復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道爆破工藝優(yōu)化

肖武寧XIAO Wu-ning；李學(xué)鋒LI Xue-feng；楊一豪YANG Yi-hao；黃緒興HUANG Xu-xing；段善達(dá)DUAN Shan-da

（廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

在當(dāng)今社會，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，隧道工程在交通、水利、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，復(fù)雜地質(zhì)條件如斷層、軟巖、涌水等，常常對隧道爆破施工形成巨大挑戰(zhàn)。因此，如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下優(yōu)化隧道爆破工藝，提高施工效率，確保工程安全，成為當(dāng)前研究的熱點問題[1-5]。本文以東風(fēng)路隧道爆破施工為例，探討復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道爆破工藝的優(yōu)化策略，為同類項目提供借鑒與參考。

東風(fēng)路隧道項目地質(zhì)復(fù)雜多變，施工難度大。傳統(tǒng)的爆破工藝往往難以適應(yīng)這種多變的地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致施工進(jìn)度受阻，甚至引發(fā)安全事故[6]。因此，本文旨在通過分析東風(fēng)路隧道的地質(zhì)特點，爆破理論與實地實踐經(jīng)驗相結(jié)合。對爆破工藝提出針對性優(yōu)化方案。以期在確保工程安全的前提下，提高施工效率，降低工程成本，為類似工程提供有益的參考。

1 工程概況及爆破工藝

1.1 工程概況

東風(fēng)路（建設(shè)路-銀嶺路）項目位于南寧市五象新區(qū)，設(shè)計起點位于與現(xiàn)狀建設(shè)路交叉口邊緣，東風(fēng)路隧道穿越五象嶺公園，起點位于建設(shè)路一側(cè)，終點位于東風(fēng)南路一側(cè)，起止樁號為K0+344～K0+924，全長580m，為雙洞小凈距隧道，凈距11.5m，隧道凈空為13.5×5m。隧道內(nèi)設(shè)置1處人行通道。隧道由進(jìn)口向出口方向為上坡、最大坡率3.38%。起點洞口位置左側(cè)略有起伏，右側(cè)地勢平坦。隧道出口地形相對陡峭。最大埋深78m。隧道一覽表及東風(fēng)路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如表1 和圖1。

圖1 東風(fēng)路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面

表1 隧道一覽表

1.2 原有爆破工藝

東風(fēng)路隧道工程位于五象嶺公園內(nèi)，面臨著復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，如斷層、軟巖、涌水等，這使得隧道爆破施工成為一個技術(shù)性和挑戰(zhàn)性并存的任務(wù)。原爆破工藝主要采用了淺孔爆破法，該方法在一般地質(zhì)條件下具有較好的效果，但在東風(fēng)路隧道的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，其局限性顯得尤為突出。首先，淺孔爆破法對于軟巖和斷層等軟弱地層的適應(yīng)性較差，容易導(dǎo)致超挖和欠挖現(xiàn)象，對隧道施工質(zhì)量和進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。其次，原爆破工藝中的炮孔直徑、孔距和裝藥量等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計主要依賴于經(jīng)驗公式和現(xiàn)場試驗，缺乏針對性和精確性。

2 隧道爆破工藝優(yōu)化

2.1 隧道爆破施工要求

在東風(fēng)路隧道爆破施工中，采用2 號巖石乳化炸藥和數(shù)碼電子雷管起爆系統(tǒng)，對數(shù)碼電子雷管采用并聯(lián)方式進(jìn)行組網(wǎng)，雷管通過快速線夾與通訊母線進(jìn)行快速連接，使用終端控制器進(jìn)行起爆。這不僅確保了施工的高效率，也大大增強了施工的安全性。為了確保爆破效果達(dá)到最佳，并減少對周圍巖體的擾動，爆破參數(shù)，我們做了精心的選擇。

2.1.1 爆破參數(shù)的選擇

選擇爆破與爆破效果和施工安全直接相關(guān)。經(jīng)過對東風(fēng)路隧道地質(zhì)條件的詳細(xì)分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和多年的施工經(jīng)驗，制定了爆破參數(shù)表如表2。

表2 爆破參數(shù)表

在東風(fēng)路隧道爆破施工中，根據(jù)巖石的種類和硬度，選擇了合適的炮眼間距（E）和最小抵抗線（W），以確保炸藥能量能夠充分釋放并達(dá)到預(yù)期的爆破效果。同時，還通過調(diào)整裝藥集中度（q），實現(xiàn)了炸藥能量的均勻分布，避免了能量的浪費和對周圍巖體的過度擾動。

2.1.2 裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞方式

①周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)：對周邊眼，則采取連裝結(jié)構(gòu)。確保炸藥在炮孔內(nèi)均勻分布。這種裝藥方式有助于提高爆破的均勻性和效果，減少超挖和欠挖現(xiàn)象。

②掏槽眼裝藥結(jié)構(gòu)：掏槽眼是爆破施工中的關(guān)鍵部分，采取分段裝藥結(jié)構(gòu)，提高了炸藥利用率，提高了爆破作用。通過合理控制各段炸藥的裝藥量和引爆時間，實現(xiàn)了對巖石的有效破碎和拋出。

③其他眼裝藥結(jié)構(gòu)：對于其他炮眼，根據(jù)巖石的發(fā)育的節(jié)理，選擇了適宜的裝藥結(jié)構(gòu)及投放量。同時，還采用了適當(dāng)?shù)亩氯绞胶投氯牧?，確保炸藥在炮孔內(nèi)的穩(wěn)定性，防止炸藥在爆破過程中的泄露和早爆現(xiàn)象。

2.2 隧道爆破參數(shù)設(shè)計

在東風(fēng)路隧道這種復(fù)雜地質(zhì)條件下的爆破施工中，合理設(shè)計爆破參數(shù)是至關(guān)重要的。爆破參數(shù)設(shè)計不僅影響爆破效果，還直接關(guān)系到施工的安全性和效率[8]。因此，根據(jù)東風(fēng)路隧道的地質(zhì)特性、施工要求以及炸藥性能等因素，進(jìn)行了細(xì)致的爆破參數(shù)設(shè)計。

2.2.1 周邊眼的設(shè)計

周邊眼的設(shè)計是隧道爆破中至關(guān)重要的一環(huán)。其參數(shù)的選擇直接影響到隧道的成形質(zhì)量和安全。

裝藥不耦合系數(shù)B 是指炮孔直徑與炸藥直徑之比。在東風(fēng)路隧道爆破施工中，根據(jù)巖石的硬度和節(jié)理發(fā)育情況，選擇了適當(dāng)?shù)难b藥不耦合系數(shù)B=1.5。已知炮孔直徑為32mm，則炸藥的直徑D 可以通過以下公式計算：

D=炮孔直徑/B

D=32mm/1.5≈21.3mm

因此，選用了直徑為21.3mm 的炸藥進(jìn)行裝藥。

周邊眼間距E 和最小抵抗線W 的選擇對于控制爆破效果至關(guān)重要。經(jīng)過計算和分析，確定了E=45cm 和W=60cm。這一選擇既保證了炸藥能量的充分利用，又避免了對周圍巖體的過度擾動。

周邊眼的裝藥量直接影響爆破效果和隧道的成形質(zhì)量。根據(jù)東風(fēng)路隧道的地質(zhì)條件和炸藥性能，計算了周邊眼的裝藥量。具體計算過程如下：

裝藥量=炮孔體積×裝藥集中度

裝藥量=（π×（炮孔直徑/2）^2×炮孔深度）×裝藥集中度

裝藥量=（π×（32mm/2）^2×炮孔深度）×0.1kg/m3

炮孔深度為2m，則：

裝藥量=（π×16^2×2）×0.1≈1.6kg

因此，每個周邊眼的裝藥量約為1.6kg。

周邊眼的數(shù)量應(yīng)根據(jù)隧道的斷面形狀和尺寸進(jìn)行確定。在東風(fēng)路隧道爆破施工中，根據(jù)隧道的實際尺寸和形狀，計算了周邊眼的數(shù)量。具體計算過程如下：

周邊眼數(shù)量=隧道周長/周邊眼間距周邊眼數(shù)量=π×隧道直徑/E

隧道直徑為6m，則：

周邊眼數(shù)量=π×6/45≈4.2

考慮到實際施工的方便和效果，選擇了5 個周邊眼進(jìn)行布置。

2.2.2 其他炮眼

①計算總裝藥量。

總裝藥量是根據(jù)隧道的斷面面積、巖石性質(zhì)、炸藥性能等因素綜合確定的。在東風(fēng)路隧道爆破施工中，計算了總裝藥量以確保隧道開挖的順利進(jìn)行。具體計算過程如下：

總裝藥量=隧道斷面面積×單位面積裝藥量

總裝藥量=（π×（隧道直徑/2）^2）×單位面積裝藥量

單位面積裝藥量為0.2kg/m2，則：

總裝藥量=（π×3^2）×0.2≈5.7kg

②計算除周邊眼外其他炮眼的平均裝藥量。具體計算過程如下：

平均裝藥量=總裝藥量/（其他炮眼數(shù)量）

其他炮眼數(shù)量為10 個，則：

平均裝藥量=5.7kg/10≈0.57kg/眼

因此，除周邊眼外其他炮眼的平均裝藥量約為0.57kg/眼。

2.2.3 上臺階掏槽眼的設(shè)計

掏槽眼設(shè)置在距離上臺階核心土的上、左、右方各10cm 處，以確保能夠有效破碎核心土并為后續(xù)爆破作業(yè)創(chuàng)造有利條件。掏槽眼的數(shù)量和裝藥量應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，開挖順序及爆破開挖炮孔布置圖示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 單側(cè)壁法爆破開挖順序示意圖

圖3 單側(cè)壁法爆破開挖炮孔布置圖

2.3 爆破施工工法的優(yōu)化

在進(jìn)行東風(fēng)路隧道的爆破施工時，選擇合適的施工工法至關(guān)重要。不同的工法不僅影響施工效率，更直接關(guān)系到爆破振動的控制效果和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不同的施工工法對降低爆破振速具有顯著作用[7]。為了更具體地分析不同工法下的爆破效果，結(jié)合表3 和表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入探討。

表3 不同工法下關(guān)鍵質(zhì)點振速表（cm/s）

表4 不同工法下關(guān)鍵質(zhì)點振速表（cm/s）

表3 展示了不同工法下關(guān)鍵質(zhì)點的振速。從數(shù)據(jù)中可以明顯看出，全斷面法的振速普遍高于臺階法和單側(cè)壁導(dǎo)洞法。具體來說，全斷面法下關(guān)鍵點1 的振速為4.8934 cm/s，而臺階法下該點的振速僅為1.7564cm/s，單側(cè)壁導(dǎo)洞法則進(jìn)一步降低至1.1234cm/s。這種趨勢在其他關(guān)鍵點也同樣明顯。這表明，通過采用臺階法和單側(cè)壁導(dǎo)洞法，可以有效地降低爆破產(chǎn)生的振速，從而減少對周圍巖體的影響。

表4 則展示了不同工法下關(guān)鍵質(zhì)點的位移情況。與振速數(shù)據(jù)類似，全斷面法下的合位移也是最大的，臺階法次之，單側(cè)壁導(dǎo)洞法最小。例如，全斷面法下關(guān)鍵點1 的合位移為0.4567mm，而單側(cè)壁導(dǎo)洞法下該點的合位移僅為0.1645mm，位移量減少了近三分之二。這說明，通過選擇更為精細(xì)的爆破工法，可以顯著減少隧道圍巖的位移，從而提高隧道的穩(wěn)定性。

綜上所述，通過對不同工法下爆破振速和質(zhì)點位移的深入分析，在東風(fēng)路隧道的爆破施工中，單側(cè)壁導(dǎo)洞法是最優(yōu)選擇，在降低爆破振速和減少圍巖位移方面，單側(cè)壁導(dǎo)洞法均表現(xiàn)出最佳效果。在實際施工中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、施工要求和安全標(biāo)準(zhǔn)等因素，綜合考慮選擇最合適的工法，以確保隧道施工的高效性和安全性。

2.4 爆破效果

在東風(fēng)路隧道爆破施工中，通過合理設(shè)計裝藥參數(shù)、炮眼布置和施工工法以及掏槽眼策略，實現(xiàn)了對巖石的高效破碎和隧道的精確成形。爆破后，隧道輪廓清晰，巖石破碎均勻，未出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象，證明優(yōu)化后的爆破工藝有效提升了施工質(zhì)量和效率。爆破效果如圖4 所示。

圖4 爆破效果圖

3 結(jié)語

通過對東風(fēng)路隧道在復(fù)雜地質(zhì)條件下的爆破施工進(jìn)行深入研究，我們成功優(yōu)化了爆破工藝，顯著提高了施工效率和質(zhì)量。裝藥不耦合系數(shù)、炮眼間距、裝藥量等關(guān)鍵參數(shù)的合理設(shè)計，確保了炸藥能量的有效利用和對周圍巖體的最小擾動。此外，上臺階掏槽眼和中下臺階炮眼的設(shè)計也充分考慮了地質(zhì)特性和施工要求，進(jìn)一步增強了爆破效果。這一研究成果不僅為東風(fēng)路隧道的順利施工提供了有力支持，也為復(fù)雜地質(zhì)條件下同類工程的爆破建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。