軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制技術(shù)

摘要 軟巖隧道圍巖爆破施工難度大，穿越軟巖時需嚴(yán)格控制輪廓線，預(yù)防超欠挖。軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制技術(shù)是基于爆破工藝，優(yōu)化爆破設(shè)計，對比分析不同參數(shù)下隧道裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，篩選出最佳數(shù)值，保障圍巖爆破輪廓的控制效果。文章結(jié)合軟巖隧道爆破技術(shù)，模擬分析爆破輪廓控制方案的可行性，以明確軟巖隧道爆破的施工要點，減少軟巖隧道變形、超欠挖等問題，保障軟巖隧道的建設(shè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 軟巖隧道；圍巖；爆破；輪廓控制

中圖分類號 U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0100-03

0 引言

軟巖隧道結(jié)構(gòu)特性相對特殊，應(yīng)用爆破輪廓控制技術(shù)可有效降低超欠挖風(fēng)險、減少圍巖爆破損傷，控制結(jié)構(gòu)變形，確保爆破質(zhì)量。因此，需加強軟巖隧道圍巖爆破控制，科學(xué)選用爆破工藝，調(diào)整爆破施工參數(shù)，使軟巖隧道圍巖斷面輪廓整齊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，回填量、超挖數(shù)據(jù)符合要求。

1 項目概況

某隧道項目，全長6.12 km，起止樁號為KA100+750～KA106+760，隧道最大埋深500 m，洞口設(shè)計高程為1 360 m，出口設(shè)計高程為1 578 m。隧道地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由砂巖夾礫層、砂巖夾泥層、變質(zhì)砂巖夾板層、粗角礫土組成，屬軟巖結(jié)構(gòu)。粗角礫土中密，粒徑30～55 mm占比約55%，2～15 mm為13%，成分為砂巖、板巖。進(jìn)口處為砂質(zhì)黃土，濕陷性特征明顯，土質(zhì)中密。隧道建區(qū)含斷裂、褶皺結(jié)構(gòu)，需穿越6條斷裂結(jié)構(gòu)。斷裂帶巖體松散、破碎，破碎帶寬度為70～120 m，穿越長度為60～120 m。

在重力、應(yīng)力、水壓力、工程擾動下，巖體塑性變形為軟巖。爆破輪廓控制可減小軟巖塑性變形量，保障工程結(jié)構(gòu)、地下物的穩(wěn)定性。軟巖塑性變形包括連續(xù)性、粘彈性、彈塑性等引起的變形，力學(xué)特性復(fù)雜，單軸抗壓強度0.5～25 MPa[1]。隧道開挖爆破時，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破輪廓面，預(yù)防拱頂?shù)魤K、離層，保證爆破輪廓面平整，各超欠挖值均符合要求，如表1所示：

2 軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制參數(shù)

2.1 爆破炮孔參數(shù)

基于光面爆破工藝、隧道軟巖特征及超欠挖控制要求，模擬爆破炮孔參數(shù)，檢驗該參數(shù)的影響效果。①以隧道項目實況為核心，建立3 m×2.5 m×5 m尺寸模型，布設(shè)6個炮孔，孔徑43 mm；上下各布置3個，上排為周邊眼，下排為緩沖眼，孔長0.3 m。②調(diào)整緩沖眼裝藥量，約為輔助眼的35%、50%、75%、100%，讀取工況參數(shù)。③炸藥藥卷的直徑為32 mm，符合巖體結(jié)構(gòu)需求。

然后模擬爆破工況，觀察爆破截面有無位移、變形問題，模擬分析的各爆破炮孔參數(shù)如表2所示。并結(jié)合隧道圍巖物理學(xué)參數(shù)，篩選最佳炸藥材料設(shè)計方案。項目隧道圍巖密度為2 330 kg/m3，彈性模量38 GPa，泊松比0.26，屈服強度30 MPa，切線模量1.1 GPa，失效應(yīng)變0.5。以隧道圍巖輪廓控制為核心，分析爆轟產(chǎn)物膨脹的做功功率，設(shè)計炸藥材料參數(shù)。

2.2 緩沖眼

2.2.1 裂紋擴(kuò)展

觀測緩沖眼效果，記錄隧道圍巖損傷范圍。緩沖眼的裝藥量設(shè)計為輔助眼裝藥量的40%～100%，爆破模擬結(jié)果如下：

（1）裝藥量40%。裂紋擴(kuò)展間距40 cm，位置：周邊眼下，排距500 mm，圍巖輪廓的最小抵抗線大。表示圍巖擾動小，裝藥起爆后的下端圍巖無明顯脫落，但存在隧道圍巖欠挖風(fēng)險。

（2）緩裝藥量60%。裂隙間距15 cm，位置：周邊眼下，最小抵抗線適中。

（3）裝藥量80%。裂隙發(fā)育至周邊眼下5 cm，下端10 cm區(qū)域裂隙完全發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)脫落，外輪廓抵抗線小，需大幅度減小周邊眼的裝藥量，充分利用爆炸氣體擠壓能力，促使下端圍巖脫落[2]。

（4）裝藥量為100%，起爆輔助眼，裂紋擴(kuò)展范圍較大，超出周邊眼裝藥區(qū)域、圍巖輪廓控制線。起爆前，部分圍巖有擾動裂隙；起爆后，隧道圍巖超挖風(fēng)險大。為預(yù)防超挖、欠挖，緩沖眼裝藥量應(yīng)控制為輔助眼的60%～80%。

2.2.2 緩沖眼控制效果

檢驗緩沖眼對軟巖隧道圍巖爆破輪廓線的影響，爆破參數(shù)取值見表3。如表3所示，設(shè)置緩沖眼可保障光面的爆破效果，滿足圍巖爆破輪廓線要求。

（1）未設(shè)置緩沖眼（裝藥量100%）時，超挖深度50 cm，施工成本較大，施工進(jìn)度緩慢，且爆破后半眼率僅為28.9%，隧道掌子面、巖面不平整。

（2）爆破時布設(shè)緩沖眼，圍巖輪廓線控制效率高，爆破效果良好，周邊眼最小抵抗線與緩沖眼裝藥量呈反比關(guān)系。裝藥量為輔助眼的80%時，緩沖眼裝藥量大，存在圍巖超挖現(xiàn)象。裝藥量下降20%后，為輔助眼的60%時，超挖深度為10 cm，圍巖超挖量變小，圍巖輪廓平整、順滑，起伏度小于5 cm，半眼率高。裝藥量為40%，裝藥量小，最小抵抗線大，存在欠挖情況。

因此，設(shè)置緩沖眼時，可實施60%裝藥方案，以預(yù)防超挖、欠挖問題。經(jīng)實踐，該方案可減少噴射混凝土方量，爆破后軟巖無大塊體結(jié)構(gòu)，出渣時間短；超挖量可降低38%～750%，半眼率則提高38%～146%，有助于圍巖爆破的輪廓控制。

3 軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制技術(shù)方案

結(jié)合緩沖眼設(shè)置、緩沖眼裝藥量、炮孔設(shè)置參數(shù)對軟巖隧道圍巖爆破的影響，項目在保障隧道爆破安全前提下，優(yōu)化爆破施工參數(shù)，分別從炮眼布置、鉆眼精度、炮孔間距、裝藥參數(shù)等方面，完善軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制的技術(shù)方案，確保隧道爆破質(zhì)量，提升軟巖隧道爆破施工的穩(wěn)定性。

3.1 鉆眼精度

控制鉆眼精度主要參數(shù)為鉆眼深度、外插角和開口位置。軟巖隧道圍巖爆破超欠挖的計算公式為：

H（超欠挖高度）=e+L tan（θ） （1）

式中，L——開口位置；θ——外插角；e——開口位置。若L、θ值增大，則超欠挖高度增大。

隧道圍巖掌子面結(jié)構(gòu)凹凸不平，外插角控制難度大，需調(diào)整鉆孔角度，準(zhǔn)確定位，可從施工測量、圍巖周邊眼位置等方面，提升鉆眼精度。①測量放線，考核上一循環(huán)斷面爆破數(shù)據(jù)，調(diào)整放線參數(shù)，控制周邊眼放線精度[3]；規(guī)范放線測量操作，準(zhǔn)確計算鉆孔位置、插入角度，控制外插角度，最后進(jìn)行驗孔。②分析圍巖，調(diào)整周邊眼、循環(huán)斷面的外拱架間距，移動周邊眼，預(yù)防超欠挖。

3.2 炮孔間距

①隧道拱頂區(qū)域。圍巖振動大，巖體結(jié)構(gòu)脫落、掉塊嚴(yán)重，超挖風(fēng)險大，需減少拱頂裝藥量，增加炮孔間距，限制爆炸波。②隧道拱肩位置，炮孔平行圍巖節(jié)理，內(nèi)移周邊眼，預(yù)防振動波反射超挖。③隧道邊墻，勘察有無“傾斜節(jié)理”。邊墻傾斜節(jié)理可縮小爆炸波，弱化圍巖破壞作用；為預(yù)防欠挖，可減小炮孔間距，相鄰炮孔可設(shè)置為空孔。

3.3 裝藥參數(shù)

裝藥量是爆破的直接影響因素，關(guān)系軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)的敏感性?？刂蒲b藥參數(shù)，可控制爆破振動峰值振速，保障爆破安全，減少超欠挖，如表4所示：

（1）裝藥量。裝藥量計算公式為：

Q=qa·W·L （2）

式中，L——爆破眼鉆孔深度（m）；W——最小抵抗線；q——炸藥消耗量（kg/m3）；a——周邊眼距離（m）。

（2）裝藥結(jié)構(gòu)。項目采用35 mm藥卷間隔的裝藥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)炮泥可避免爆破后開挖面產(chǎn)生爆生氣體，提升爆破氣體利用率，炮泥長度約25 mm。間隔裝藥時，藥卷直徑和炮眼需預(yù)留孔隙，不耦合系數(shù)大于1，取值1.5～2；藥包、孔壁的不耦合系數(shù)≤1，無間隙。

3.4 炮眼布置

3.4.1 掏槽眼

掏槽眼是軟巖隧道圍巖爆破輪廓控制的關(guān)鍵炮眼，裝藥量最大，對隧道爆破影響明顯。炮眼形式為直眼、斜眼兩種，斜眼掏槽爆破后可產(chǎn)生“凌空面”，拋出碎巖，便于施工[4]。項目采用斜眼掏槽形式，布設(shè)方法是將炮眼鉆孔斜交于開挖面，開挖斷面設(shè)置錐形、楔形的掏槽。對比直眼掏槽，斜眼掏槽精度要求低，操作流程簡單，藥量消耗少，但需合理控制掏槽眼間距。計算公式如下：

式中，σN、σf——軟巖抗壓強度、圍巖抗拉強度（MPa）；Rk、R0——空孔半徑、鉆孔半徑（m）；a——炸藥應(yīng)力衰減系數(shù)；P——爆炸應(yīng)力波徑的初始峰值。

掏槽眼裝藥量過多或過少均會引起超欠挖，擾動圍巖，或影響進(jìn)尺。因此，需嚴(yán)格控制裝藥量，其計算公式為：

式中，Q——單孔裝藥量（kg）；N——炮眼數(shù)量；L0、ρ0——炮孔深度、炮眼深度（m）；q——藥耗量（kg/m3）。

掏槽眼可設(shè)于隧道巷道斷面中心靠近底板的區(qū)域，便于掌握打眼/鉆孔方向，使炮眼破壞巖石后，利用巖石自重力下落。軟巖隧道斷面中含有易爆的軟弱夾層，需在軟弱夾層內(nèi)布置部分掏槽眼[5]。

3.4.2 輔助眼

輔助眼是圍巖爆破的主要炮眼。隧道爆破時，輔助眼需布設(shè)在圍巖結(jié)構(gòu)自由面上，可從掏槽眼處開始，以向外擴(kuò)槽的形式設(shè)置輔助眼，輔助眼數(shù)量約5～6個。炮眼參數(shù)以炮眼間距、最小抵抗線為準(zhǔn)，需測算與鄰近周邊眼的距離、最小抵抗線長度。

3.4.3 周邊眼

周邊眼設(shè)于隧道外側(cè)，需覆蓋隧道輪廓面，包含頂眼、底眼、幫眼。技術(shù)參數(shù)：①最小抵抗線；②周邊眼間距；③孔深；④炸藥單耗；⑤裝藥不耦合系數(shù)；⑥炮孔密集系數(shù)等。項目屬于軟巖隧道，周邊眼的眼口需設(shè)置在圍巖輪廓線內(nèi)10 cm，眼底落于輪廓線。圍巖輪廓線上，炮眼內(nèi)裝藥量應(yīng)控制在70～120 g/m。

3.4.4 布置要點

（1）封泥長度。炮眼深度為0.6～1 m，封泥長度約為炮眼深度50%。炮眼深度＞1 m，封泥長度大于0.5 m；炮眼深度＞2.5 m，封泥長度大于1 m。采用光面爆破工藝，需封實周邊眼，封泥長度大于0.3 m，掏槽眼、輔助眼的封泥長度＞500 mm，而周邊眼的封泥長度＞300 mm。

（2）周邊眼炮眼間距與炮眼直徑成正比關(guān)系，與巖石抗拉強度成反比。炮眼數(shù)量4～6個時，眼距應(yīng)控制在400～500 mm。軟巖結(jié)構(gòu)可適當(dāng)縮小周邊眼間距，并隔眼裝藥。

（3）布置各隧道炮眼時，應(yīng)清理圍巖松動土，加固支撐。集中精力錘擊，錘擊點為鋼釬中心，禁止相對面打錘。持續(xù)觀測錘頭、錘把連接情況，發(fā)現(xiàn)異常聲音、震動現(xiàn)象需停止錘擊，排除故障。換釬、檢查設(shè)風(fēng)鉆等設(shè)備時，需關(guān)閉風(fēng)門。鉆眼時扶穩(wěn)鉆機(jī)，鉆桿、鉆孔的中心應(yīng)控制在相同輪廓線上；鉆機(jī)運轉(zhuǎn)后，應(yīng)遠(yuǎn)離支撐風(fēng)鉆轉(zhuǎn)動部分。

（4）炮眼間距、最小抵抗線、密集系數(shù)、裝藥集中度是軟巖隧道炮眼布置的主要參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)值如下：①炮眼間距35～50 cm；②最小抵抗線40～40 cm；③密集系數(shù)0.8～5；④裝藥集中度為0.7～0.12 kg/m。輔助炮眼交錯、均勻設(shè)置在周邊眼、掏槽眼中間，垂直于圍巖開挖面。開挖圍巖斷面與底面的交界處時，應(yīng)增設(shè)輔助眼，增加藥量，消除爆破死角。斷面頂部應(yīng)減少藥量，預(yù)防超挖。

3.5 裝藥及堵塞

（1）用鋼制炮鉤、高壓風(fēng)清理炮眼內(nèi)泥漿、存水、石粉，避免堵塞。炮眼清理后，檢查其深度、角度、方向、孔內(nèi)情況。炮眼內(nèi)各項質(zhì)量指標(biāo)檢查無誤后開始裝藥。

（2）可根據(jù)爆破炮眼設(shè)計裝藥量，自上而下、分片分組裝藥，雷管“對號入座”后用炮泥堵塞炮眼，炸藥包裝材料不得替代炮泥，堵塞長度應(yīng)大于1 m，周邊眼炮眼堵塞長度不得小于30 cm。

（3）裝藥時，應(yīng)拉住雷管腳線，并將木質(zhì)、竹質(zhì)炮棍推入炮眼口藥卷，使其進(jìn)入炮眼底部。推藥卷時應(yīng)均勻用力，確保各藥卷緊密連接。掏槽眼、輔助眼裝藥需采用“反向、連續(xù)”的裝藥模式。起爆藥卷應(yīng)放置在底眼的第二個藥卷上，藥卷聚能穴朝外。周邊眼裝藥需相互間隔，每段裝入半個藥卷，直至裝藥量符合設(shè)計值。

4 結(jié)語

綜上所述，軟弱圍巖爆破后結(jié)構(gòu)面輪廓控制難度大，破壞面擴(kuò)展性強。為預(yù)防超欠挖、結(jié)構(gòu)變形，可基于光面爆破工藝，優(yōu)化圍巖輔助眼、掏槽眼的爆破參數(shù)，調(diào)整裝藥量、炮孔位置，加強圍巖爆破輪廓控制。為確保爆破輪廓線控制效果，可增設(shè)緩沖眼，增大圍巖爆破的最小抵抗線，管控圍巖輪廓線起伏度，使軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合隧道建設(shè)要求。

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收稿日期：2024-02-19

作者簡介：許佼（1988—），男，本科，工程師，從事工程建設(shè)管理工作。