翔安某項目超大跨度隧道三臺階+上臺階CD爆破施工技術

收稿日期：2024-01-05

作者簡介：郝慶高（1986—），本科，工程師，研究方向：工程施工技術。

摘要 超大跨度隧道斷面尺寸大，掌子面開挖時結構穩(wěn)定性差，對爆破技術要求較高。為使超大跨度隧道爆破施工更加規(guī)范和安全，文章將以“翔安機場高速公路巷東隧道”為工程背景，對Ⅲ級圍巖段大跨度隧道的三臺階+上臺階CD工法爆破作業(yè)進行研究。采取連續(xù)裝藥、間隔裝藥結構及不耦合裝藥三種裝藥結構，建立三臺階+上臺階CD工法典型斷面的平面應變模型并對數(shù)值模型進行簡化，分析左上、右上臺階先后多次爆破對圍巖振動速度和損傷的影響規(guī)律。

關鍵詞 巷東隧道；超大斷面；三臺階+上臺階CD；施工技術

中圖分類號 U455文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0132-03

0 引言

以超大跨度隧道三臺階+上臺階CD爆破施工為背景，提出相應的爆破施工思路、方案及解決辦法，最終得到合理的裝藥結構、炮眼間距及最終效果，可以為施工人員開展大跨度隧道三臺階+上臺階爆破施工提供相應的指導幫助。

1 工程概況

巷東隧道左洞Z2K5+980～963段，原設計為Ⅴ級淺埋段，設計推薦工法為雙側壁工法。建模驗算可行后，現(xiàn)將開挖工法變更為三臺階+上臺階CD法。地層巖性主要由粉質黏土、碎塊狀強風化巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖組成，該區(qū)段隧道圍巖級別屬Ⅲ級。大跨度扁平隧道的爆破掘進施工具有受力復雜、施工難度大、施工風險大等特點。因此，該爆破工程采用微震爆破和光面爆破等控制技術。

2 爆破設計及效果分析

2.1 施工方案

三臺階+上臺階CD施工順序如圖1所示：①上臺階左導坑超前支護。②上臺階左導坑開挖，上臺階左導坑初期支護及臨時支護（每次開挖循環(huán)進尺均控制在60 cm）。③中臺階左導坑開挖，中臺階左導坑初期支護（每次開挖循環(huán)進尺均控制在60 cm，上下臺階掌子面間距小于18 m）。④上臺階右導坑開挖，上臺階右導坑初期支護。⑤中臺階右導坑開挖，中臺階右導坑初期支護。⑥下臺階左導坑開挖，下臺階左導坑初期支護。⑦下臺階右導坑開挖，下臺階右導坑初期支護。⑧拆除臨時支護[1-2]。

隧道開挖采用鉆爆法，以新奧法理論指導施工，光面爆破，炸藥選用2號巖石硝銨炸藥和乳化炸藥（用于涌水地段），其規(guī)格為Φ25×200 mm（用于周邊眼），Φ32×200 mm兩種[3]。

圖1 巷東隧道Ⅲ級圍巖

三臺階+上臺階CD法支護設計圖（cm）

2.2 爆破模型

采用Plaxis2D建立四孔爆破模型，對爆破動力參數(shù)和周邊孔間距進行研究。假定隧道圍巖為單一均質連續(xù)Ⅲ級圍巖，采用理想彈塑性本構模型摩爾-庫倫模型，可記錄爆破過程中圍巖超過破壞壓應力和拉應力的狀態(tài)。具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)地勘報告抗壓強度85.55 MPa，假定圍巖黏聚力47.75 MPa，取抗拉強度的10%為抗拉強度。

通過模擬分析，周邊孔間距600 mm為最優(yōu)間距方案。

2.3 爆破設計

2.3.1 孔網參數(shù)的選擇

炮孔直徑取D=38～42 mm，設計進尺1 m，具體根據(jù)試爆和實際情況進行調整?？着啪嗳绫?所示。炮孔數(shù)目公式：

N=3.3（ fS2）1/3 （1）

則每一掘進循環(huán)炮孔數(shù)目：

N=3.3×（16×251.382）1/3=331（個）

考慮光面爆破和多鉆孔、少裝藥的施工方法，每一掘進循環(huán)炮孔數(shù)適當增加，具體數(shù)字根據(jù)試爆和現(xiàn)場情況確定。設計選用中心掏槽、周邊輔助的方式進行爆破施工，分6個區(qū)域交叉掘進爆破施工，炮孔深度L=1.2 m。掏槽區(qū)域選用二級復式楔形掏槽孔。掏槽孔設計圖，炮孔布置如圖2所示。

表2 孔排距參數(shù)設計表

炮孔 孔排距

掏槽孔 排距b/cm 30～40 cm

孔距a/cm 80～90 cm

擴槽孔 孔距a/cm 70～80 cm

輔助孔 排距b/cm 70～80 cm

孔距a/cm 80～90 cm

周邊孔 孔距a/cm 50～60 cm

底板孔 孔距a/cm 70～80 cm

圖2 三臺階+上臺階CD法分部開挖法炮孔布置示意圖

2.3.2 裝藥量設計

根據(jù)掘進斷面方式分為6個區(qū)，其中上左和上右區(qū)域獨立掏槽掘進，剩余4個區(qū)中下臺階爆破不設掏槽區(qū)，平均炸藥單耗取q=0.8～1.2 kg/m3。

隧道掘進每循環(huán)進尺所需用總藥量計算公式為：

Q=q·S·L·η （2）

隧道爆破裝藥量需根據(jù)不同部位炮孔所起的不同作用進行合理分配，其各部位的裝藥量如表3所示。該處設計值僅作為爆破參考值，施工中需結合試爆和實際情況適當調整各炮孔單孔裝藥量和總裝藥量。

表3 爆破炮眼分布及藥量分配表

部位 雷管

段別 炮孔

名稱 炮孔數(shù)/

個 炮孔

長度/m 裝藥

系數(shù) 單孔

藥量/kg 單段

藥量/kg

上左 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 擴槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 輔助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

8 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

9 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

10 輔助孔 4 1.2 0.4 0.48 1.92

11 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

12 輔助孔 7 1.2 0.4 0.48 3.36

13 輔助孔 2 1.2 0.4 0.48 0.96

14 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

15 周邊孔 22 1.2 0.3 0.36 7.92

16 底板孔 14 1.2 0.6 0.72 10.08

小計 — 115 — — — 60.18

上右 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 擴槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 輔助孔 3 1.2 0.4 0.48 1.44

8 輔助孔 12 1.2 0.4 0.48 5.76

9 輔助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

10 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

11 輔助孔 13 1.2 0.4 0.48 6.24

12 輔助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

13 輔助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

14 周邊孔 26 1.2 0.3 0.36 9.36

13 底板孔 15 1.2 0.6 0.72 10.8

小計 — 127 — — — 65.7

注：①以上爆破參數(shù)須根據(jù)試爆和現(xiàn)場實際情況進行調整，以達到最佳爆破效果。②若單段藥量大于安全振速允許的最大單響藥量，可增加雷管段位，降低最大單響藥量。③爆破過程中需根據(jù)監(jiān)測的爆破振動數(shù)據(jù)調整施工方案，振動速度過大，需采取措施減振。

2.4 圍巖爆破影響

2.4.1 模擬分析

建立三臺階+上臺階CD工法典型斷面的平面應變模型并對數(shù)值模型進行簡化，分析左上、右上臺階先后多次爆破對圍巖的振動速度和損傷的影響規(guī)律。假定隧道圍巖為單一均質連續(xù)Ⅲ級圍巖，采用理想彈塑性本構模型摩爾-庫倫模型，可記錄爆破過程中圍巖超過破壞壓應力和拉應力的狀態(tài)。

爆破設計起爆順序依次分為掏槽孔、擴槽孔、輔助孔、周邊孔；數(shù)值模型中依照起爆順序進行動力荷載的激活。根據(jù)爆破振動波頻率特點和前期爆破施工經驗，淺孔爆破時各段延期時間隔為10～50 ms，數(shù)值模型中取10 ms，具體各段爆破過程幾何模型。

爆破動力荷載引起圍巖壓力和拉力的大幅增大，圍巖在壓力作用下發(fā)生局部破壞，輔助眼引起的破壞區(qū)厚度約為0.4 m，周邊眼藥量較小，厚度約為0.15 m，控制藥量可以顯著控制超挖范圍。拉應力引起的圍巖松動，上臺階拱部松動圈范圍約為隧道洞壁外4 m內；上臺階底部松動圈范圍約為下方4.5 m內。

2.4.2 監(jiān)測結果

（1）沉降和收斂。為了取得三臺階+上臺階CD爆破施工影響情況，分別在隧道間隔5 m/斷面，每個斷面拱頂、兩側拱腰、下臺階及中隔墻處共布置8個點。

施工周期內，采集拱頂沉降量、凈空收斂數(shù)據(jù)，分析得到沉降速率和收斂情況，如圖3～4所示。

數(shù)據(jù)表明，施工周期內拱頂沉降量、沉降速率、凈空收斂監(jiān)測累計變化值和變化速率均在控制范圍內，無明顯異常，采用三臺階+上臺階CD爆破開挖代替雙側壁導坑法開挖對圍巖穩(wěn)定基本上無影響，方案可行。

（2）爆破振動和圍巖應力。為了分析松動圈邊緣受爆破荷載影響規(guī)律，設置拱部外側距離隧道邊界4 m位置左、右兩個測點。

爆破振動影響呈現(xiàn)類圓形傳播。在2.5 ms時，沖擊波到距離洞壁6.44 m的圍巖處，振動速度極值大部分處于14～25 m/s范圍之間。右上臺階圍巖受到已開挖的左上臺階的臨空條件影響，振動速度極值顯著小于左上臺階。

爆破動力荷載引起圍巖壓力和拉力的大幅增大，圍巖在壓力作用下發(fā)生局部破壞，輔助眼引起的破壞區(qū)厚度約為0.4 m，周邊眼藥量較小，厚度約為0.15 m，可見控制藥量可以顯著控制超挖范圍。拉應力引起的圍巖松動，上臺階拱部松動圈約為隧道洞壁外4 m范圍內。

拱部松動圈邊緣監(jiān)測點第一主應力19.7 MPa遠小于圍巖抗壓強度，處于安全范圍；第三主應力接近抗拉強度8.55 MPa，因此，洞壁外4 m范圍易于松動，可判定為松動圈，應進行錨桿加固。

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)，實際采用三臺階+上臺階CD爆破開挖所測得數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本相符。

3 結語

該設計采取連續(xù)裝藥、間隔裝藥結構及不耦合裝藥三種裝藥結構，淺孔大于3.5 m可采用間隔裝藥結構，上下裝藥比例為1∶3，間隔段用黃土或鉆粉堵塞密實；光面爆破采用不耦合裝藥結構。

三維模型左上臺階爆破時，在隧道橫斷面方向上獲得破壞區(qū)、松動區(qū)與斷面模型基本一致；在隧道前、后方向上，均未形成明顯受壓破壞區(qū)；左上臺階掌子面前方2 m范圍為松動區(qū)，右上臺階受到左上臺階爆破作用下，前方1 m范圍也出現(xiàn)部分區(qū)域拉伸塑性點。應注意合理設計左、右臺階步距，建議不小于5 m。

周邊孔間距600 mm為最優(yōu)間距方案。因為，間距500 mm和間距600 mm爆破作用下，均可以達到爆破要求（豎向破壞區(qū)貫通），水平破壞區(qū)范圍均為215 mm。間距700 mm無法達到破壞要求，通過增加藥量才可以達到破壞要求，但水平破壞區(qū)范圍增加到351 mm，容易造成超挖。

參考文獻

[1]藍志杰. 軍馬場隧道富水段圍巖穩(wěn)定性分析及處置措施研究[D]. 昆明：昆明理工大學， 2019.

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[3]施有志， 柴建峰， 阮建湊， 等. 特大跨度隧道分部開挖爆破對既有隧道結構的影響[J]. 中山大學學報（自然科學版）， 2018（5）： 72-80.