廖建煒

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

1 引言

TBM法隧道施工已經(jīng)在眾多工程建設(shè)中得以應(yīng)用，而且被優(yōu)先采用的趨勢(shì)更加明顯。高效率掘進(jìn)是其突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)選方案對(duì)比下的重要考量。正常情況下，TBM法施工速度可達(dá)鉆爆法的3～5倍，而動(dòng)輒上千米的單月掘進(jìn)高產(chǎn)紀(jì)錄，在TBM法隧道施工領(lǐng)域已不鮮見(jiàn)，普及應(yīng)用旗幟效應(yīng)明顯。但TBM較差的地質(zhì)適應(yīng)性，一直是其應(yīng)用拓展的典型制約，節(jié)理裂隙發(fā)育情況和堅(jiān)硬程度差異等巖性條件是影響其掘進(jìn)效率的關(guān)鍵性因素［1－3］。完整堅(jiān)硬巖［4］條件下的TBM快速掘進(jìn)，困擾一直存在，且隨著工程應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，其困難程度在逐漸增強(qiáng)。

完整堅(jiān)硬巖在水利水電項(xiàng)目中出現(xiàn)的頻次更高，國(guó)外的挪威斯瓦蒂森水電站等項(xiàng)目，以及國(guó)內(nèi)吉林引松、山西引黃等項(xiàng)目都曾出現(xiàn)過(guò)。第三方檢測(cè)表明，吉林引松項(xiàng)目部分巖石單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)200 MPa。在掘進(jìn)效能分析方面，對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)TBM項(xiàng)目局部統(tǒng)計(jì)均表明，相較于60～80 MPa常規(guī)圍巖區(qū)間，當(dāng)巖石的抗壓強(qiáng)度高于150 MPa時(shí)，TBM掘進(jìn)效率會(huì)折損過(guò)半甚至更多［5－6］。同時(shí)，堅(jiān)硬巖石中，過(guò)于頻繁的刀具檢修及更換，也會(huì)使得TBM利用率大幅降低［7－8］。

TBM在通過(guò)完整且極硬巖石段時(shí)，如何提高破巖效率、降低刀具損耗，是眾多工程技術(shù)人員一直關(guān)注的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前，該領(lǐng)域科技攻關(guān)有各種探究，更大尺寸刀具，亦或是疊加高壓水射流、微波等輔助破巖手段［9］。本文嘗試基于傳統(tǒng)的鉆爆法與TBM工藝相結(jié)合，探討以鉆爆松動(dòng)爆破方式輔助TBM破巖的新途徑。

2 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)分兩階段開(kāi)展。預(yù)試驗(yàn)階段，選取合適的極堅(jiān)硬花崗巖斷面進(jìn)行爆破預(yù)試驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合試驗(yàn)檢測(cè)，借助爆破所產(chǎn)生的裂隙發(fā)展規(guī)律和變化趨勢(shì)，獲取合適的爆破參數(shù)，例如孔位、孔深、鉆孔數(shù)量、裝藥量、爆破順序等；全斷面試驗(yàn)將依托正常掘進(jìn)TBM洞段展開(kāi)，在刀盤前方采用爆破方法產(chǎn)生人造裂隙，借助TBM通過(guò)松動(dòng)爆破掘進(jìn)效果驗(yàn)證技術(shù)的可行性。

（1）檢測(cè)儀器

試驗(yàn)配鉆孔多功能成像分析儀，探測(cè)鉆孔內(nèi)部圍巖的裂隙分布和發(fā)育特征，爆破前后檢測(cè)以作對(duì)比分析；智能聲波儀做聲波測(cè)試，爆破前后對(duì)照分析圍巖穩(wěn)定性，輔助巖體損傷評(píng)定。

（2）爆破試驗(yàn)材料

選用2＃巖石乳化炸藥，其在民爆工程中用途廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)，抗水性強(qiáng)。主要性能指標(biāo)為：藥卷直徑為 φ32 mm，藥卷密度0.95 ～1.30 g／cm3，單卷質(zhì)量200 g，爆速≥3 500 m／s。選用非電毫秒導(dǎo)爆管雷管，準(zhǔn)爆率高、盲炮少、現(xiàn)場(chǎng)操作方便，用于鉆孔中起爆炸藥和孔外網(wǎng)絡(luò)連接做為毫秒延時(shí)分段使用。

（3）安全防護(hù)

嚴(yán)格按《爆破安全規(guī)程》［10］要求進(jìn)行爆破試驗(yàn)操作、安全警戒及防護(hù)。爆破工持證上崗，放炮前對(duì)炮眼連線進(jìn)行檢查，安全警戒以爆破試驗(yàn)區(qū)為中心，爆破前作業(yè)人員及設(shè)備撤離至安全地帶并由專職安全人員檢查。爆破試驗(yàn)區(qū)采用對(duì)講機(jī)相互聯(lián)系，確認(rèn)安全無(wú)誤后，下達(dá)起爆指令，實(shí)施爆破試驗(yàn)作業(yè)。

3 預(yù)試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)分單孔及多孔試驗(yàn)。其目的是盡可能掌握類似圍巖條件下合理的控制爆破參數(shù)，達(dá)到既產(chǎn)生預(yù)期的裂隙效果，給TBM掘進(jìn)效率提高創(chuàng)造條件，但又不至于產(chǎn)生拋石影響TBM設(shè)備安全，同時(shí)避免凹凸不平掌子面帶來(lái)的刀具卡滯等干擾發(fā)生。

3.1 單孔爆破試驗(yàn)

共進(jìn)行4組單孔試驗(yàn)。第1組炮孔深1.9 m，采用孔底集中裝藥1卷；第2組炮孔深1.8 m，采用孔底集中裝藥2卷，均為黃泥封堵，但爆破沖孔現(xiàn)象嚴(yán)重，窺視無(wú)明顯裂紋。后嘗試采用錨固劑干濕間歇封堵，沖孔仍較為明顯。

進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及檢測(cè)結(jié)果分析，試驗(yàn)段巖石基本為極堅(jiān)硬大理石，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆孔后，孔壁光滑，在直眼條件下，無(wú)論采用黃泥還是錨固劑等材料封堵，其與孔壁均形不成有效粘結(jié)，沖孔問(wèn)題得不到有效解決。而窺視結(jié)果表明：除孔底放置炸藥段炮孔部位有巖石屑片掉落、局部外觀表象變粗糙外，其余大部分部位均無(wú)明顯變化，爆破所預(yù)期的松動(dòng)裂隙未能產(chǎn)生。

3.2 多孔爆破試驗(yàn)

共進(jìn)行6組多孔試驗(yàn)，其中5孔試驗(yàn)2組、11孔試驗(yàn)4組。分別嘗試從裝藥方式、裝藥量、空孔布置等途徑研究合理的爆破參數(shù)。11孔爆破試驗(yàn)則更為貼近TBM中心刀范圍。

（1）5 孔試驗(yàn)

5孔試驗(yàn)孔位布置為：0.5 m間距正方形布置4個(gè)空孔，中心孔裝藥，孔深均為2 m。

第1組試驗(yàn)裝藥2卷，孔底集中裝藥，錨固劑封堵，但沖孔現(xiàn)象依然明顯。爆破后窺視，空孔裂紋不明顯，中心孔即裝藥孔有零星裂紋可見(jiàn)，但發(fā)展比較微弱；聲波探測(cè)，孔底裝藥部位一定范圍內(nèi)波速降低明顯，表明圍巖有一定程度損傷。

第2組試驗(yàn)在前述孔位上繼續(xù)進(jìn)行，裝藥3卷，沿孔底間隔約30 cm布置，錨固劑封堵。爆破后窺視表明，裝藥孔及空孔均有較明顯發(fā)展裂隙，上部空孔更為明顯，爆破孔在前次裂紋基礎(chǔ)上，發(fā)展明顯擴(kuò)大，部分區(qū)域能同時(shí)產(chǎn)生2～3條10 cm級(jí)裂隙，整體裂隙數(shù)量較多，裂隙口粗糙。

5孔試驗(yàn)表明：試驗(yàn)所借助的完整堅(jiān)硬巖石段，在密布孔、裝藥量較大情況下，巖石裂隙發(fā)展明顯，能夠從裝藥孔貫穿至周圍空孔；同時(shí)，分段裝藥對(duì)整個(gè)爆破范圍巖石損傷較為有益。

（2）11 孔試驗(yàn)

11孔試驗(yàn)孔位布置為：最外圍沿正六邊形布置6個(gè)裝藥孔，約0.75 m間距正方形布置4個(gè)空孔，孔深均約1.8 m。孔位布置見(jiàn)圖1，其中中心孔為裝藥孔。

圖1 11孔試驗(yàn)孔位布置（單位：mm）

第1組試驗(yàn)：1＃中心孔裝藥3卷，每卷間隔30 cm，1段起爆；周邊6?！?1＃孔單孔均裝藥2卷，孔底1卷，另1卷分成3小節(jié)，間隔20 cm布置，3段起爆。爆破后出現(xiàn)較大掏槽現(xiàn)象，幾乎整個(gè)爆破面巖石拋出，較深處掏槽達(dá)80～90 cm，拋出巖石體積較大，距離較遠(yuǎn)。檢查試驗(yàn)點(diǎn)上部巖石有多處明顯節(jié)理，裝藥孔布置較密且裝藥量較大，分段起爆后導(dǎo)致掏槽現(xiàn)象；但探測(cè)表明，非節(jié)理部位兩側(cè)周邊裝藥孔附近產(chǎn)生較明顯新裂隙。

第2組試驗(yàn)：中心孔與周邊孔單孔裝藥均為1卷，采用孔底集中裝藥。爆破后未出現(xiàn)巖石拋出現(xiàn)象，但綜合鉆孔及爆破前窺視，該處巖石完整性較差，考慮對(duì)照意義不大放棄探測(cè)。

第3組試驗(yàn)：中心孔及周邊孔均裝藥1卷，每1／3節(jié)間隔30 cm，孔口炮泥堵塞，1段起爆。窺視對(duì)比表明，10＃、11＃裝藥孔爆破前后裂隙發(fā)展較為明顯，對(duì)空孔及檢測(cè)孔窺視未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙。

第4組試驗(yàn)：中心孔及周邊孔均裝藥1卷，每1／3節(jié)間隔30 cm，孔口無(wú)堵塞，1段起爆。初步窺視空孔未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，裝藥孔裂隙發(fā)展較為明顯。

采用多孔同時(shí)起爆產(chǎn)生的裂隙明顯增多，其中間隔裝藥優(yōu)于集中裝藥，利用空孔創(chuàng)造臨空面有利于松動(dòng)爆破裂隙的發(fā)展。

4 全斷面試驗(yàn)與分析

爆破試驗(yàn)洞段巖石為Ⅱ類砂巖地質(zhì)，抗壓強(qiáng)度約200～250 MPa。試驗(yàn)前該區(qū)段TBM掘進(jìn)時(shí)，其總推力基本維持在設(shè)備限定的最大推力范圍17 500～18 000 kN，也能反映出其堅(jiān)硬程度。全斷面布孔，設(shè)計(jì)爆破孔15孔，試驗(yàn)孔位布置見(jiàn)圖2。以中間裝藥孔為中心，沿2.56 m直徑圓周均布6個(gè)空孔，沿5.12 m直徑圓周均布8個(gè)裝藥孔?？咨罴s2 m，每孔裝藥1卷，分3段裝藥，共15卷，見(jiàn)圖3。

圖2 全斷面試驗(yàn)孔位布置（單位：mm）

圖3 全斷面試驗(yàn)爆破裝藥示意（單位：mm）

試驗(yàn)后選取爆破前后相鄰3個(gè)循環(huán)（以TBM換步為起止點(diǎn)）掘進(jìn)參數(shù)做對(duì)比，其中前一循環(huán)累計(jì)掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)133 min，區(qū)間長(zhǎng)度1 620.7 mm；試驗(yàn)段循環(huán)長(zhǎng)度參照2 m炮孔深度，截取長(zhǎng)度2 070.7 mm（當(dāng)中TBM換步一次）；后一循環(huán)累計(jì)掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)106 min，區(qū)間長(zhǎng)度1 501.6 mm。全斷面爆破試驗(yàn)段及其前后環(huán)掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。同時(shí)，選取TBM參數(shù)包括推進(jìn)速度、總推力、刀盤扭矩等做對(duì)照分析。

表1 全斷面爆破試驗(yàn)前后環(huán)掘進(jìn)統(tǒng)計(jì)分析

僅以推進(jìn)速度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)段循環(huán)的掘進(jìn)速度明顯要優(yōu)于前后相鄰循環(huán)，其中在試驗(yàn)段循環(huán)的中后段（與分段裝藥炸藥重點(diǎn)影響段吻合），TBM的掘進(jìn)速度幾乎維持在較高的水平，而試驗(yàn)段近孔口位置，速度區(qū)別并不明顯。試驗(yàn)段及其前后環(huán)掘進(jìn)速度對(duì)比見(jiàn)圖4。同時(shí)，綜合考慮推力變化，在推力變化幅度不大的情況下，試驗(yàn)段前后循環(huán)推進(jìn)速度波動(dòng)較為平穩(wěn)，而試驗(yàn)段TBM的推進(jìn)速度波動(dòng)幅度要大于前后循環(huán)，這也顯示出爆破對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響。試驗(yàn)段前后循環(huán)刀盤扭矩由1 200～1 500 kN·m變?yōu)? 800～2 200 kN·m，刀盤平均電流由爆破前的120 A左右變?yōu)楸坪蟮?70 A左右，這些參數(shù)變化也能反映出爆破帶來(lái)的積極影響。

圖4 全斷面試驗(yàn)前后循環(huán)掘進(jìn)速度對(duì)照

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜化，施工中面臨完整且極硬巖的情況增多，完整且極硬巖石條件下的TBM快速掘進(jìn)將面臨更大的挑戰(zhàn)［11］。綜合試驗(yàn)分析，借助松動(dòng)爆破，人工制造裂隙，對(duì)于完整堅(jiān)硬巖石TBM掘進(jìn)效率提高有較大輔助價(jià)值，但還需整體綜合對(duì)比分析進(jìn)行全面細(xì)化研究。

（1）針對(duì)不同條件下預(yù)裂爆破裝藥量的控制，及何種程度裂隙對(duì)提高TBM掘進(jìn)效率更為有效，可結(jié)合裂紋擴(kuò)散機(jī)理做進(jìn)一步分析［12］。

（2）當(dāng)前TBM作業(yè)環(huán)境下，停機(jī)單獨(dú)實(shí)施輔助爆破作業(yè)，受操作設(shè)備和空間限制，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)整體效率提升存在較大反噬，應(yīng)結(jié)合TBM設(shè)備改進(jìn)研究，實(shí)現(xiàn)借助TBM或輔助設(shè)備快速鉆孔、裝藥等，壓縮爆破施工時(shí)間，方能具備大的應(yīng)用價(jià)值空間。

（3）一個(gè)不能忽視的現(xiàn)象是輔助爆破工藝，若遇有巖體局部節(jié)理發(fā)育，即使少量裝藥，亦有可能產(chǎn)生拋石，采用微差爆破更會(huì)加劇這一現(xiàn)象。圍巖條件的不確定性會(huì)制約該技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)TBM設(shè)備尤其是刀盤防護(hù)研究，或者說(shuō)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與不同地質(zhì)情況下的爆破參數(shù)研究，且安全防護(hù)必不可少。