隧道掘進(jìn)工程中的鉆爆參數(shù)優(yōu)化方法

吳國(guó)民

（中交四航局第五工程有限公司,福建 福州 350005）

0 引言

隧道爆破專業(yè)性強(qiáng)，科學(xué)控制各項(xiàng)鉆爆參數(shù)能夠在保證鉆爆效果的同時(shí)減小不必要的圍巖松動(dòng)范圍，保證隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為隧道工程其他環(huán)節(jié)的施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。鉆爆參數(shù)的優(yōu)化是隧道鉆爆施工中的重點(diǎn)工作內(nèi)容，需深入探討優(yōu)化策略，依托科學(xué)的鉆爆參數(shù)安全地、有效地實(shí)施鉆爆作業(yè)[2]。

1 工程概況

228 國(guó)道蒼南龍沙至岱嶺段工程主線，全長(zhǎng)約26.8 km，沿線橋隧建設(shè)內(nèi)容包含中小橋746 m/15 座、大橋1 915 m/6座，隧道10 029 m/8 座。開(kāi)挖屬于工程的重點(diǎn)施工內(nèi)容，涉及爆破施工的開(kāi)挖項(xiàng)目包含路塹開(kāi)挖、隧道掘進(jìn)開(kāi)挖、樁板墻樁基開(kāi)挖。一級(jí)公路60 km/h 標(biāo)準(zhǔn)的隧道總基本寬度10.5 m，一級(jí)公路80 km/h 標(biāo)準(zhǔn)的隧道總基本寬度11 m，行車道凈高均為5.0 m。

2 隧道掘進(jìn)工程中鉆爆參數(shù)優(yōu)化的重要性

根據(jù)工程施工計(jì)劃，隧道爆破開(kāi)挖后安排初期支護(hù)和二次襯砌的施工，不同爆破方式對(duì)初噴混凝土和襯砌施工的影響存在差異，為保證爆破后各項(xiàng)工作的有效進(jìn)行，必須科學(xué)爆破。爆破存在明顯超挖現(xiàn)象時(shí)，后期回填混凝土方量增加，材料浪費(fèi)，且伴隨質(zhì)量可控性差、成本攀升等問(wèn)題；若爆破時(shí)欠挖，將侵占襯砌斷面，以風(fēng)鎬處理的方式應(yīng)對(duì)欠挖狀況時(shí)涉及的流程較為繁瑣，不利于工程進(jìn)度的正常推進(jìn)[3]。因此，加強(qiáng)爆破管理具有重要性，需深入優(yōu)化爆破參數(shù)，保證不耦合系數(shù)、布孔數(shù)量、單孔裝藥量、楔形掏槽角度各項(xiàng)爆破參數(shù)均具有合理性，結(jié)合科學(xué)的施工方法，安全且有效地完成隧道爆破作業(yè)，為襯砌施工創(chuàng)造良好的條件。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)隧道的特殊環(huán)境和地質(zhì)條件，爆破參數(shù)的選擇還需充分考慮周圍環(huán)境及材料的因素。為保證初期支護(hù)和二次襯砌的質(zhì)量，施工現(xiàn)場(chǎng)需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行施工。同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行必要的爆破參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，以確保爆破作業(yè)的安全和高效。在爆破作業(yè)中，初期支護(hù)和二次襯砌的施工往往受到爆破效果的直接影響。初期支護(hù)的質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的穩(wěn)定性和安全性，而二次襯砌則是隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。因此，在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，要充分考慮爆破效果對(duì)這些施工環(huán)節(jié)的影響，并采取相應(yīng)的措施加以控制。此外，為了確保工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行，還需要加強(qiáng)與爆破相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)督和管理。在爆破施工過(guò)程中，要定期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查和檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行整改。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)爆破作業(yè)人員的培訓(xùn)和管理，增強(qiáng)其業(yè)務(wù)水平和安全意識(shí)，確保爆破作業(yè)的安全和穩(wěn)定[4-5]。

3 隧道光面爆破的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的及項(xiàng)目

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)旨在確定不同光面爆破工藝參數(shù)的應(yīng)用效果，例如爆破后圍巖松動(dòng)圈的范圍、圍巖的變形程度，結(jié)合安全、質(zhì)量、效率多方面的要求對(duì)比分析各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)可行性評(píng)估后，確定爆破效果最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的光爆工藝參數(shù)。

光面爆破試驗(yàn)檢測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目，如下：

（1）掌子面圍巖的等級(jí)，具體涉及主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞室軸向關(guān)系、巖石回彈強(qiáng)度、地下水及地應(yīng)力狀況等。

（2）周邊眼、輔助眼的眼距。

（3）掌子面圍巖拱頂下沉和松動(dòng)的具體狀況，檢測(cè)時(shí)間安排在隧道爆破出渣后。

3.2 試驗(yàn)儀器的配套

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)適配合適的試驗(yàn)儀器：

（1）周邊眼和輔助眼的間距：用鋼卷尺量測(cè)。

（2）掌子面圍巖地質(zhì)特性：聯(lián)合采用地質(zhì)羅盤(pán)、地質(zhì)錘、鋼卷尺。

（3）巖石回彈強(qiáng)度：用回彈儀測(cè)試。

（4）掌子面圍巖拱頂下沉量：用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。

（5）圍巖松動(dòng)圈：用圍巖松動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)，確定裂隙范圍、圍巖松動(dòng)程度，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行圍巖定性評(píng)價(jià)。圍巖松動(dòng)測(cè)試儀主要根據(jù)超聲波的傳播特性進(jìn)行，若被測(cè)圍巖的裂隙較多，波速偏低（相對(duì)于深部完整無(wú)裂隙的巖體）。經(jīng)過(guò)測(cè)試后確定在孔深方向上聲波縱波速度，基于測(cè)試數(shù)據(jù)生成“時(shí)間—孔深”曲線，結(jié)合圖中信息相對(duì)直觀地確定圍巖裂隙（松動(dòng)）的范圍。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，確定鉆孔特定深度范圍內(nèi)的聲波傳播時(shí)間，基于此項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定縱波波速。方法如下：

式中，v——縱波波速；l——換能器間距，取140 mm；S——測(cè)試時(shí)間（s）。

向待測(cè)部位鉆孔，利用發(fā)射換能器向孔中發(fā)射超聲波并使其發(fā)生傳播，接收換能器收到超聲波時(shí)計(jì)時(shí)電路隨即暫停計(jì)時(shí)，確定聲波的傳播時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定縱波波速。為使收發(fā)兩個(gè)換能器可互換使用，利用開(kāi)槽塑料管連接發(fā)射換能器F 和接收換能器J。測(cè)管按10 cm 的間距依次設(shè)置刻度槽，螺紋連接。根據(jù)耦合聲波傳播的測(cè)試要求，利用臺(tái)車高壓水管向孔中注水，根據(jù)鉆孔規(guī)格適配封孔器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔尾端的封堵處理。

3.3 測(cè)試方法

按照如下流程進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試：

（1）垂直巖壁鉆孔，深度3~3.5 m，清理孔內(nèi)的雜物，使孔保持相對(duì)干凈的狀態(tài)。

（2）連接金屬管，向孔底送入探頭，于孔口位置布置封孔器，確認(rèn)封孔嚴(yán)密后加以固定。

（3）持續(xù)注水直至測(cè)桿尾端有不間斷的流水為止（此時(shí)水達(dá)到注滿的狀態(tài)）。

（4）注水效果達(dá)到要求后，測(cè)試讀數(shù)，向外抽動(dòng)金屬連接管，探頭由于抽動(dòng)作用向外移動(dòng)。抽動(dòng)分多次有序進(jìn)行，單次抽動(dòng)量控制在10 cm，試驗(yàn)檢測(cè)人員及時(shí)采集測(cè)試深度和主機(jī)儀表時(shí)間讀數(shù)，完整記錄數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖裂隙松動(dòng)范圍的判斷，生成圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果。

3.4 鉆爆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

按照前述提及的方法測(cè)試圍巖縱波波速和孔深的數(shù)據(jù)，基于測(cè)試數(shù)據(jù)生成曲線關(guān)系圖。以ZK27+698 斷面為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 ZK27+698 斷面圍巖縱波波速孔深曲線圖

4 隧道掘進(jìn)鉆爆施工參數(shù)的優(yōu)化策略

4.1 參數(shù)優(yōu)化控制指標(biāo)

（1）根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70—2014）的要求，嚴(yán)格控制拱頂下沉量，以免由于此數(shù)值超過(guò)允許極限位移值而面臨圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）根據(jù)工程施工要求嚴(yán)格控制圍巖松動(dòng)圈深度，在保證爆破有效性的同時(shí)縮小松動(dòng)范圍，減少支護(hù)工程量和材料用量。

4.2 遺傳—支持向量回歸耦合算法

建立優(yōu)化參數(shù)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度、圍巖級(jí)別、埋深、拱頂下沉、周邊眼裝藥集中度與爆破松動(dòng)圈深度的非線性映射模型，其中優(yōu)化參數(shù)涉及周邊眼和輔助眼的間距、最小抵抗線。在構(gòu)建模型后，為抗爆參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

4.3 鉆爆參數(shù)控制優(yōu)化

光面爆破效果受多項(xiàng)因素的影響，其中以炮眼間距尤為關(guān)鍵，不同炮眼間距帶來(lái)的光面爆破效果存在差異。炮眼間距過(guò)大，易引起欠挖現(xiàn)象，不利于隧道工程后續(xù)施工活動(dòng)的進(jìn)行；炮眼間距過(guò)小，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)作用過(guò)于強(qiáng)烈，圍巖的穩(wěn)定性遭到威脅，松動(dòng)區(qū)的范圍隨之?dāng)U大，伴隨明顯的圍巖變形。因此，針對(duì)周邊眼和輔助眼兩者的炮眼間距進(jìn)行優(yōu)化極具必要性，具體做如下分析。

4.3.1 控制指標(biāo)及其取值區(qū)間

以隧洞右洞斷面YK25+479 為例，展開(kāi)分析：

巖性為弱風(fēng)化泥巖與砂巖互組；圍巖級(jí)別為4，巖石單軸抗壓強(qiáng)度35.5 MPa。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70—2014）的相關(guān)要求，明確允許洞周圍巖變形量，此處考慮的是拱頂下沉和水平收斂?jī)煞矫?，均?8~60 mm。在確定斷面洞周圍巖變形量的控制區(qū)間后，進(jìn)一步選取合適的值，為保證隧道施工的安全性，要求斷面拱頂下沉量不超過(guò)18 mm。不同種類巖石的斷面爆破參數(shù)的取值，參見(jiàn)表1。

表1 光面爆破參數(shù)

4.3.2 鉆爆參數(shù)的優(yōu)化

經(jīng)過(guò)前述的分析，針對(duì)光面爆破控制指標(biāo)加以優(yōu)化，確保爆破后圍巖拱頂下沉和松動(dòng)圈深度均得到有效控制。指標(biāo)的控制分兩種情況考慮，具體如下：

第1 種情況：

周邊眼裝藥集中度為0.25，裝藥不耦合系數(shù)為1.6，爆破后拱頂下沉15 mm；松動(dòng)圈深度分拱腳和拱腰兩部分考慮，其中左、右拱腳處分別為1.5 mm、1.6 m，左、右拱腰處均為1.3 m。結(jié)合權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析，確定綜合松動(dòng)圈深度為1.4 m，進(jìn)一步考慮表1 給出的數(shù)據(jù)，確定周邊眼的最小抵抗線、間距的優(yōu)化搜索范圍，分別為[60，75]、[45,60]，輔助眼間距的優(yōu)化搜索范圍為[60,90]；匯總經(jīng)過(guò)分析確定的控制指標(biāo)值和斷面勘查信息，輸入至最優(yōu)SVR 模型，搜索后確定最優(yōu)鉆爆參數(shù)，參見(jiàn)表2。

表2 最優(yōu)鉆爆參數(shù)

第2 種情況：

周邊眼裝藥集中度為0.25，裝藥不耦合系數(shù)為1.25，爆破后拱頂下沉10 mm；松動(dòng)圈深度分拱腳和拱腰兩部分考慮，其中左、右拱腳處分別為1.0 m、1.1 m，左、右拱腰處分別為1.1 m、1.0 m。結(jié)合權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析，確定綜合松動(dòng)圈深度為1.05 m，搜索后確定最優(yōu)鉆爆參數(shù)，參見(jiàn)表3。

表3 最優(yōu)鉆爆參數(shù)

對(duì)松動(dòng)圈深度進(jìn)行調(diào)整，其中左、右拱腳處分別為1.3 m、1.4 m，左、右拱腰處分別為1.2 m、1.3 m，綜合松動(dòng)圈深度調(diào)整為1.29 m，除此之外的其他指標(biāo)均不變?；谇笆稣{(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行搜索，確定最優(yōu)鉆爆參數(shù)，參見(jiàn)表4。

表4 最優(yōu)鉆爆參數(shù)

在該工程的YK25+479 斷面施工時(shí)，鉆爆參數(shù)的優(yōu)化基于表2 的poly 核函數(shù)SVR 模型進(jìn)行，施工人員按照優(yōu)化后的參數(shù)規(guī)范操作，進(jìn)行鉆爆施工。松動(dòng)圈深度實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，左、右拱腳處分別為1.5 m、1.55 m，左、右拱腰處分別為1.45 m、1.4 m，穩(wěn)定后拱頂下沉量14.63 mm。通過(guò)與隧道施工技術(shù)要求作對(duì)比分析可知，按照經(jīng)過(guò)調(diào)整后的鉆爆參數(shù)進(jìn)行施工后取得良好的鉆爆效果，爆破量達(dá)到要求，全程安全可靠，采取的鉆爆參數(shù)具有可行性，鉆爆參數(shù)的優(yōu)化方法科學(xué)合理。

4.3.3 鉆爆參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果分析

結(jié)合表2 進(jìn)行鉆爆參數(shù)優(yōu)化后的效果分析，發(fā)現(xiàn)poly 核函數(shù)SVR 模型具有可行性，原因在于此模型能夠高精度地搜索到最優(yōu)炮眼布置參數(shù)，從而提升鉆爆參數(shù)的可行性，若嚴(yán)格按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行施工，將取得良好的施工效果。在第2 種控制指標(biāo)條件下，該模型依然具備搜索最優(yōu)炮眼布置參數(shù)的能力，可行性較高，而反觀RBF 核函數(shù)SVR 模型則能夠得知其存在明顯的誤差。經(jīng)過(guò)對(duì)控制指標(biāo)的優(yōu)化后，能夠在一定程度上提升RBF 核函數(shù)SVR 模型的可行性，但相比于poly 核函數(shù)SVR 模型而言應(yīng)用效果仍欠佳，缺乏足夠的可行性。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果不難得知，poly 核函數(shù)SVR 模型屬于最佳的模型，可將其用于鉆爆施工參數(shù)的優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隧道在公路工程建設(shè)中占據(jù)較大的比重，隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，隧道的建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，在安全的前提下進(jìn)行高質(zhì)量的建設(shè)勢(shì)在必行。鉆爆法是隧道工程中應(yīng)用較為廣泛的掘進(jìn)方法，鉆爆安全性和鉆爆質(zhì)量受到炮眼布置方式、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量等多項(xiàng)因素的影響，施工單位需要結(jié)合工程條件做好試驗(yàn)與分析，根據(jù)安全、質(zhì)量、效率多方面要求優(yōu)化鉆爆參數(shù)，提升鉆爆方案的可行性。經(jīng)過(guò)該文關(guān)于隧道工程實(shí)例的分析，探討了鉆爆參數(shù)優(yōu)化方法，評(píng)價(jià)鉆爆參數(shù)優(yōu)化后的應(yīng)用效果。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的鉆爆參數(shù)科學(xué)可行，對(duì)隧道掘進(jìn)施工有推動(dòng)作用。