深埋隧道Ⅲ級(jí)圍巖全斷面光面爆破施工技術(shù)研究

王 凱 李登輝 陳 賓

（中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

1 工程概況

該項(xiàng)目位于甘孜藏族自治州九龍縣，為公路改建工程，其中包括6 座隧道。最大凈空7m×5m（寬×高），最大長(zhǎng)度為1480m。隧道洞身段圍巖級(jí)別以Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖為主，圍巖結(jié)構(gòu)較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)Ⅲ、Ⅳ圍巖勘察情況現(xiàn)場(chǎng)施工采用光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)。

2 光面爆破施工

2.1 光面爆破理論原理

光面爆破的理論研究從20世紀(jì)就已開(kāi)展，目前普遍認(rèn)為其作用機(jī)理為爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用引起圍巖破碎，從而達(dá)到所需斷面的效果[1]。其斷面的產(chǎn)生可分為3個(gè)階段：爆炸應(yīng)力波通過(guò)炮孔作用于巖石上以起爆點(diǎn)為圓心向周邊擴(kuò)散形成粉碎區(qū)，然后通過(guò)應(yīng)力波通過(guò)折射與反射形成壓縮波使圍巖沿徑向產(chǎn)生裂隙從而發(fā)生破壞，最后爆生氣體在應(yīng)力疊加及高溫高壓的環(huán)境下使裂紋貫穿炮孔從而形成完整斷面。

2.2 施工工藝流程

圍巖條件為Ⅲ級(jí)圍巖的隧道采用全斷面光面爆破施工工藝，根據(jù)設(shè)計(jì)的炮孔參數(shù)進(jìn)行放樣，布置炮眼，之后在炮眼內(nèi)布置炸藥并通過(guò)毫秒電雷管進(jìn)行連接和分段引爆，首先引爆的是掏槽區(qū)的炮孔，其次是崩落區(qū)的炮孔，最后為周邊眼的炮孔。通過(guò)引爆各個(gè)炮孔最終形成完整的隧道斷面，從而向前推進(jìn)。

3 光面爆破施工技術(shù)控制要點(diǎn)

3.1 炮眼布置方案

在隧道工程的設(shè)計(jì)圖紙中并未給出炮孔的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此在實(shí)際施工中大多是憑經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單的計(jì)算得出炮眼的布置方案。但這種方案在實(shí)際施工中的爆破效果并不理想，體現(xiàn)在炮眼保留率過(guò)低和圍巖超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重等不利影響。因此科學(xué)合理的炮眼布置方案能有效減少或規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)。

光面爆破中的炮眼按其作用和影響可分為掏槽眼、崩落眼和周邊眼三種。其中周邊眼是布置在隧道輪廓周邊的炮眼，其炮眼參數(shù)是爆破后隧道輪廓是否平整的關(guān)鍵因素，也深度影響爆破效果。因此該文將對(duì)周邊眼的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]和資料，周邊孔的計(jì)算參數(shù)主要由徑向不耦合系數(shù)D、周邊孔間距E、最小抵抗線W與裝藥集中度ql這4 個(gè)部分組成。

徑向不耦合系數(shù)D計(jì)算如公式（1）所示。

周邊孔間距E計(jì)算如公式（2）所示。

式中：dk、dl分別為炮孔直徑和藥卷直徑，cm；[σc]為隧道圍巖的抗壓強(qiáng)度，Pa；α為表征爆生氣體性質(zhì)的常數(shù)；r為爆生氣體的絕熱指數(shù)；P0為爆生氣體的初始?jí)毫?，Pa；kp為巖石抗破壞屈服系數(shù)。

最小抵抗線W采用豪柔公式進(jìn)行計(jì)算，如公式（3）所示。

式中：ql為線裝藥密度；q為炸藥單耗。

在設(shè)計(jì)中E與W應(yīng)綜合考慮，記E與W的比值為m，為周邊孔的密集系數(shù)，對(duì)密集系數(shù)的取值，m過(guò)大會(huì)導(dǎo)致圍巖欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，而m過(guò)小會(huì)導(dǎo)致圍巖超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，大量隧道施工經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng)m在0.8～1 時(shí)，形成的斷面效果最好。

單位長(zhǎng)度炮孔內(nèi)的炸藥量即裝藥集中度，如公式（4）所示。

式中：kl為裝藥軸向不耦合系數(shù)；dc為炮孔半徑，m；ρo為炸藥密度，g/m3。

通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙及地勘資料，并結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇2 號(hào)巖石乳化炸藥，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 乳化炸藥主要性能參數(shù)

聯(lián)立公式（1）～公式（4），得到Ⅲ級(jí)圍巖光面爆破周邊孔的設(shè)計(jì)參數(shù)，基于篇幅原因崩落孔及掏槽孔的計(jì)算不詳細(xì)列出，最終Ⅲ級(jí)圍巖光面爆破的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

具體炮孔布置示意如圖1所示。

圖1 炮孔布置平面圖（單位：mm）

圖1 中單位均為mm，炮孔編號(hào)的具體意義見(jiàn)表2。合理設(shè)計(jì)炮孔參數(shù)后應(yīng)在施工中結(jié)合圍巖實(shí)際地質(zhì)條件通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到更好的光面爆破效果。

在打孔階段，周邊孔的開(kāi)孔位置應(yīng)避開(kāi)圍巖節(jié)理裂隙復(fù)雜交叉處[4]，可在周邊孔連線上稍作平移，控制孔間距≤50cm，若周邊孔的部分位置進(jìn)行調(diào)整，后續(xù)炮孔位置也因按要求依次調(diào)整。

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方式

周邊孔N1 與N2 以空氣作為隔斷采用不耦合間隔裝藥，其余炮孔均采用不耦合連續(xù)裝藥。周邊孔孔口應(yīng)使用炮泥進(jìn)行堵塞，長(zhǎng)度應(yīng)≥20cm，掏槽孔炮泥應(yīng)填滿無(wú)炸藥區(qū)域，崩落孔炮泥堵塞長(zhǎng)度應(yīng)＞抵抗線W 的80%。炮泥應(yīng)有一定的黏性與強(qiáng)度，可采用細(xì)砂與黃土按2 ∶1 的比例混合制成。因?yàn)榕诳拙捎貌获詈涎b藥，所以采用竹片綁扎并用導(dǎo)爆索連接炸藥。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

導(dǎo)爆索采用“T”形連接形式，起爆方式為非電毫秒延時(shí)雷管聯(lián)網(wǎng)分段起爆，按預(yù)定的順序逐排微差起爆。

3.3 鉆孔精度控制

鉆孔精度也是光面爆破成型效果的主要影響因素，精度不夠會(huì)造成嚴(yán)重的超欠挖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增加施工成本。在選擇鉆孔設(shè)備的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，該項(xiàng)目選擇自制臺(tái)車與YT-28 型手風(fēng)鉆孔。要控制鉆孔精度，須對(duì)周邊眼的鉆孔進(jìn)行精確控制，就單個(gè)周邊眼炮孔的精度而言，其超欠挖高度h由炮孔位置e，孔深l與外插角θ有關(guān)，而超欠挖高度h的控制是斷面輪廓是否平整的關(guān)鍵因素。具體計(jì)算如公式（5）所示。

由公式（5）可知，h與e、L、θ呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)實(shí)際工程而言，考慮安全因素一次開(kāi)挖的距離是有限制的，炮孔深度一般是固定的，因此可以從精確炮孔位置e，減少外插角θ的偏差2 個(gè)方面入手。

從測(cè)量放樣、開(kāi)眼、鉆眼幾個(gè)方面控制炮孔位置。在測(cè)量放樣方面測(cè)量人員應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)注炮孔的位置，標(biāo)記應(yīng)醒目顯眼，誤差控制在±5cm 內(nèi)。標(biāo)記位置后，鉆孔人員應(yīng)由經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行鉆孔作業(yè)，掏槽孔與周邊孔的開(kāi)眼精度控制在±5cm 內(nèi)，同時(shí)由于掌子面圍巖存在凹凸不平的現(xiàn)象，鉆孔作業(yè)人員應(yīng)及時(shí)調(diào)整炮眼位置與深度，盡量保證炮眼底部能處于同一垂直平面內(nèi)。

減少外插角θ的偏差可從輔助設(shè)備的選取與施工工藝上進(jìn)行控制。該項(xiàng)目周邊眼外插角θ應(yīng)控制在2°～3°，對(duì)掏槽孔來(lái)說(shuō)，第一排N6 角度為49.7°，第二排N7 角度為58.4°，第三排N8 角度為65.7°，在打孔過(guò)程中常常出現(xiàn)手風(fēng)鉆劇烈抖動(dòng)的情況，對(duì)控制角度有一定的不利影響，因此在手風(fēng)鉆的輔助固定設(shè)備上因選用固定性強(qiáng)的設(shè)備，在施工工藝上周邊眼可引入長(zhǎng)、短眼爆破技術(shù)[5]，通過(guò)合理布置長(zhǎng)短眼眼位充當(dāng)周邊眼的作用，該技術(shù)可避免因開(kāi)挖臺(tái)車因作業(yè)空間狹小造成成孔不規(guī)范進(jìn)而引起超挖嚴(yán)重的現(xiàn)象。

4 光面爆破應(yīng)用與效果分析

4.1 裝藥堵塞

安裝炸藥前，應(yīng)用風(fēng)槍吹凈鉆孔產(chǎn)生的粉塵，并用炮棍對(duì)孔內(nèi)雜質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)查，按用藥要求將炸藥分組對(duì)應(yīng)后，周邊孔按計(jì)算出的每孔用藥量與間距進(jìn)行不耦合裝藥，其余孔連續(xù)裝藥，雷管段應(yīng)“對(duì)號(hào)入座”。對(duì)炮孔位于巖面凹凸不平整處，其炮孔的裝藥量應(yīng)隨孔深長(zhǎng)短進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。在炸藥裝填過(guò)程中應(yīng)按相關(guān)要求和規(guī)范進(jìn)行操作，以免對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷。

制作炮泥不應(yīng)采用易燃材料，對(duì)周邊孔炮泥堵塞長(zhǎng)度應(yīng)≥20cm，對(duì)連續(xù)裝藥的掏槽孔應(yīng)堵塞至炸藥端部，其余孔堵塞長(zhǎng)度應(yīng)不小于抵抗線的80%，并且不小于40cm，在堵塞過(guò)程中要妥善保護(hù)網(wǎng)路。

4.2 聯(lián)網(wǎng)起爆

聯(lián)網(wǎng)時(shí)應(yīng)注意單個(gè)擊發(fā)雷管與塑料導(dǎo)爆管的連接根數(shù)應(yīng)≤24 根，并且在連接的節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)控制綁扎位置與塑料導(dǎo)爆管端頭的距離＞15cm。不應(yīng)拉緊網(wǎng)絡(luò)連接的自由下垂，炮孔內(nèi)的雷管需對(duì)應(yīng)防止錯(cuò)段，用于起爆網(wǎng)絡(luò)連接的中間連接雷管須選相同段且為小段位的雷管，不應(yīng)使用高段雷管影響爆破效果。

連接起爆網(wǎng)絡(luò)后，在起爆前應(yīng)將洞內(nèi)人員疏散至安全區(qū)域，并應(yīng)有兩人以上的爆破員成立爆破檢查組，保障爆破安全，當(dāng)起爆網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜或規(guī)模較大時(shí)應(yīng)有專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)實(shí)施，確保爆破效果。

4.3 通風(fēng)除渣

隧道爆破后應(yīng)采取有效的防塵措施，如通風(fēng)、噴淋等，完成后應(yīng)由專人對(duì)隧道內(nèi)的有害氣體與爆炸產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行濃度檢測(cè)，并與規(guī)范要求做對(duì)比。隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)根據(jù)隧道斷面大小與作業(yè)人員進(jìn)行確定，風(fēng)速控制在6m/s 以內(nèi)，人均空氣量應(yīng)大于等于3m3/min。

達(dá)到空氣質(zhì)量要求后，應(yīng)進(jìn)行裝渣出渣作業(yè)，在作業(yè)前須檢查圍巖是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)圍巖松動(dòng)甚至有塌方的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行處理再進(jìn)行出渣，出渣過(guò)程如果發(fā)現(xiàn)盲炮應(yīng)及時(shí)上報(bào)，讓專業(yè)爆破人員進(jìn)行處理，處理后重新引爆炸藥達(dá)到預(yù)計(jì)的開(kāi)挖輪廓線。

裝渣過(guò)程分為人工與機(jī)械裝渣。人工裝渣時(shí)應(yīng)先將車輛停穩(wěn)后制動(dòng)并通過(guò)漏斗進(jìn)行裝渣作業(yè)，漏斗應(yīng)設(shè)置安全防護(hù)裝置并保證裝渣作業(yè)人員之間能順暢聯(lián)絡(luò)，接渣時(shí)漏斗口下方應(yīng)禁止人員通行。機(jī)械裝渣時(shí)應(yīng)為裝渣機(jī)與挖掘機(jī)留有足夠的操作平臺(tái)，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境嘈雜與視野盲區(qū)應(yīng)在作業(yè)半徑內(nèi)禁止人員通行，機(jī)械裝渣時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)，不能進(jìn)行破壞。

4.4 效果分析

該工程通過(guò)理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的方式完成了爆破施工參數(shù)的設(shè)計(jì)，再通過(guò)對(duì)鉆孔精度的控制，在楊家坪1#號(hào)隧道中應(yīng)用光面爆破效果后，其光爆效果如圖3所示。

圖3 光面爆破炮眼痕跡保留率

由圖3 可知，隧道作業(yè)合理使用光面爆破后，炮眼殘痕率清晰，斷面輪廓平整，超欠挖得到有效控制，通過(guò)對(duì)隧道5 次爆破循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并與相關(guān)規(guī)范條文[6]進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 光面爆破質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比

由表3 結(jié)果可知，5 類檢測(cè)項(xiàng)目均滿足規(guī)范要求。通過(guò)應(yīng)用光面爆破技術(shù)，爆破效果良好，超欠挖得到有效控制，局部欠挖率不足6%，工程的施工成本相應(yīng)減少，提高了工程進(jìn)度。

5 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)光面爆破各關(guān)鍵部分進(jìn)行研究，在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）結(jié)合理論及經(jīng)驗(yàn)得出的光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證合理。2）鉆孔精度由多方面因素決定，在實(shí)際施工中應(yīng)著重從控制炮孔位置，減少外插角度偏差入手。3）通過(guò)數(shù)據(jù)分析，光面爆破施工取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并縮短了施工工期。