光面爆破開挖施工技術(shù)在石質(zhì)圍巖隧道的應(yīng)用研究

李鰲LI Ao

（四川川交路橋有限責(zé)任公司，廣漢 618300）

0 引言

現(xiàn)代社會道路建設(shè)中，常見石質(zhì)圍巖隧道施工需求，此類隧道一般需要在山體內(nèi)施工，難度較大、復(fù)雜性也較高，施工經(jīng)濟(jì)成本、時間成本值得關(guān)注，客觀催生了各類爆破技術(shù)，包括光面爆破技術(shù)在內(nèi)。光面爆破（Smooth blasting）是一種爆破技術(shù)，能夠服務(wù)隧道開挖等工程作業(yè)，也稱光面爆破開挖技術(shù)。該技術(shù)是指通過正確選擇爆破參數(shù)和合理的施工方法，分區(qū)分段微差爆破，達(dá)到爆破后輪廓線符合設(shè)計(jì)要求，臨空面平整規(guī)則的一種控制爆破技術(shù)。其主要特點(diǎn)在于在設(shè)計(jì)開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與最小抵抗線相匹配的光爆孔，并采用不耦合裝藥或其他特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，在開挖主體爆破后，光爆孔內(nèi)的裝藥同時起爆，形成一個貫穿光爆炮孔且光滑平整的開挖面[1]。與常規(guī)爆破方式相似，光面爆破也關(guān)注對炸藥的使用，從原理上看，光面爆破主要強(qiáng)調(diào)控制炸藥的爆破效果，使爆炸后產(chǎn)生的作用力得到有效引導(dǎo)、控制初始沖量，減少對炮眼眼壁巖體的破壞，使其在隧道巖體的作用力沿固定方向方向，形成平整規(guī)范的開挖面。只要參數(shù)控制得當(dāng)，就可以形成基于此原理的光滑作業(yè)面[2]。因此，光面爆破開挖需要合理進(jìn)行計(jì)算，科學(xué)選擇炸藥、裝藥結(jié)構(gòu)以及各類爆破參數(shù)，以形成更有利于后續(xù)施工的光滑作業(yè)面。根據(jù)現(xiàn)有資料可以發(fā)現(xiàn)，光面爆破開挖施工技術(shù)在石質(zhì)圍巖隧道的應(yīng)用已經(jīng)得到關(guān)注，但當(dāng)參數(shù)選用不當(dāng)時，難以發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，甚至帶有反復(fù)作業(yè)的風(fēng)險，有必要就其技術(shù)要點(diǎn)、操作措施、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容進(jìn)行分析，以進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，推動石質(zhì)圍巖隧道施工等活動有序開展。

1 光面爆破開挖技術(shù)要點(diǎn)

光面爆破開挖技術(shù)要點(diǎn)集中于六個方面，即不耦合系數(shù)、光面眼間距、最小抵抗線、炮孔鄰近系數(shù)、線裝藥密度、起爆間隔時間。

按照一般研究，不耦合系數(shù)一般取值范圍在1.5～2.5之間，部分工程情況特殊，可適當(dāng)增加其取值范圍，但大多不高于3.0、不低于1.1。不耦合系數(shù)的作用在于控制炮孔壓力，使其高于動抗拉強(qiáng)度、低于巖壁動抗壓強(qiáng)度[3]。光面眼間距的參數(shù)一般根據(jù)炮眼直徑確定，以炮眼直徑的10～20 倍為宜，如果隧道圍巖的整體性良好可適當(dāng)增大，反之則適當(dāng)縮小。最小抵抗線是光面層厚度到鄰近輔助眼間的距離，不小于光面眼間距，作為光面眼起爆時默認(rèn)的最小系數(shù)，應(yīng)在起爆前隨其他參數(shù)共同分析確定。

炮孔鄰近系數(shù)應(yīng)根據(jù)光面炮孔間距、最小抵抗線的取值情況確定，一般以二者的比值為基準(zhǔn)。該系數(shù)影響巖體爆炸后的質(zhì)量，以控制欠挖、超挖為目標(biāo)，需要合理確定其取值范圍，一般在0.8～1.0 之間。強(qiáng)度較大、整體性較高的圍巖應(yīng)擴(kuò)大取值，反之則減小[4]。線裝藥密度即每一個炮眼中的裝藥量，通常根據(jù)巖體強(qiáng)度確定。其多見參數(shù)如表1。

表1 光面爆破線裝藥密度多見參數(shù) 單位：g/m

起爆間隔時間也即時間差，通常需要根據(jù)工程特點(diǎn)具體確定，在條件較理想的情況下，應(yīng)控制起爆間隔時間在100ms 以下。通常齊發(fā)起爆的裂隙表面最平整，如果爆破面的情況比較特殊、存在受力面參差不齊等情況，也應(yīng)設(shè)定一定的起爆間隔，原則上以微差進(jìn)行起爆控制即可，延遲較高、時間差較大，可能導(dǎo)致爆破面裂隙、凹凸不平等問題。除上述因素外，影響石質(zhì)圍巖隧道中光面爆破開挖的應(yīng)用效果的因素還包括鉆孔精度、技術(shù)應(yīng)用規(guī)范性、圍巖含水量等，但這些參數(shù)的影響不局限于光面爆破，對其他爆破作業(yè)也帶有一定影響[5]。

2 石質(zhì)圍巖隧道中光面爆破開挖的操作措施

光面爆破開挖的操作措施比較固定，其標(biāo)準(zhǔn)流程一般如圖1 所示。

圖1 光面爆破開挖的操作措施

按照圖1 所示流程，在組織光面爆破前，需要做數(shù)據(jù)信息收集，包括巖體信息、周邊信息等，完成信息采集后可通過建模等方式，分析隧道所在區(qū)域巖體的強(qiáng)度情況，據(jù)此組織光面爆破設(shè)計(jì)。

在此過程中，需要關(guān)注爆破參數(shù)的合理控制，也應(yīng)適當(dāng)以現(xiàn)代化工藝手段提供施工支持。包括合理布置周邊眼、選擇裝藥參數(shù)、精心實(shí)施鉆爆作業(yè)等。光面眼間距的設(shè)置方面，要求根據(jù)前期分析結(jié)果，確定光面眼間距、最小抵抗線，原則上光面眼間距應(yīng)在40～70cm 之間，其數(shù)值大小與圍巖強(qiáng)度為正相關(guān)，后者強(qiáng)度越高，光面眼間距的取值越大。最小抵抗線不小于光面眼間距，二者比值可以作為周邊炮眼密集系數(shù)，其取值范圍上文已經(jīng)進(jìn)行分析。裝藥參數(shù)根據(jù)圍巖強(qiáng)度確定在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮合理進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)選擇，一般采用小直徑藥卷、低密度、低爆速炸藥，以空氣柱裝藥、不耦合裝藥的形式為主，必要時也可以選取導(dǎo)爆索連接、分段方式完成裝藥。

實(shí)施爆破時，應(yīng)保證炮眼應(yīng)相互平行，與隧道預(yù)期工作面形成垂直面，炮眼偏斜角度也應(yīng)加以控制，原則上不應(yīng)大于5°，內(nèi)圈眼與周邊眼應(yīng)采用相同的斜率鉆眼。為保證爆破效果，應(yīng)控制不用炮眼起爆時間，使其能夠在同一時間內(nèi)完成爆破。對于復(fù)雜作業(yè)面，可以使用間隔為25ms的毫秒延期電雷管，或采用分次爆破的方式完成施工。

3 光面爆破開挖案例分析

3.1 工程概況

河北省重點(diǎn)工程張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程位于張家口市涿鹿縣河?xùn)|鎮(zhèn)，主線左洞全長6531m，主線右洞全長6421m，斜井位左線左側(cè)，離出口洞口1353m，斜井全長721m，綜合縱坡-11.8%，雙車道，內(nèi)輪廓凈寬9.3m，凈高6.9m，單心圓半徑4.65m，輔助施工主攻北京方向，隧道區(qū)巖性以花崗閃長巖為主，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)-塊狀結(jié)構(gòu)，洞口段為IV 級圍巖，洞身以III-IV 級圍巖為主，圍巖整體性較差，變化頻繁，涌水量達(dá)到正常隧道的近3 倍之多，由于斜井縱坡大，施工機(jī)械、作業(yè)臺車及工人實(shí)際施工工藝工法不能完全按照普通隧道考慮，擬通過光面爆破開挖施工技術(shù)提供支持。與此同時，為保證爆破工作質(zhì)量，施工單位組織了有效的爆破前分析，決定對常見問題進(jìn)行研究以求規(guī)避，獲取了較理想的工作回報(bào)。

3.2 爆破工作過程

施工方人員分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致光面爆破質(zhì)量不佳的因素比較多樣，為保證爆破質(zhì)量。建立了虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑攸c(diǎn)分析爆破參數(shù)。包括炮眼間距、炮眼數(shù)目、最小抵抗線以及裝藥量四個方面。炮眼間距計(jì)算公式為：

式（1）中，d 代表炮眼間距，M 代表儀器道數(shù)，△X 為道間距。技術(shù)人員設(shè)定了四個工作參數(shù)，代入早期工程資料進(jìn)行模擬，在其他參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)定炮眼間距為40cm（1 號參數(shù)）、50cm（2 號參數(shù)）、60cm（3 號參數(shù)）、70cm（4 號參數(shù)），利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

表2 炮眼間距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定炮眼間距應(yīng)控制在50cm 左右，以此參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定炮眼間距的理想值為49.2cm，無超、欠挖問題。炮眼數(shù)目計(jì)算公式為：

式（2）中，炮眼數(shù)目為N，L、A、B 分別代表工作面炮眼長度、炮眼爆轟破壞經(jīng)驗(yàn)因數(shù)、為巖石的強(qiáng)度修正值。其中炮眼爆轟破壞經(jīng)驗(yàn)因數(shù)、為巖石的強(qiáng)度修正值均以前期工作結(jié)果為依據(jù)獲取。按照此公式，工作人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，分別設(shè)定了4 套工作方案，炮眼數(shù)目分別確定為25 個（5 號參數(shù)）、35 個（6 號參數(shù)）、45 個（7 號參數(shù)）、55 個（8號參數(shù)）。在其他參數(shù)不變的情況下，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3 所示。

表3 炮眼數(shù)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定炮眼數(shù)目應(yīng)控制在35 個左右，以此參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定炮眼數(shù)目的理想值為37 個，無超、欠挖問題。炮眼布置見圖2。

圖2 炮眼布置圖

最小抵抗線的計(jì)算公式為：

式（3）中，W 代表最小抵抗線，C、a、Lb分別代表爆破系數(shù)、孔距以及炮孔的深度。按照此公式，工作人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，分別設(shè)定了4 套工作方案，主要調(diào)整炮孔的深度、確定最小抵抗線的合理值。分別設(shè)定炮孔的深度為0.5m（9 號參數(shù)）、0.6m（10 號參數(shù)）、0.7m（11 號參數(shù)）、0.8m（12 號參數(shù)）。在其他參數(shù)不變的情況下，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。

表4 最小抵抗線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定炮孔深度應(yīng)控制在0.8m 左右，以此參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定炮孔深度的理想值為0.81m，最小抵抗線取值0.86，無超、欠挖問題。裝藥量的計(jì)算公式為：

式（4）中，q 代表每個炮眼中的用藥量，A、K、m、k1、W分別代表炮眼堵塞系數(shù)（默認(rèn)1.0）、K 為巖石硬度介質(zhì)系數(shù)、m 炮孔密度系數(shù)、為k1為炮孔密度影響的固定參數(shù)、W為最小抵抗線。除A 外，其他系數(shù)均根據(jù)工程調(diào)查結(jié)果確定。按照此公式，工作人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，分別設(shè)定了4套工作方案，主要調(diào)整裝藥量。分別設(shè)定裝藥量為70g/m（13 號參數(shù)）、100g/m（14 號參數(shù)）、130g/m（15 號參數(shù)）、160g/m（16 號參數(shù)）。在其他參數(shù)不變的情況下，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5 所示。

表5 裝藥量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定裝藥量應(yīng)控制在100g/m 左右，以此參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定炮孔深度的理想值為112g/m，無超、欠挖問題。裝藥設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 光面爆破裝藥設(shè)計(jì)

上述工作完成后，對張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程中的光面爆破工作成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果上看，在其他工作參數(shù)不變的情況下，確定炮眼間距49.2cm、炮眼數(shù)目37 個、炮孔深度0.81m、最小抵抗線0.86、裝藥量112g/m，可完成高質(zhì)量的光面爆破。

4 結(jié)束語

綜上所述，光面爆破開挖施工技術(shù)在石質(zhì)圍巖隧道的應(yīng)用比較多見，其特點(diǎn)和優(yōu)勢比較突出，未來工作中也應(yīng)給予更多重視。從一般流程上看，光面爆破開挖技術(shù)關(guān)注前期信息采集以及具體技術(shù)參數(shù)確定，結(jié)合張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程，可知該技術(shù)的應(yīng)用較傳統(tǒng)爆破方法更具優(yōu)勢，可以控制超挖欠挖問題，減少了對圍巖的破壞，圍巖穩(wěn)定性較好，能夠服務(wù)支護(hù)和后續(xù)施工。未來可以根據(jù)施工區(qū)域特點(diǎn)，在作業(yè)面小、不能常規(guī)爆破的情況下，利用光面爆破開挖技術(shù)作為替代，服務(wù)石質(zhì)圍巖隧道施工作業(yè)。