緱智強(qiáng) 牛慶偉 鄭燁晨 付庭茂

摘? 要：鉆爆法是巖質(zhì)隧道的主要開挖方法，爆破開挖引起的超挖問題是工程中亟待解決的難點。本文以中蘭客專某層狀片巖隧道為研究對象，在考慮了層狀片巖的結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，基于光面爆破設(shè)計理論，對三臺階爆破開挖方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該方案中上臺階爆破形成作業(yè)面，中、下臺階采用低藥量爆破結(jié)合鑿巖臺車破碎巖體方式?，F(xiàn)場工程實踐應(yīng)用表明，該方案能節(jié)約爆破材料，降低對隧道圍巖破壞，爆面形狀良好，顯著降低了超挖量。研究成果對類似工程具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：層狀片巖? ?高速鐵路隧道? ?爆破? ?優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U459.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0016-04

Influence of Rock Dip Angle on Deformation Characteristics of Schist Tunnel

GOU Zhiqiang? NIU Qingwei? ZHENG Yechen? FU Tingmao

（The Third Engineering Co.，LTD of China Railway Seventh Group， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China）

Abstract：Drilling and blasting method is the main excavation method of rock tunnel. The over excavation problem caused by blasting excavation is a difficult problem to be solved in engineering. Taking a layered schist tunnel of Zhonglan Passenger Dedicated Line as the research object， based on the structural characteristics of layered schist and the Smooth Blasting Design theory， the three-step blasting excavation scheme is optimized. In this scheme， the upper bench blasting forms the working face， and the middle and lower bench adopt the method of low charge blasting combined with rock drilling jumbo to break the rock mass. The field engineering application shows that the scheme can save blasting materials， reduce the damage to the surrounding rock of the tunnel， have a good shape of the blasting surface， and significantly reduce the amount of overbreak. The research results have certain reference value for similar projects.

Key Words： Layered schist; High-speed railway tunnel; Blast; Optimal design

鉆爆法具有地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、開挖成本低等特點，是巖質(zhì)地層中山嶺隧道施工的主要手段。在隧道爆破開挖中，超欠挖尤其是超挖現(xiàn)象普遍存在。超欠挖造成圍巖應(yīng)力局部集中，增加工程成本，是鉆爆法施工中的重要難題[1]。劉海波[2]介紹了聚能水壓光面爆破技術(shù)在成蘭鐵路金瓶巖隧道施工中的應(yīng)用;劉墩文[3]依托某山嶺隧道穿越破碎帶斷層工程，研究了周邊孔爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式等關(guān)鍵參數(shù);郝廣偉[4]依托蟠龍山隧道工程，進(jìn)行了水平層狀巖體中不同循環(huán)進(jìn)尺的掘進(jìn)爆破試驗，對隧道超挖值及圍巖成型效果進(jìn)行對比分析;周涵等[5]提出隧道掌子面短導(dǎo)洞掏槽爆破技術(shù)，并結(jié)合掌子面爆破參數(shù)及炮眼布設(shè)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)小斷面礦山隧道全斷面一次爆破成孔的光面爆破效果;張萬志[6]通過現(xiàn)場炮孔圖像采集及分類、深度學(xué)習(xí)方法，進(jìn)行隧道炮孔的自動化識別與位置定位，實現(xiàn)了光面爆破參數(shù)的智能優(yōu)化。

本文以中（衛(wèi)）蘭（州）客專某片巖隧道工程為依托，根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件及爆破施工情況，基于光面爆破設(shè)計理論，在考慮了層狀片巖的結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，對三臺階爆破開挖方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場工程實踐，對爆破優(yōu)化方案進(jìn)行評價。研究結(jié)果可為類似工程爆破施工提供參考。

1? 工程概況

中（衛(wèi)）蘭（州）客專為銀（川）蘭（州）高速鐵路的重要組成部分，依托隧道工程位于甘肅省白銀市皋蘭縣內(nèi)，隧道全長4578m，為雙線鐵路隧道，馬蹄形斷面，設(shè)計時速為250km/h，開挖斷面面積約150m2，最大埋深約206m。隧道洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片理構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，巖體呈現(xiàn)中—薄層狀結(jié)構(gòu)，開挖后巖層易剝落掉塊，為IV～V級圍巖。研究區(qū)段位于DK203+695～DK203+740，隧道圍巖級別為IV級，采用三臺階光面爆破法開挖。原爆破方案借鑒已有工程經(jīng)驗設(shè)計，且考慮現(xiàn)場片巖較硬，上臺階加大炸藥量為200kg，中、下臺階炸藥量分別為180kg，現(xiàn)場爆破后超挖顯著，爆破效果較差。

2? 爆破方案優(yōu)化

優(yōu)化鉆爆方案能夠有效地加快施工進(jìn)度，炮眼的利用率因鉆孔傾斜影響而降低，加大炸藥量，進(jìn)尺增加且超挖量增加。因此，精準(zhǔn)計算炮眼深度可平均減少60%的超挖量，在選擇鉆孔深度時要綜合考慮各種因素，合理改進(jìn)每循環(huán)進(jìn)尺，以達(dá)到最優(yōu)爆破方案設(shè)計。

隧道實際施工中，最常用的是壓頂光爆、斜眼掏槽爆等，掏槽眼的位置應(yīng)該布置在掌子面的中間部位。根據(jù)實際情況，本文使用斜眼掏槽，斜眼掏槽最突出的優(yōu)點就是能夠根據(jù)隧道巖石的實際情況來選擇合適的掏槽方式和角度，更方便拋擲巖石，而且需要的掏槽眼數(shù)量較少。

2.1 上臺階優(yōu)化方案

本隧道分三臺階開挖，先開挖上臺階，由現(xiàn)場量測可知上臺階開挖斷面面積S=52.27m2，循環(huán)進(jìn)尺L=3m。根據(jù)現(xiàn)場Ⅳ級圍巖破碎情況選用2號巖石乳化炸藥，單位體積炸藥消耗量g=1.3kg/m3，換算系數(shù)K=1.2，炮眼利用率n=0.7，炮眼裝藥系數(shù)a=0.4，單個藥卷質(zhì)量p=0.2kg，長度c=0.144m，則：循環(huán)炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×52.27×3×0.7=171.24kg;炮眼數(shù)目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×52.27 ×0.7×0.144/（0.4×0.2）=103個。

根據(jù)經(jīng)驗，炮孔間距a一般取10～20倍的孔直徑，根據(jù)現(xiàn)場層狀圍巖性質(zhì)，取a=15d=15×42=630mm，最小抵抗線W≥a=630mm，炮眼臨近系數(shù)m=a/W=1.0。由爆破振動速度計算經(jīng)驗公式，v=70Q0.7/R1.5=50m/s，因此滿足安全性要求。優(yōu)化后爆破參數(shù)如表1所示，炮眼布置如圖1所示。

2.2 中、下臺階優(yōu)化方案

中、下臺階爆破目的主要是提供工作面，使得鑿巖臺車能夠正常工作。因為上臺階起爆精度要求更高，已經(jīng)炸出完整的工作面，中臺階爆破孔眼可以適當(dāng)減少，目的是為了破碎掌子面結(jié)構(gòu)，幫助鑿巖臺車?yán)^續(xù)破碎巖體并且出渣。中、下臺階炮眼相關(guān)參數(shù)與上臺階相同，僅開挖面積不同，每個臺階需要單獨計算炮眼數(shù)目和用藥量。

（1）對于中臺階：開挖面積S=40m2，考慮到爆破目的是松動圍巖，炮眼裝藥系數(shù)a=0.6，單個藥卷質(zhì)量p=0.2kg，長度c=0.156m，其它參數(shù)與上臺階相同，則：循環(huán)炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×40×3×0.7=131.04kg;炮眼數(shù)目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×40× 0.7×0.156/（0.6×0.2）=57個。

（2）對于下臺階：開挖面積S=51m2，考慮到爆破目的是松動圍巖，炮眼裝藥系數(shù)a=0.6，單個藥卷質(zhì)量p=0.2kg，長度c=0.11m，其他參數(shù)與上臺階相同，則：循環(huán)炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×51×3×0.7=167.08kg;炮眼數(shù)目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×51× 0.7×0.11/（0.6×0.2）=51個。

優(yōu)化后爆破參數(shù)如表2、表3所示，炮眼布置如圖2、圖3所示。

3? 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

按照優(yōu)化后爆破方案，現(xiàn)場進(jìn)行爆破施工，效果如圖4所示。由圖4可以看出，隧道爆破面成型良好，破碎后巖面非常光滑，超挖現(xiàn)象不明顯，即使局部超挖也是沿隧道輪廓大致向外偏移，便于后續(xù)施工鑿面整平處理。這是由于增加了一段雷管，優(yōu)化炮眼布置，爆破能量更為集中地作用在層狀巖體結(jié)構(gòu)面上，從而起到較好的破碎效果，降低對周邊圍巖破壞。通過現(xiàn)場量測，隧道超挖量控制在70mm以內(nèi)，觀感較原來有明顯的提升，拱頂光滑，兩側(cè)貼合，說明優(yōu)化后的爆破方案取得了較為滿意的結(jié)果。與原方案560kg用藥量相比，優(yōu)化后方案減少用藥量約90kg，減少了約16%。

4? 結(jié)語

本文在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于光面爆破設(shè)計理論，在考慮了層狀片巖的結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，對三臺階爆破開挖方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)場工程實踐應(yīng)用表明，該方案能節(jié)約爆破材料，隧道爆破面成型良好，顯著降低了超挖量，提高了施工效率，具有很好的工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張旭.隧道光面爆破施工超欠挖影響因素分析及控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[2] 劉海波.聚能水壓光面爆破新技術(shù)在成蘭鐵路隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（2）：182-187.

[3] 劉敦文，江樹林，唐宇，等.穿越脈狀破碎斷層隧道光面爆破技術(shù)研究[J].工程爆破，2021，27（2）：79-84.

[4] 郝廣偉，張萬志，李世堂，等.不同循環(huán)進(jìn)尺下水平層狀巖隧道爆破成型研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2020，16（S1）：316-322.

[5] 周涵，孫從煌，曲艷東，等.小斷面長陡斜坡隧道短導(dǎo)洞光面爆破技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（2）：228-237.

[6] 張萬志.巖質(zhì)隧道炮孔圖像識別算法及光面爆破參數(shù)優(yōu)化研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.