王建龍,唐 海,易 帥,丁安松

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

鉆爆法具有經(jīng)濟高效的優(yōu)點，是隧道開挖最常用的施工方式。據(jù)統(tǒng)計，目前我國95%以上的隧道工程使用鉆爆法施工[1]。鉆爆法工序簡單，但爆破效果容易受巖石本身物理、力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)在因素和炸藥性質(zhì)、爆破工藝等外在因素的影響。近年以來，許多學(xué)者針對不同的工程地質(zhì)背景，對爆破設(shè)計方案進行了研究。楊開印[1]、嚴立煒[2]、張安[3]等針對現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用楔形掏槽全斷面爆破設(shè)計；懷平生[4]針對以色列海法市中心卡邁爾公路隧道爆破工程，提出了鬧市中全斷面控制爆破設(shè)計方案；黃寶龍等[5]研究了河?xùn)|煤礦巖巷掘進的特殊性，采用了準直掏槽孔全斷面一次爆破設(shè)計，有效提高了巖巷掘進率。

針對某隧道巖體復(fù)雜、裂隙發(fā)育的地質(zhì)條件，為保證賦存Ⅲ、Ⅳ級圍巖的大斷面隧道施工順利進行，需要設(shè)計合適的爆破開挖方法與炮眼布置方案，以減少爆破損傷、提高掘進效率，滿足施工進度的要求。

1 工程背景

隧道所在區(qū)屬剝蝕丘陵地貌區(qū)，最大埋深約159.53 m。隧道段基巖主要由中至微風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，屬相對隔水層，山體裂隙發(fā)育，斷層分布多，圍巖變化情況較大。隧道設(shè)計為分離式隧道，右線起訖樁號YK62+803～YK65+310，總長2507 m；左線起訖樁號 ZK63+815～ZK65+312，總長2497 m。隧道工程所處圍巖分為Ⅲ~Ⅴ級圍巖，其中左右線Ⅴ級圍巖總長724 m，為殘坡積土層與全強風(fēng)化花崗巖；左右線Ⅳ級圍巖總長1530 m，為中風(fēng)化花崗巖；左右線Ⅲ級圍巖總長2750 m，為微風(fēng)化花崗巖；由于Ⅴ級圍巖結(jié)構(gòu)松散，強度低，穩(wěn)定性差，所以爆破方案設(shè)計主要針對微~中強風(fēng)化的Ⅲ、Ⅳ級圍巖。

2 隧道爆破施工方案

2.1 爆破施工方案選擇

隧道工程的基本開挖方法一般有全斷面開挖、半斷面開挖以及分部開挖 3種方法。本工程Ⅲ~Ⅳ級圍巖裂隙發(fā)育，根據(jù)具體爆破方式對開挖安全性影響、爆后圍巖穩(wěn)定性以及爆破效果和經(jīng)濟成本等，擬選擇合適的開挖方法。

（1）從開挖安全性和開挖后圍巖穩(wěn)定情況分析，工程所處山體圍巖裂隙多，圍巖情況復(fù)雜，全斷面開挖法無法進行局部支護，可能造成圍巖失穩(wěn)致隧道塌方；半斷面以及分部開挖法充分考慮圍巖裂隙較多情況，可以先進行局部支護，增強圍巖的相對穩(wěn)定性。

（2）從開挖效果分析，一般地質(zhì)條件全斷面開挖法施工效率高，可以采用深眼爆破的方法，加快掘進速度。擬設(shè)計的隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖變化情況大，采用半斷面以及分部開挖法可以有針對性地進行爆破施工，加快掘進速度。

綜上所述，在本工程地質(zhì)情況下，全斷面開挖法安全性和爆破效果不及半斷面和分部開挖法，所以選用半斷面、分部開挖法。

2.2 爆破施工方案及支護

如圖1所示，隧道Ⅲ級圍巖段采用半斷面開挖法，分上下臺階進行爆破，用錨桿作初期支護，先爆上臺階，后爆下臺階；Ⅳ級圍巖段采用分部開挖預(yù)留核心土法，上臺階注漿錨桿作超前支護，下臺階內(nèi)外側(cè)開挖前作初期支護，分為6次起爆，按圖中的①至⑥部分依次起爆，每次爆破并及時支護后，才能進行下一次爆破。

圖1 爆破設(shè)計

2.2 .1 炮眼設(shè)計

鉆眼采用YT20或YT18型鑿巖機鉆孔，炮眼的數(shù)量和位置決定隧道開挖石方量、開挖進尺、隧道開挖成型效果和火工材料損耗的多少[4]。如圖 2所示，隧道圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，掏槽眼采用楔形布置，根據(jù)設(shè)計方案與地質(zhì)條件，Ⅲ級圍巖掏槽眼與開挖面成71.8°夾角，Ⅳ級圍巖①部分掏槽眼與開挖面夾角取77.29°，②③部分夾角為84.26°；周邊眼向外傾斜，眼底距輪廓線為10 cm，考慮到本工程施工特點，以及爆破進尺要求，取周邊眼長度為Ⅲ級圍巖3.6 m、Ⅳ級圍巖2.3 m；底部眼孔間距為a=60 cm。周邊眼采用間隔裝藥，內(nèi)部藥卷由導(dǎo)爆索連接，其他炮眼采用連續(xù)耦合裝藥，炮眼孔外起爆采用非電毫秒雷管。

圖2 Ⅲ、Ⅳ級圍巖掏槽眼布置

2.2 .2 炮眼裝藥量計算

根據(jù)本工程施工特點及Ⅲ、Ⅳ級圍巖循環(huán)進尺的現(xiàn)場要求，掏槽眼、輔助眼以及底部眼裝藥量均可按以下公式計算：

式中：q為單孔裝藥量，kg；k為炸藥單耗，kg/m3，一般為0.6～1.8，取0.8；a為炮眼間距，m；w為炮眼爆破方向的抵抗線，m；L為炮眼深度，m；λ為炮眼部位系數(shù)。Ⅲ、Ⅳ級圍巖周邊眼單位裝藥量分別為0.6 kg/m、0.21 kg/m。以Ⅲ級圍巖爆破參數(shù)為例，具體數(shù)據(jù)詳見表1。

2.2 .3 起爆網(wǎng)絡(luò)

采用孔內(nèi)分段控制和孔外微差爆破相結(jié)合的方法進行起爆。起爆網(wǎng)絡(luò)總延遲時間控制在130 ms以內(nèi)，采用局部簇聯(lián)、全斷面并聯(lián)的復(fù)式聯(lián)接網(wǎng)路。其中Ⅲ級圍巖分兩次起爆，先爆上臺階，后爆下臺階；Ⅳ級圍巖分為6次起爆（每次爆破并及時支護后，才能進行下一次爆破），按圖 2中的①至⑥部分依次起爆。每一部分的起爆順序為：首先掏槽眼起爆，然后輔助眼、周邊眼、底部眼依次起爆，具體起爆網(wǎng)絡(luò)見圖3。

表1 Ⅲ級圍巖臺階法開挖爆破參數(shù)

圖3 起爆網(wǎng)絡(luò)圖

3 爆破效果評價

為了確定爆破效果，現(xiàn)場分別從隧道變形與爆破成型兩個方面評價。

3.1 隧道變形監(jiān)測

該設(shè)計隧道變形的安全閾值要求為2.0 mm/d。在爆破期間，在隧道設(shè)計沉降點與收斂點（見圖4），隧道每間隔5～10 m設(shè)計一個監(jiān)測斷面，并每日測量斷面變形數(shù)據(jù)。以YK63+075的隧道斷面監(jiān)測資料為例，作隧道變形監(jiān)測曲線如圖5。從圖5可知，爆破期間斷面拱頂圍巖最大沉降速率為 1.4 mm/d；隧道兩側(cè)圍巖的最大收斂速率為 1.2 mm/d；累計收斂與沉降均不超過30 mm。隨掌子面的逐步推進，隧道斷面變形也逐漸趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計全區(qū)所有監(jiān)測斷面的沉降、收斂數(shù)據(jù)，得到隧道最大沉降速率為1.8 mm/d，位于YK63+060斷面；最大收斂速率為1.9 mm/d，位于YK62+980斷面。以上監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧道變形數(shù)值皆在安全范圍內(nèi)。采用該爆破設(shè)計方案施工期間，隧道整體變形較小，圍巖穩(wěn)定，滿足了隧道的施工要求。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測布點

圖5 隧道圍巖變形監(jiān)測曲線

3.2 現(xiàn)場爆破成型

圖6為現(xiàn)場掌子面爆破效果圖，表明掌子面成型較好、周邊眼殘孔率高，爆堆集中，兩側(cè)圍巖損傷較小，炮眼利用率高，且進尺達到了施工要求。

圖6 隧道掌子面

4 結(jié) 論

根據(jù)隧道所處工程地質(zhì)條件，對不同圍巖采用不同爆破方法，對隧道Ⅲ級圍巖采用半斷面爆破開挖，且斷面的楔形掏槽眼與開挖面成71.8°夾角，對Ⅳ級圍巖采用分部爆破開挖，上部頂斷面及側(cè)斷面楔形掏槽眼與開挖面夾角分別取為77.29°，84.26°。起爆采用局部簇聯(lián)、全斷面并聯(lián)的復(fù)式聯(lián)接網(wǎng)路?，F(xiàn)場爆破施工期間，隧道變形較小，爆破成型明顯、斷面尺寸、循環(huán)進尺達到了設(shè)計要求，減少了超挖工程量和工程造價，獲得良好經(jīng)濟效果，可為同類地質(zhì)條件施工提供借鑒。

致謝：感謝湖南科大工程檢測中心及廣東中人集團建設(shè)有限公司的汪惠真高級工程師、高正工程師提供的變形監(jiān)測資料及現(xiàn)場爆破實驗。