復(fù)雜圍巖環(huán)境下高速公路隧道爆破施工設(shè)計(jì)
——以河南省“雙千工程”某高速公路隧道工程為例

林慧勤

（中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司，山東日照 276800）

0 引言

目前，我國在建高速公路隧道有30%～40% 位于復(fù)雜圍巖環(huán)境，復(fù)雜圍巖強(qiáng)度、承載能力不均，常發(fā)生圍巖大變形、塌方等工程事故。為了保證隧道施工工期，需要根據(jù)不同圍巖特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的施工工法[1]，并且嚴(yán)格按照短開挖、弱爆破、勤量測、及時(shí)成環(huán)的原則施工[2]。其中，隧道爆破施工設(shè)計(jì)需要通過理論計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式，確定具體的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保隧道施工的安全。以河南省“雙千工程”某高速公路隧道工程為例，闡述了隧道爆破施工設(shè)計(jì)中涉及的關(guān)鍵參數(shù)以及計(jì)算方法，為今后的類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

河南省“雙千工程”某高速公路全長75km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80km/h，路基寬度25.5m。線路位于豫西深山區(qū)，地處秦嶺山脈東段，峰巒連綿，谷深坡陡，地面標(biāo)高最低700m，最高2192m。河谷為侵蝕型，兩岸不對稱發(fā)育二級階地，分布不連續(xù)。地形屬中低山區(qū)和黃土覆蓋低山區(qū)。線路沿線表層多覆蓋碎石土，基巖分布有火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖等，物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

2 隧道概況及風(fēng)險(xiǎn)分析

該標(biāo)段涉及4 座隧道，分散坐落于不同山區(qū)，涉及村莊3 處，緊鄰隧道口散落4 家農(nóng)戶。需要重點(diǎn)關(guān)注的是，某隧道進(jìn)口200m 范圍內(nèi)有大量居民居住，距離民宅近，爆破施工有一定難度，控制爆破飛石、震動(dòng)等影響至關(guān)重要。在爆破作業(yè)時(shí)，應(yīng)對爆破的安全性進(jìn)行校核和有效控制。隧道含有各種圍巖級別，因此隧道爆破施工技術(shù)研究以隧道施工為例。

隧道進(jìn)出口圍巖為Ⅴ級，表層為第四系殘坡積土、碎石，全風(fēng)化巖石，結(jié)構(gòu)松散，圍巖不穩(wěn)定性。施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，宜采取預(yù)支擋等安全防護(hù)措施后開挖。洞身段整體穩(wěn)定性較好，在斷層帶巖石破碎或成碎石狀，易發(fā)生坍塌等，基本適宜隧道通過。但應(yīng)對雨季洞體滴水狀況做好防護(hù)。

經(jīng)隧道進(jìn)出口實(shí)地勘察，采用小松260 挖掘機(jī)進(jìn)行破碎及挖掘，滿足施工要求。為保證施工進(jìn)度，洞口進(jìn)洞前實(shí)施爆破。采用松動(dòng)爆破，并預(yù)留靠近民房的一側(cè)作為防護(hù)墻，挖掘機(jī)進(jìn)行輔助配合，保證周邊居民、住房及設(shè)備設(shè)施安全。

爆破網(wǎng)絡(luò)采用非電毫秒起爆網(wǎng)絡(luò)。爆破后，挖掘機(jī)、裝載機(jī)配合大型載重自卸車運(yùn)輸至棄渣場。爆破作業(yè)時(shí)，加強(qiáng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一與安全管理，嚴(yán)格按照爆破施工程序進(jìn)行。

3 爆破技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)

爆破施工的關(guān)鍵是與爆破設(shè)計(jì)和作業(yè)工序配合[3]。爆破初期，需要根據(jù)巖性和結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行試驗(yàn)，分析爆破效果，基于此調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 爆破技術(shù)參數(shù)

隧道爆破的施工質(zhì)量取決于爆破技術(shù)參數(shù)的合理選擇[4]。

3.1.1 單位炸藥消耗量，單位炸藥消耗量會對巖石的破碎程度、爆堆的形狀和巖石的飛行距離產(chǎn)生直接影響，同時(shí)對施工斷面質(zhì)量、炮眼的利用率以及隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。單位炸藥消耗量需要結(jié)合多種因素綜合確定，包括炸藥特性（硬度、密度、爆炸力和塑性等）、巖石特性、橫截面、裝藥的直徑、孔徑和孔深等。因此，準(zhǔn)確計(jì)算單位炸藥消耗量非常困難。

3.1.2 炮眼直徑，炮眼直徑會對施工進(jìn)度、炮眼數(shù)量、巖石破碎程度、炸藥的消耗量以及隧道側(cè)壁的平整程度產(chǎn)生直接的影響。在隧道施工中，主要根據(jù)隧道的斷面尺寸、炸藥的爆炸性能和器具的鉆孔速度，確定炮眼的設(shè)計(jì)直徑。所有炮眼和臨時(shí)支護(hù)錨桿孔均采用φ42mm 鉆孔。

3.1.3 炮眼深度，從綜合鉆孔和爆破工作的角度來看，炮眼深度在所有爆破參數(shù)中起重要作用[5]。炮眼深度影響到工作量、進(jìn)度以及施工時(shí)的爆破效果。調(diào)整炮眼深度的依據(jù)包括圍巖的類型、施工爆破環(huán)境和隧道開挖方法，炮眼深度合理的取值范圍在1.2～3.5m。在具體的施工中，根據(jù)巖性和以往的爆破效果適當(dāng)調(diào)整炮眼深度。同時(shí)，必須調(diào)整其他爆破參數(shù)，如孔間距和裝藥量，以加快進(jìn)度。

3.1.4 炮眼數(shù)量，炮眼數(shù)量直接影響鉆孔工作量和爆破施工效果。炮眼數(shù)量過少，巖石大體積的碎塊增加，井壁輪廓凹凸不平；相反地，如果炮眼數(shù)量過多，則會增加鉆孔的數(shù)量[6]。炮眼數(shù)量確定的原則是在保證效果的前提下，盡可能減少。

3.1.5 炮眼利用率，鉆爆最重要的參數(shù)就是炮眼利用率[7]。通?；谡麄€(gè)爆破斷面的利用率對其加以定義和計(jì)算。試驗(yàn)表明，影響炮眼利用率的因素很多，包括單位炸藥消耗量、炮眼數(shù)量、裝藥直徑、系數(shù)和深度。炮眼最佳利用率為0.85～0.95?？紤]到斷面較大，炮眼利用率在0.8～0.9 之間，取0.85 進(jìn)行計(jì)算。

3.2 爆破設(shè)計(jì)

隧道以風(fēng)化片巖為主，圍巖巖性整體穩(wěn)定性較好，圍巖級別以Ⅲ、IV、V 級為主。施工中，將根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)合理地調(diào)整施工方法。對于小凈距隧道，嚴(yán)格控制施工中的爆破效應(yīng)，充分保護(hù)圍巖，控制最大臨界振動(dòng)速度15cm/s。隧道凈寬為10.25m，凈高為5m，Ⅲ級圍巖全斷面爆破斷面面積為106.26m2。在爆破參數(shù)中，相互影響的4 個(gè)參數(shù)是炮眼間距、炮眼密集系數(shù)、最小抵抗線和裝藥密度。

3.2.1 炮眼深度

炮眼深度受開挖面大小的影響。炮眼深度太深，周圍的巖石有很大的夾持作用，因此，炮眼深度不應(yīng)太深[8]。通常情況下，最大深度的取值為隧道截面寬高的0.5～0.7 倍，同時(shí)，應(yīng)考慮圍巖的每個(gè)開挖周期的開挖進(jìn)尺。在現(xiàn)場施工時(shí)，采用YT-28 型風(fēng)鉆，配合φ42mm 鉆頭。同時(shí)為了降低巖石的夾持作用，深度均為3.0m（掏槽眼和底眼的深度取3.2m）。

3.2.2 光面爆破不耦合系數(shù)（D）及裝藥直徑（d）

不耦合系數(shù)通過炮眼直徑與裝藥直徑之比計(jì)算得到。如公式（1）所示，在恰當(dāng)?shù)牟获詈舷禂?shù)時(shí)，爆破后在炮眼壁上的作用力不大于圍巖抗壓強(qiáng)度。當(dāng)巖石類型為軟巖時(shí)，不耦合系數(shù)在2.0～2.5 范圍內(nèi)時(shí)，緩沖效果和光面爆破效果最好[9]。

式（1）中：D為不耦合系數(shù)；dk為炮眼直徑，cm；di為裝藥直徑，cm。

在施工時(shí)，不耦合系數(shù)取2.1，在2.0～2.5 的范圍內(nèi)。

3.2.3 周邊眼間距（E）、最小抵抗線（V）和相對距系數(shù)（K）

最小抵抗線與巖性密切相關(guān)，也與開挖隧道段的尺寸及地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。硬質(zhì)巖石的最小抵抗線可以更小，而軟破碎巖石的最小抵抗線可以更大?？紤]隧道巖石為石英片巖，最小抵抗線（V）在0.40～0.60。

周邊眼間距與最小抵抗線的比值，如式（2）所示，是相對距系數(shù)，這是影響爆破效果的直接因素[10]。

式（2）中：E為周邊眼間距，cm；V為最小抵抗線，cm。

相對距系數(shù)值總是小于1，當(dāng)d=38～46mm，周邊眼間距為30～50cm，最小抵抗線為40～60cm 時(shí)，相對距系數(shù)為0.5～0.8。

考慮到全爆破區(qū)巖石節(jié)理較為發(fā)育，周邊眼間距取值范圍為30～50cm，取45cm，最小抵抗線為60cm，相對距系數(shù)K=0.75。

3.2.4 裝藥量

光面爆破裝藥量的計(jì)算公式如式（3）所示[11]。

式（3）中：q為裝藥集中度，kg/m；Q為單位體積耗藥量，g/m3；E為周邊眼間距，m；V為最小抵抗線，m。

裝藥集中度取值范圍為0.07～0.15kg/m，取0.15kg/m 計(jì)算。

3.2.5 炮眼數(shù)量

式（4）中：N為炮眼數(shù)量；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；S為開挖段面積，m2；η為裝藥系數(shù)，暫取0.7；γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量，kg/m，取0.91。

計(jì)算得到N=（1.47×106.26）/（0.7×0.91）=246個(gè)。其中，周邊眼、掏槽眼、輔助眼、輔助掏槽眼、底眼和非裝藥眼的數(shù)量分別為55、6、145、8、28 和4 個(gè)。

3.2.6 每一循環(huán)裝藥量計(jì)算及分配

式（5）中：q為單位炸藥消耗量，取1.47kg/m3；V為爆落巖石總體積，m3。

計(jì)算得到Q=1.47×2.8×106.26=437.4kg

各類型的炮眼裝藥量計(jì)算結(jié)果如下：

采用η=0.73 計(jì)算炮眼數(shù)量，周邊眼裝藥集中度0.15kg/m，裝藥系數(shù)為0.165。進(jìn)而掏槽眼裝藥量取13 卷，輔助掏槽眼裝藥量取13.5 卷，周邊眼裝藥量取2 卷，輔助眼裝藥量取12 卷，底眼裝藥量取13 卷。

3.2.7 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式

光爆采用不耦合方式裝藥。軟巖的不耦合系數(shù)通常為2.0～2.5。在底部炮眼放置半標(biāo)準(zhǔn)藥筒，以便減小底部炮眼的阻力，使得光面爆破層易于分離。施工時(shí)，應(yīng)采用圖1所示的裝藥結(jié)構(gòu)。

圖1 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.8 光面爆破的分區(qū)起爆順序

起爆采用由內(nèi)向外的多段微差起爆方法。在起爆過程中，主爆區(qū)的周邊眼和輔助眼使用同一段非電毫秒雷管，跳眼2 段。

3.2.9 裝藥量分布及光面爆破參數(shù)

隧道斷面面積為106.26m2，施工的開挖長度為2.8m。炸藥單耗量取值為1.47kg/m3。復(fù)式楔形掏槽槽口尺寸取值為80cm×240cm。周邊眼直徑取值為φ42mm，使用φ32mm 藥卷切半，裝藥不耦合系數(shù)取值為2.1。周邊眼間距取值為45cm，最小抵抗線取值為40～60cm 單孔裝藥量取值為0.45kg。

3.2.10 爆破器材

（1）炸藥

在通常情況下，用于隧道爆破的炸藥，一般選用威力大、安全性高、有毒氣體少的品種。施工中，通常采用巖石硝酸銨炸藥；在遇水段，采用乳化炸藥；在瓦斯段，則采用煤礦硝酸銨炸藥。隧道用的炸藥制成藥卷使用，標(biāo)準(zhǔn)藥卷規(guī)格為外徑φ32mm，裝藥凈重300g，長度240mm。

（2）雷管

配合非電導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)，選擇使用導(dǎo)爆管（又稱非電雷管），有既發(fā)和延期之分，由導(dǎo)爆管傳遞的爆轟波進(jìn)行點(diǎn)火，由延期藥實(shí)現(xiàn)延期。該工程選擇1、3、5、7、9、11 段別雷管，引爆用電雷管。

3.2.11 起爆網(wǎng)絡(luò)

導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)分為串聯(lián)、并聯(lián)、混合等多種連接方式。在隧道爆破中，由于隧道有開挖斷面小、炮眼數(shù)量多、密集等諸多特點(diǎn)，主要采用集群連接方式。

3.2.12 炮眼布置

根據(jù)該隧道圍巖情況及過往經(jīng)驗(yàn)，炮眼布置采用弧形布孔，炮眼布置如圖2所示。

圖2 炮眼布置圖

4 結(jié)語

針對我國在建隧道圍巖復(fù)雜、承載力不均、施工難度大的現(xiàn)狀，本文以某高速公路隧道工程為例，系統(tǒng)分析了工程的施工風(fēng)險(xiǎn)，梳理了爆破施工設(shè)計(jì)過程，論述了爆破施工設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算依據(jù)、過程及其相互關(guān)系，提高了設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確度，保證了施工的進(jìn)度和質(zhì)量，為今后相關(guān)隧道施工爆破設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和借鑒。