王圣濤，潘 強(qiáng)，鄭爽英，張繼春，俞 定

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，合肥 230022；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

近年來(lái)，城市地鐵建設(shè)不斷加快，地鐵線(xiàn)路的開(kāi)挖通常采用爆破技術(shù)，尤其在穿越巖石地層時(shí)鉆爆法依然是主要掘進(jìn)方式。然而，爆破施工難免會(huì)對(duì)圍巖的完整性和穩(wěn)定性造成不利影響，因此，如何在施工中既能獲得良好的爆破效果，又能更好地保護(hù)圍巖，成為隧道施工的關(guān)鍵問(wèn)題。光面爆破技術(shù)正是在這樣的條件下逐漸發(fā)展成熟的，可使爆后輪廓面平整光滑，減弱壁面的應(yīng)力集中且有效地控制了圍巖超、欠挖[1-8]；其次，不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可降低爆破作用對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有效保持了圍巖的完整性與穩(wěn)定性[9-10]。

以廣州地鐵21號(hào)線(xiàn)科蘇區(qū)間(科學(xué)廣場(chǎng)站至蘇元站)淺埋隧道為工程背景，開(kāi)展光面爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，即在花崗巖地層應(yīng)用光面爆破技術(shù)進(jìn)行全斷面地鐵隧道開(kāi)挖。通過(guò)試驗(yàn)得出了合理的光爆參數(shù)，控制了圍巖超、欠挖與爆破損傷，改善了掘進(jìn)爆破效果，實(shí)現(xiàn)地鐵隧道的安全、高效、快速施工。

1 工程概況

廣州地鐵21號(hào)線(xiàn)科蘇區(qū)間隧道Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域采用全斷面鉆爆法施工。區(qū)間隧道最大開(kāi)挖高度6.40～6.50 m，洞徑6.48～6.88 m，最大開(kāi)挖面積約35.66 m2，隧道埋深27～32 m，且下穿2～3層磚混結(jié)構(gòu)樓房。隧道圍巖為弱風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖，其單軸抗壓強(qiáng)度90～120 MPa，部分區(qū)域巖石節(jié)理較為發(fā)育。風(fēng)井處隧道斷面如圖1所示。

圖1 風(fēng)井處隧道洞口 Fig.1 Metro tunnel entrance by the air shaft

該隧道施工難點(diǎn)在于：部分區(qū)域節(jié)理較為發(fā)育，極易產(chǎn)生圍巖超、欠挖現(xiàn)象，且區(qū)間隧道采用礦山法+盾構(gòu)空推施工，對(duì)爆破后隧道輪廓面的平整光滑程度要求較高；隧道埋深較淺且穿越于建(構(gòu))筑物之下，爆破振動(dòng)效應(yīng)勢(shì)必會(huì)對(duì)其造成一定影響；隧道斷面屬于中等斷面，爆破時(shí)巖石的夾制作用較大。

2 爆破方案

2.1 原爆破方案及效果分析

廣州地鐵21號(hào)線(xiàn)科蘇區(qū)間隧道鉆爆法施工期間，周邊圍巖超、欠挖問(wèn)題十分突出，極大的影響施工進(jìn)度以及增大混凝土的噴射量，因此，盡快控制超、欠挖是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)安全、高效施工亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

原爆破方案采用非光面爆破施工，設(shè)計(jì)單循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，采用孔徑40 mm的垂直楔形掏槽方式，掏槽孔深2.4 m；周邊孔孔深2.0～2.1 m，周邊孔間距0.6 m，外圈掘進(jìn)孔距開(kāi)挖邊界0.45～0.65 m，外圈掘進(jìn)孔間距0.8～1.4 m；所有炮孔均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，周邊孔單孔裝藥量達(dá)到0.9 kg，外圈掘進(jìn)孔單孔藥量為1.2～1.5 kg。

每次爆破后掌子面極不平整，殘孔深度差異明顯；開(kāi)挖輪廓面鮮有可見(jiàn)半壁孔，孔痕率低于10%，圍巖超、欠挖十分嚴(yán)重(見(jiàn)圖2)。另外爆破后塊度較大，爆渣難以裝運(yùn)，影響施工進(jìn)度(見(jiàn)圖3)。爆破效果表明，掘進(jìn)炮孔的鉆孔深度及角度的偏差，致使掌子面不平整；周邊孔未采用光面爆破設(shè)計(jì)，孔底段巖體破碎十分嚴(yán)重，孔口段出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象。

圖2 原方案爆破效果Fig.2 Blasting effect of the original scheme

圖3 爆后大塊度Fig.3 Boulder after blasting

形成上述爆破效果，究其主要原因有：第一，局部區(qū)域的周邊孔最小抵抗線(xiàn)過(guò)小，由此周邊孔對(duì)外圈掘進(jìn)孔具有導(dǎo)向作用，勢(shì)必沿著周邊孔方向形成裂縫并延伸于圍巖內(nèi)，與巖體的原有節(jié)理裂隙相交而產(chǎn)生超挖；第二，周邊孔單孔裝藥量過(guò)大，單孔線(xiàn)裝藥密度達(dá)到0.45 kg/m，且未采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)與導(dǎo)爆索起爆，勢(shì)必造成孔內(nèi)裝藥過(guò)于集中，致使孔底附近的巖體過(guò)于破碎，形成較大的超挖，同時(shí)孔口附近壓力過(guò)小，形成局部欠挖；第三，掘進(jìn)孔的孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，實(shí)測(cè)最大炮孔間距約1.6 m，最大排距約1.8 m，造成爆渣塊度不均勻，大塊度較多，且尺寸為1.2～1.5 m；第四，隧道周邊局部巖體較為破碎，該部位的周邊孔間距未進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，致使周邊孔間距過(guò)大，圍巖超欠挖嚴(yán)重。

2.2 光面爆破方案

解決隧道掘進(jìn)爆破圍巖超欠挖的關(guān)鍵是必須采用光面爆破技術(shù)，依據(jù)光爆原理確定合理的爆破參數(shù)，同時(shí)提高鉆孔精度。根據(jù)隧道斷面以及巖層類(lèi)型，多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，逐步優(yōu)化出適合Ⅱ～Ⅲ級(jí)花崗巖地層單循環(huán)設(shè)計(jì)進(jìn)尺為2.0 m的全斷面隧道掘進(jìn)爆破參數(shù)(見(jiàn)表1)，形成了適用于廣州地鐵隧道Ⅱ～Ⅲ級(jí)花崗巖地層全斷面掘進(jìn)的光面爆破方案，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。其中光爆孔間距為0.5 m，光爆層厚0.65 m，線(xiàn)裝藥密度為0.18～0.22 kg/m(Ⅱ級(jí)圍巖可取大值，Ⅲ級(jí)圍巖可取小值)。炮孔立面布置如圖4所示，剖面布置及裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示，起爆網(wǎng)路如圖6所示。為達(dá)到較理想的光爆效果，原則上周邊孔應(yīng)選取專(zhuān)用光爆藥卷，因受施工現(xiàn)場(chǎng)條件所限，特將φ32 mm長(zhǎng)度為30 cm的普通乳化藥卷切割成長(zhǎng)度4～5 cm的短藥卷，采用軸向空氣間隔裝藥，導(dǎo)爆索串聯(lián)起爆。此外，開(kāi)挖輪廓局部區(qū)域節(jié)理較為發(fā)育時(shí)，周邊孔距可縮小至40 cm左右。

表1 Ⅱ～Ⅲ級(jí)花崗巖地層爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters in the Ⅱ and Ⅲ granite surrounding rock

注：設(shè)計(jì)進(jìn)尺2.0 m，斷面面積35.66 m2，爆破方量71.32 m3，單耗1.32 kg/m3。

圖4 全斷面掘進(jìn)炮孔Fig.4 Holes of the full face driving

圖5 炮孔剖面及裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Holes profile and charge structure

圖6 起爆網(wǎng)路Fig.6 Detonation network

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

實(shí)施光面爆破方案后，單循環(huán)進(jìn)尺可達(dá)2.0～2.2 m，炮孔利用率達(dá)95%以上；爆破后巖壁平滑規(guī)整，半孔率達(dá)85%以上，不平整度5～10 cm；在相鄰的爆破循環(huán)銜接處，錯(cuò)臺(tái)高度均控制在10 cm以?xún)?nèi)，未見(jiàn)明顯的超、欠挖。為充分發(fā)揮圍巖的自承能力以及加快施工進(jìn)度，初期支護(hù)滯后掌子面一定距離集中施作，其中初期支護(hù)滯后掌子面2個(gè)爆破循環(huán)的邊墻處孔痕效果如圖7所示。初期支護(hù)滯后掌子面5個(gè)爆破循環(huán)的整體爆破效果如圖8所示，即不支護(hù)區(qū)域達(dá)到10 m左右，極大地提高了施工效率。

圖7 連續(xù)2個(gè)爆破循環(huán)局部效果Fig.7 The local effect of two continuous blasting cycles

圖8 連續(xù)5個(gè)爆破循環(huán)整體效果Fig.8 The global effect of five continuous blasting cycles

由于優(yōu)化了掘進(jìn)孔的孔網(wǎng)參數(shù)以及在掏槽區(qū)布置了2個(gè)破碎孔，爆破后碎石塊度得到明顯改善，平均尺寸約0.3 m，爆渣的最大尺寸基本上處于0.5 m以下，大塊率顯著降低，便于后期出渣。隧道輪廓壁面未見(jiàn)明顯的爆破裂縫，僅在裝藥段處有局部輕微破裂，由此可見(jiàn)，軸向空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低爆破對(duì)圍巖的損傷擾動(dòng)程度。

雖然局部圍巖的節(jié)理(裂隙)較為發(fā)育，但采取縮小周邊孔距為40～45 cm的方式，削弱了節(jié)理裂隙對(duì)光面爆破斷裂縫形成的影響，確保爆后形成平整的輪廓面及圍巖的穩(wěn)定性，因而沒(méi)有出現(xiàn)明顯的超、欠挖現(xiàn)象。另一方面，隧道正上方地表的最大振動(dòng)速度均控制在安全允許的2 cm/s標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)，沒(méi)有對(duì)地表建筑物安全產(chǎn)生影響。

3.2 圍巖爆破損傷測(cè)試

爆破后采用跨孔透射法在隧道邊墻上進(jìn)行圍巖聲波速度測(cè)量。在掌子面后側(cè)約0.5 m處邊墻上依次布置1#、2#、3#平行測(cè)試孔，孔徑40 mm，孔距0.5～0.6 m，孔深1.4～1.5 m，測(cè)試孔與垂向夾角60°～65°。原常規(guī)爆破和光面爆破后圍巖內(nèi)不同深度處的縱波速度如圖9所示，其中斷面1～2、斷面2～3分別表示1#測(cè)試孔與2#測(cè)試孔和2#測(cè)試孔與3#測(cè)試孔間的波速。

圖9 常規(guī)爆破和光面爆破后圍巖波速Fig.9 The wave velocity of surrounding rock after conventional blasting and smooth blasting

由圖9可以看出：隨著測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖輪廓線(xiàn)距離的增大，波速逐漸由3.5～4 km/s增大至接近原巖波速4.5～5 km/s，開(kāi)挖邊界附近區(qū)域的圍巖存在爆破損傷；對(duì)圍巖的損傷深度而言，常規(guī)爆破可達(dá)50～60 cm，而光面爆破為20～25 cm，減小為常規(guī)爆破的1/2～1/3，由此可見(jiàn)光面爆破可大大降低爆破作用對(duì)圍巖的損傷，對(duì)保持圍巖穩(wěn)定具有重要的積極作用。

4 結(jié)論

1)對(duì)于Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖淺埋地鐵隧道，采用光面爆破技術(shù)可實(shí)現(xiàn)隧道的一次爆破成形，且炮孔利用率達(dá)95%以上，半孔率達(dá)85%以上，不平整度控制在5～10 cm之間。

2)光面爆破不僅使得開(kāi)挖壁面平順、光滑，而且由于采用軸向、徑向的空氣間隔裝藥，削弱了炸藥爆炸對(duì)孔壁的強(qiáng)沖擊作用，保持了圍巖的完整性和連續(xù)性。

3)在隧道開(kāi)挖邊界的局部節(jié)理發(fā)育區(qū)采取縮小周邊孔距的方式，可削弱節(jié)理裂隙對(duì)光面爆破定向裂縫形成的影響，確保爆后形成平整的輪廓面及圍巖的穩(wěn)定性。

4)周邊孔采用φ32 mm的普通乳化炸藥不可避免地造成一定的圍巖爆破損傷，光面爆破的圍巖損傷深度約20～25 cm，連續(xù)裝藥的常規(guī)爆破損傷深度大于50 cm。