因此掏槽區(qū)巖石在爆破后表現(xiàn)較為破碎，而且其余崩落孔、掘進(jìn)孔、周邊孔等布置都較為均勻。所以，爆破結(jié)束后巖石塊度相對(duì)較為均勻。

由對(duì)比可知，空孔直眼掏槽施工方案爆破后的巖石塊度較斜眼掏槽要小。施工過程中，爆破后巖石塊度小，后續(xù)出渣工序相對(duì)容易，且可以在一定程度上大大節(jié)省出渣時(shí)間。

4 直眼掏槽的缺點(diǎn)

4.1 藥量多

我們以單循環(huán)進(jìn)尺4m為例，其中空孔直眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)其掏槽體積為2.56m3，自由面面積為2.02m；而斜眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)其掏槽體積為19.58m3，掏槽孔自由面為26.1m2。相比于斜眼掏槽，空孔直眼掏槽的掏槽體積小，形成的自由面??；所以需要使用更多的炸藥才能將隧道掌子面的爆破達(dá)到理想的效果。

4.2 震動(dòng)大

在隧道爆破施工中，兩種爆破設(shè)計(jì)均會(huì)產(chǎn)生爆破震動(dòng)。但斜眼掏槽爆破設(shè)計(jì)中，掏槽孔以隧道掌子面作為自由面，因此在爆破發(fā)生的過程中，爆破沖擊波將會(huì)垂直于隧道掌子面方向；而空孔直眼掏槽爆破設(shè)計(jì)中，掏槽孔主要以空孔作為自由面，爆破發(fā)生時(shí)通過沖擊波擠壓空孔而完成爆破，為后續(xù)各爆破孔提供自由面，所以沖擊波主要的傳播方向?yàn)榇怪庇谒淼垒S線。

綜上，在斜眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)中，以隧道掌子面作為掏槽孔自由面，相較于直眼掏槽施工中以空孔作為自由面，其沖擊波的釋放范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直眼掏槽中空孔的釋放面積。所以，從消耗爆破震動(dòng)的方面來(lái)講，斜眼掏槽的優(yōu)勢(shì)更為明顯。因此，在涉及到爆破作業(yè)面上方或左右兩側(cè)有建筑物或敏感物體的時(shí)候，空孔直眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)不宜使用。

4.3 掏槽體積小

我們?nèi)砸詥窝h(huán)進(jìn)尺4m為例，其中空孔直眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)其掏槽體積為2.56m3；而斜眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)其掏槽體積為19.58m3。由此可見，斜眼掏槽的掏槽體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空孔直眼掏槽的體積。

我們知道，隧道爆破施工中，所有的爆破設(shè)計(jì)均是以起爆掏槽孔為首要控制措施。因此掏槽效果的好壞將直接影響單次爆破質(zhì)量。掏槽效果良好則后續(xù)爆破孔的作用才能完全發(fā)揮出來(lái)，若掏槽效果較差，則其他爆破孔各自的作用將會(huì)被極大的限制，進(jìn)而難以達(dá)到預(yù)期的爆破效果。從以上掏槽體積對(duì)比可知，斜眼掏槽爆破設(shè)計(jì)，掏槽體積較大，且掏槽方向?yàn)榇怪彼淼勒谱用妫籼筒坌Ч缓弥粫?huì)影響單次作業(yè)循環(huán)的進(jìn)尺大?。欢湛字毖厶筒郾圃O(shè)計(jì)，掏槽體積小，且掏槽方向?yàn)榇怪彼淼垒S線，若掏槽效果不理想，其所引起的后果不僅僅是單次爆破作業(yè)進(jìn)尺不理想，更有甚者是會(huì)造成本次循環(huán)開挖產(chǎn)生嚴(yán)重的欠挖現(xiàn)象。因此，控制空孔直眼掏槽爆破設(shè)計(jì)的掏槽質(zhì)量是該設(shè)計(jì)方案的重中之重。

4.4 鉆孔精準(zhǔn)度要求高

從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔精度方面來(lái)考慮，空孔直眼掏槽的爆破設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需嚴(yán)格控制各爆破孔之間的間距，特別是掏槽孔于空孔之間。若各孔之間間距過大，尤其是掏槽孔于空孔之間間距過大，可能會(huì)因?yàn)榭變?nèi)炸藥量不足而導(dǎo)致空孔無(wú)法破碎，進(jìn)而無(wú)法為后續(xù)的各類爆破孔提供充足的自由面，從而造成“紋絲不動(dòng)”的現(xiàn)象；若孔間距離過小，在空孔破碎之后，為后續(xù)各孔爆破所提供的爆破自由面不足，容易出現(xiàn)爆破不徹底。從而導(dǎo)致周邊孔爆破不理想，造成隧道欠挖，同時(shí)也會(huì)影響單循環(huán)隧道進(jìn)尺。

因此，空孔直眼爆破要求鉆孔精度高，孔間距不均勻，鉆孔角度有偏差等都會(huì)造成隧道單循環(huán)爆破不理想的情況。所以，空孔直眼掏槽方案，更適用于智能機(jī)械鉆孔施工，如：雙臂鑿巖臺(tái)車、三臂鑿巖臺(tái)車等。

5 結(jié)語(yǔ)

本隧道自空孔直眼掏槽爆破設(shè)計(jì)方案使用以來(lái)，在實(shí)踐中取得了良好的效果，單次循環(huán)進(jìn)尺均能保證不小于4.5m，為本隧道工程的及時(shí)完工提供了工期保障。也在實(shí)際工程中再一次驗(yàn)證了空孔直眼掏槽爆破設(shè)計(jì)方案的可行性，為后續(xù)類似工程施工提供技術(shù)參考。