劉仁華

中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065

爆破開挖是當(dāng)前我國隧道開挖掘進的主要手段[1]。雖然人工鉆眼爆破具有操作方便、價格便宜的優(yōu)點，但若隧道爆破未能達到設(shè)計要求將導(dǎo)致超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生，對工程質(zhì)量造成不利影響，同時在處理超欠挖時所采取的補炮或者回填措施都將提高工程造價，影響施工進度。另外，隧道進行二次爆破將對圍巖再次產(chǎn)生不利擾動，擴大圍巖的損傷范圍，影響圍巖穩(wěn)定性。為了提高隧道的施工效率，國內(nèi)外學(xué)者對隧道爆破施工導(dǎo)致的超欠挖問題進行了大量的研究，提出了一些有效的爆破施工方法[2]。其中，光面爆破施工方法能夠有效控制爆破對圍巖的擾動，減少對隧道輪廓的超欠挖量，提高施工效率和經(jīng)濟效益，已被廣泛應(yīng)用于隧道爆破施工中[3-4]。但是，掌子面前方的地質(zhì)情況復(fù)雜，裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)會對光面爆破造成不利影響，導(dǎo)致隧道輪廓超欠挖較嚴重，增加施工周期和成本。

重慶軌道交通10號線蘭花湖停車場出入段隧道（下文簡稱蘭花湖隧道）為雙線隧道，右線全長1136.068m，左線全長1026.080m，在右線樁號YCK1+124.722～YCK1+200段，隧道圍巖等級為Ⅳ級，設(shè)計采用爆破施工。為了解決蘭花湖隧道的超欠挖問題，相關(guān)人員使用全斷面免棱鏡測量技術(shù)，獲得了爆破施工中隧道的開挖輪廓線，分析了隧道超欠挖的原因，通過超前地質(zhì)預(yù)報對掌子面圍巖情況進行預(yù)測，提出了一種爆破參數(shù)優(yōu)化方法，能夠有效控制蘭花湖隧道的超欠挖質(zhì)量，獲得了良好的隧道輪廓線，提高了施工效率。

1 光面爆破原理

爆破的基本理論主要有爆生氣體膨脹壓力作用理論、應(yīng)力波疊加理論、爆生氣體與應(yīng)力波共同作用理論。隨著科技的發(fā)展，最終發(fā)現(xiàn)共同作用理論更符合工程實際，即炸藥爆破所產(chǎn)生的爆生氣體和爆炸應(yīng)力波將共同作用于巖石，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生裂紋并發(fā)生擴展，最后產(chǎn)生破壞。

爆炸應(yīng)力波與爆生氣體作用原理如圖1所示。由于爆轟波陣面的壓力和傳播速度遠高于爆生氣體產(chǎn)物的壓力和傳播速度，爆轟波首先作用于炮孔壁上，使得圍巖產(chǎn)生初始裂隙并以較高的速度向前傳播，而爆生氣體則楔入裂隙中，在準靜壓力作用下使裂隙得到擴展和傳播。隨著應(yīng)力波的衰減，爆生氣體的楔入速度逐漸接近應(yīng)力波波速，最后二者相等，此時裂紋擴展停止發(fā)生。

圖1 光爆孔裂縫發(fā)展過程

2 監(jiān)控量測技術(shù)

此次監(jiān)控測量采用全斷面免棱鏡測量技術(shù)，該方法是遵照圍巖量測設(shè)計理念與新奧法圍巖自穩(wěn)宗旨，并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)出的隧道洞內(nèi)超欠挖監(jiān)控量測的關(guān)鍵技術(shù)。爆破施工后，在隧道周邊的孔內(nèi)埋設(shè)觀測點，進行監(jiān)控量測，然后與設(shè)計斷面進行對比計算，如圖2所示。計算公式如下：

圖2 超欠挖測量與計算方法

采用全斷面免棱鏡測量技術(shù)對隧道斷面進行超欠挖測量，繪制實測隧道輪廓面與標準隧道斷面的對比圖，如圖3所示。

圖3 隧道光面爆破效果（單位：mm）

從圖3可以看出，洞內(nèi)超挖較嚴重，尤其在左側(cè)拱頂區(qū)域，超挖量最大。仔細觀察隧道開挖后掌子面附近的地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)左側(cè)拱頂區(qū)域存在少量軟弱夾層，導(dǎo)致此區(qū)域圍巖強度較弱，增加了隧道輪廓的超挖量。在拱腳附近，存在少量欠挖區(qū)域，對施工影響較小。由于爆破超挖嚴重，增加了隧道施工成本，降低了施工效率。

3 超欠挖原因

以蘭花湖隧道爆破施工為基礎(chǔ)，分析爆破導(dǎo)致的超欠挖原因，總結(jié)得出三點結(jié)論。

（1）掌子面前方圍巖情況對隧道爆破施工導(dǎo)致的超欠挖問題影響很大。爆破施工過程中，炸藥能量優(yōu)先向圍巖強度較弱的方向傳播，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)嚴重超挖現(xiàn)象。

（2）不合理的周邊孔裝藥量影響隧道輪廓線形狀。光面爆破動態(tài)設(shè)計的指導(dǎo)方針沒有貫徹實施，施工人員抱著“寧超勿欠”的思想，導(dǎo)致裝藥量過大，影響光面爆破效果。

（3）鉆眼的精度較低，影響爆破效果。隧道鉆孔過程中，光線較差，施工人員放線位置存在偏差，機械鉆孔操作難度大，影響周邊孔的外插角方向和炮孔深度，導(dǎo)致爆破效果較差。

4 光面爆破參數(shù)優(yōu)化

因為掌子面圍巖情況對爆破超欠挖影響較大，所以在爆破開挖前使用超前地質(zhì)預(yù)報，實時獲取掌子面前方圍巖情況，進而優(yōu)化爆破參數(shù)，控制爆破開挖質(zhì)量。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報

此次超前地質(zhì)預(yù)報將地質(zhì)雷達和TRT相結(jié)合，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點。蘭花湖隧道施工過程中進行超前地質(zhì)預(yù)報的現(xiàn)場施工圖如圖4所示。通過分析地質(zhì)超前預(yù)報的雷達波形圖，確定施工過程中掌子面前方的圍巖情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在隧道左上方存在軟弱夾層，圍巖強度較弱。

圖4 超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場施工圖

4.2 光面爆破設(shè)計方案

隧道周邊地質(zhì)條件對光面爆破中炸藥的選擇影響較大，經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報，發(fā)現(xiàn)掌子面左上方存在軟弱夾層，通過經(jīng)驗對比和篩選，最終決定用巖石乳化炸藥進行爆破作業(yè)。在爆破作業(yè)前，先用鉆機制作連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，用作輔助眼和掏槽眼，再用鉆機制作小直徑藥卷、不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，用作周邊眼。

光面爆破炮孔具體布置參數(shù)如圖5所示。以兩拱腳中點為中心，拱頂為起點，逆時針旋轉(zhuǎn)60°，即圖5虛線內(nèi)區(qū)域，將其區(qū)域內(nèi)的周邊眼裝藥量改為原裝藥量的90%，進行裝藥、爆破。爆破時，起爆順序為掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼。

圖5 光面爆破炮孔布置圖（單位：cm）

4.3 優(yōu)化后的開挖質(zhì)量

為了進一步驗證優(yōu)化后的爆破參數(shù)能夠有效控制隧道超欠挖質(zhì)量，提高施工效率，將優(yōu)化后的爆破參數(shù)用于蘭花路隧道光面爆破施工中。對爆破后的隧道斷面進行測量，與隧道設(shè)計斷面圖進行對比，爆破效果對比如圖6所示。

圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化后隧道光面爆破效果（單位：cm）

對比圖3、圖6的輪廓線可知，爆破參數(shù)優(yōu)化后可以有效控制超欠挖質(zhì)量，最大超挖量僅為283mm，拱腳附近存在少量欠挖，對施工影響較小。這說明降低圍巖較弱區(qū)域周邊眼的裝藥量可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響，降低爆破對圍巖的干擾，提高施工效益，節(jié)約經(jīng)濟成本。

5 結(jié)論

（1）文章論述了光面爆破的基本原理，并利用全斷面免棱鏡測量技術(shù)對隧道斷面進行測量，繪制了實際爆破輪廓線和設(shè)計輪廓線的爆破開挖效果圖，發(fā)現(xiàn)圍巖強度對爆破施工的超欠挖質(zhì)量影響較大。

（2）文章設(shè)計了光面爆破方案，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，實時獲取掌子面前方圍巖狀況，為爆破參數(shù)優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

（3）文章提出了爆破參數(shù)優(yōu)化措施，將周邊眼的裝藥量改為原裝藥量的90%，可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響，降低爆破對圍巖的干擾，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，縮短施工周期，可為后續(xù)隧道建設(shè)者提供參考。