隧道掘進工程中的鉆爆參數(shù)優(yōu)化方法

吳國民

（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，科學控制各項鉆爆參數(shù)能夠在保證鉆爆效果的同時減小不必要的圍巖松動范圍，保證隧道圍巖及支護結構的穩(wěn)定性，為隧道工程其他環(huán)節(jié)的施工打下堅實的基礎[1]。鉆爆參數(shù)的優(yōu)化是隧道鉆爆施工中的重點工作內容，需深入探討優(yōu)化策略，依托科學的鉆爆參數(shù)安全地、有效地實施鉆爆作業(yè)[2]。

1 工程概況

228 國道蒼南龍沙至岱嶺段工程主線，全長約26.8 km，沿線橋隧建設內容包含中小橋746 m/15 座、大橋1 915 m/6座，隧道10 029 m/8 座。開挖屬于工程的重點施工內容，涉及爆破施工的開挖項目包含路塹開挖、隧道掘進開挖、樁板墻樁基開挖。一級公路60 km/h 標準的隧道總基本寬度10.5 m，一級公路80 km/h 標準的隧道總基本寬度11 m，行車道凈高均為5.0 m。

2 隧道掘進工程中鉆爆參數(shù)優(yōu)化的重要性

根據(jù)工程施工計劃，隧道爆破開挖后安排初期支護和二次襯砌的施工，不同爆破方式對初噴混凝土和襯砌施工的影響存在差異，為保證爆破后各項工作的有效進行，必須科學爆破。爆破存在明顯超挖現(xiàn)象時，后期回填混凝土方量增加，材料浪費，且伴隨質量可控性差、成本攀升等問題；若爆破時欠挖，將侵占襯砌斷面，以風鎬處理的方式應對欠挖狀況時涉及的流程較為繁瑣，不利于工程進度的正常推進[3]。因此，加強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、楔形掏槽角度各項爆破參數(shù)均具有合理性，結合科學的施工方法，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。

在項目實施過程中，針對隧道的特殊環(huán)境和地質條件，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。為保證初期支護和二次襯砌的質量，施工現(xiàn)場需嚴格按照相關標準和要求進行施工。同時，根據(jù)項目需求進行必要的爆破參數(shù)調整和優(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。初期支護的質量直接關系到隧道的穩(wěn)定性和安全性，而二次襯砌則是隧道結構的關鍵組成部分。因此，在進行爆破作業(yè)時，要充分考慮爆破效果對這些施工環(huán)節(jié)的影響，并采取相應的措施加以控制。此外，為了確保工程項目的順利進行，還需要加強與爆破相關的質量監(jiān)督和管理。在爆破施工過程中，要定期對現(xiàn)場進行巡查和檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時進行整改。同時，加強對爆破作業(yè)人員的培訓和管理，增強其業(yè)務水平和安全意識，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)場試驗

3.1 現(xiàn)場試驗的目的及項目

現(xiàn)場試驗旨在確定不同光面爆破工藝參數(shù)的應用效果，例如爆破后圍巖松動圈的范圍、圍巖的變形程度，結合安全、質量、效率多方面的要求對比分析各項參數(shù)，經可行性評估后，確定爆破效果最佳時對應的光爆工藝參數(shù)。

光面爆破試驗檢測的關鍵項目，如下：

（1）掌子面圍巖的等級，具體涉及主要結構面產狀與洞室軸向關系、巖石回彈強度、地下水及地應力狀況等。

（2）周邊眼、輔助眼的眼距。

（3）掌子面圍巖拱頂下沉和松動的具體狀況，檢測時間安排在隧道爆破出渣后。

3.2 試驗儀器的配套

根據(jù)試驗目標適配合適的試驗儀器：

（1）周邊眼和輔助眼的間距：用鋼卷尺量測。

（2）掌子面圍巖地質特性：聯(lián)合采用地質羅盤、地質錘、鋼卷尺。

（3）巖石回彈強度：用回彈儀測試。

（4）掌子面圍巖拱頂下沉量：用精密水準儀測量。

（5）圍巖松動圈：用圍巖松動測試儀檢測，確定裂隙范圍、圍巖松動程度，并根據(jù)測量結果進行圍巖定性評價。圍巖松動測試儀主要根據(jù)超聲波的傳播特性進行，若被測圍巖的裂隙較多，波速偏低（相對于深部完整無裂隙的巖體）。經過測試后確定在孔深方向上聲波縱波速度，基于測試數(shù)據(jù)生成“時間—孔深”曲線，結合圖中信息相對直觀地確定圍巖裂隙（松動）的范圍。

經過測試，確定鉆孔特定深度范圍內的聲波傳播時間，基于此項數(shù)據(jù)進行計算，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——測試時間（s）。

向待測部位鉆孔，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計時電路隨即暫停計時，確定聲波的傳播時間，進而根據(jù)此數(shù)據(jù)進行計算，確定縱波波速。為使收發(fā)兩個換能器可互換使用，利用開槽塑料管連接發(fā)射換能器F 和接收換能器J。測管按10 cm 的間距依次設置刻度槽，螺紋連接。根據(jù)耦合聲波傳播的測試要求，利用臺車高壓水管向孔中注水，根據(jù)鉆孔規(guī)格適配封孔器，實現(xiàn)對鉆孔尾端的封堵處理。

3.3 測試方法

按照如下流程進行圍巖松動圈測試：

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

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

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

（4）注水效果達到要求后，測試讀數(shù)，向外抽動金屬連接管，探頭由于抽動作用向外移動。抽動分多次有序進行，單次抽動量控制在10 cm，試驗檢測人員及時采集測試深度和主機儀表時間讀數(shù)，完整記錄數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行圍巖裂隙松動范圍的判斷，生成圍巖松動圈測試結果。

3.4 鉆爆現(xiàn)場試驗結果

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

（1）根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD70—2014）的要求，嚴格控制拱頂下沉量，以免由于此數(shù)值超過允許極限位移值而面臨圍巖失穩(wěn)的風險。

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

4.2 遺傳—支持向量回歸耦合算法

建立優(yōu)化參數(shù)、巖石單軸抗壓強度、圍巖級別、埋深、拱頂下沉、周邊眼裝藥集中度與爆破松動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因素的影響，其中以炮眼間距尤為關鍵，不同炮眼間距帶來的光面爆破效果存在差異。炮眼間距過大，易引起欠挖現(xiàn)象，不利于隧道工程后續(xù)施工活動的進行；炮眼間距過小，爆破產生的振動作用過于強烈，圍巖的穩(wěn)定性遭到威脅，松動區(qū)的范圍隨之擴大，伴隨明顯的圍巖變形。因此，針對周邊眼和輔助眼兩者的炮眼間距進行優(yōu)化極具必要性，具體做如下分析。

4.3.1 控制指標及其取值區(qū)間

以隧洞右洞斷面YK25+479 為例，展開分析：

巖性為弱風化泥巖與砂巖互組；圍巖級別為4，巖石單軸抗壓強度35.5 MPa。根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD70—2014）的相關要求，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兩方面，均為18~60 mm。在確定斷面洞周圍巖變形量的控制區(qū)間后，進一步選取合適的值，為保證隧道施工的安全性，要求斷面拱頂下沉量不超過18 mm。不同種類巖石的斷面爆破參數(shù)的取值，參見表1。

表1 光面爆破參數(shù)

4.3.2 鉆爆參數(shù)的優(yōu)化

經過前述的分析，針對光面爆破控制指標加以優(yōu)化，確保爆破后圍巖拱頂下沉和松動圈深度均得到有效控制。指標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。結合權重系數(shù)進行分析，確定綜合松動圈深度為1.4 m，進一步考慮表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]；匯總經過分析確定的控制指標值和斷面勘查信息，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。結合權重系數(shù)進行分析，確定綜合松動圈深度為1.05 m，搜索后確定最優(yōu)鉆爆參數(shù)，參見表3。

表3 最優(yōu)鉆爆參數(shù)

對松動圈深度進行調整，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，綜合松動圈深度調整為1.29 m，除此之外的其他指標均不變?；谇笆稣{整后的參數(shù)進行搜索，確定最優(yōu)鉆爆參數(shù)，參見表4。

表4 最優(yōu)鉆爆參數(shù)

在該工程的YK25+479 斷面施工時，鉆爆參數(shù)的優(yōu)化基于表2 的poly 核函數(shù)SVR 模型進行，施工人員按照優(yōu)化后的參數(shù)規(guī)范操作，進行鉆爆施工。松動圈深度實測結果顯示，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。通過與隧道施工技術要求作對比分析可知，按照經過調整后的鉆爆參數(shù)進行施工后取得良好的鉆爆效果，爆破量達到要求，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)化方法科學合理。

4.3.3 鉆爆參數(shù)優(yōu)化后的結果分析

結合表2 進行鉆爆參數(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，若嚴格按照優(yōu)化后的參數(shù)進行施工，將取得良好的施工效果。在第2 種控制指標條件下，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。經過對控制指標的優(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 模型而言應用效果仍欠佳，缺乏足夠的可行性。根據(jù)對比分析結果不難得知，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 結語

綜上所述，隧道在公路工程建設中占據(jù)較大的比重，隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，隧道的建設規(guī)模逐步擴大，在安全的前提下進行高質量的建設勢在必行。鉆爆法是隧道工程中應用較為廣泛的掘進方法，鉆爆安全性和鉆爆質量受到炮眼布置方式、裝藥結構、裝藥量等多項因素的影響，施工單位需要結合工程條件做好試驗與分析，根據(jù)安全、質量、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。經過該文關于隧道工程實例的分析，探討了鉆爆參數(shù)優(yōu)化方法，評價鉆爆參數(shù)優(yōu)化后的應用效果。實踐表明，優(yōu)化后的鉆爆參數(shù)科學可行，對隧道掘進施工有推動作用。