呂瑞虎

（中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

1 概述

鉆爆法開挖水平砂泥巖隧道，受水平方向?qū)永?、?jié)理、軟弱夾層等因素影響，光面爆破效果難以得到有效控制，易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的超欠挖現(xiàn)象，致使工程量、成本增加，工期延長，工效降低，對后續(xù)工序影響較大；嚴(yán)重的還將造成防水板破裂，使隧道的防排水體系失效，引起運營期間襯砌滲水現(xiàn)象；另外，依據(jù)新奧法觀點，隧道超欠挖現(xiàn)象對圍巖穩(wěn)定也將產(chǎn)生不良影響。針對段家坪水平巖層隧道鉆爆法施工超欠挖問題，為達(dá)到優(yōu)化爆破參數(shù)、降低造價、滿足隧道圍巖與支護(hù)安全與穩(wěn)定的目標(biāo)，研究開發(fā)出新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)，對鉆爆參數(shù)開展現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用研究，有效控制了水平巖層的超欠挖，為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

段家坪隧道位于陜西省宜川縣境內(nèi)，隧道全長10722.98m（進(jìn)口里程DK446 ＋664.2，出口里程DK457＋387），隧道最大埋深約450m（DK452+980），走向為121°27′12″。

段家坪隧道洞身圍巖以三疊系上統(tǒng)厚層砂巖、粉砂巖，夾薄層泥巖為主，巖層產(chǎn)狀272°∠2°，砂巖、粉砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育—很發(fā)育。優(yōu)勢節(jié)理裂隙主要有兩組，產(chǎn)狀分別為190°∠90°和78°∠89°，地表調(diào)查測量，節(jié)理間距25～50cm，一般為密閉節(jié)理，地表局部地段節(jié)理呈張開狀，巖體較破碎，泥巖為軟弱夾層，呈薄層狀，豎向節(jié)理裂隙很發(fā)育。拱部、邊墻局部及底板底部偶夾少量薄層泥巖。

3 水平砂泥巖隧道爆破成型情況及超欠挖原因分析

3.1 水平砂泥巖隧道爆破成型情況

段家坪隧道進(jìn)口DK447+510 至DK448+050 段圍巖級別為Ⅳ級，采用三臺階法開挖，每循環(huán)進(jìn)尺約2m。鉆眼采用風(fēng)動鑿巖機配合開挖臺架施工，鉆眼直徑42mm，炸藥采用巖石硝銨炸藥，藥卷直徑為32mm。周邊眼間距取50cm，上臺階周邊眼每孔裝藥量0.6kg，中臺階周邊眼每孔裝藥量0.8kg，下臺階周邊眼每孔裝藥量1kg。掏槽眼和底眼連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炮泥封口。詳細(xì)爆破參數(shù)見表1。

表1 原開挖爆破參數(shù)表

Ⅳ級圍巖段超欠挖情況特別嚴(yán)重，尤其是拱肩與拱頂部位，幾乎無炮痕殘存，拱頂巖層在爆破后沿著節(jié)理面脫落，形成矩形門洞形式，有的部位甚至形成高達(dá)1m 多高的超挖空間。欠挖則主要集中在拱腳和墻腳位置，補炮現(xiàn)象非常嚴(yán)重。這在很大程度上影響了后續(xù)支護(hù)施工，增加了施工成本，拖延了工期，甚至造成連續(xù)幾天的停工返工。

圖1 隧道開挖斷面掃描輪廓圖

段家坪水平巖層隧道Ⅳ級圍巖段在三臺階鉆爆施工過程中，其拱頂及拱肩超挖情況特別嚴(yán)重。由開挖斷面的輪廓圖可以看到，拱頂?shù)焦凹鐓^(qū)域超挖量很大，最大達(dá)到了108.4cm，右邊墻欠挖嚴(yán)重，左邊墻也存在少量欠挖，隧道拱部超挖量都在50cm 以上，有的斷面拱部掉塊現(xiàn)象極為嚴(yán)重，出現(xiàn)典型的矩形門洞形狀。

3.2 水平砂泥巖隧道超欠挖原因分析

（1）爆破參數(shù)設(shè)置不合理。水平砂泥巖的層理、節(jié)理對隧道的超欠挖影響較大，在水平巖層中，水平炮孔的最小抵抗線方向垂直于水平巖層，其爆轟波直接壓碎炮孔的巖層，其應(yīng)力波還向外繼續(xù)傳播。因為巖體抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力，于是在兩個層理之間的巖體就被反射波拉伸波拉下來，形成平頂超挖現(xiàn)象。爆破參數(shù)不合理極易導(dǎo)致隧道超欠挖嚴(yán)重。

（2）周邊眼裝藥量偏大，藥量過于集中。段家坪隧道Ⅳ級圍巖段為薄層層狀砂巖，較破碎，層狀結(jié)構(gòu)明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，周邊眼裝藥量大且集中，對周邊破碎圍巖沖擊力大，極易造成周邊產(chǎn)生超挖。

（3）鉆爆施工管理不嚴(yán)格，鉆眼的位置及方向控制較差。受現(xiàn)場施工管理不力的原因，鉆孔放線定位不準(zhǔn)，鉆孔位置往往太靠近開挖輪廓線，或者鉆孔外插角太大，周邊炮孔甚至直接破碎周邊巖體，同時爆破反射拉伸波對隧道開挖輪廓線外水平巖層的拉伸破壞，也會造成巖層產(chǎn)生較大的超挖。需要控制鉆孔位置及精度，同時考慮將鉆研位置適當(dāng)向內(nèi)側(cè)偏移一部分。

4 現(xiàn)場爆破方案的優(yōu)化及爆破效果

4.1 爆破方案優(yōu)化

針對段家坪水平巖層隧道Ⅳ級圍巖段前期爆破開挖超欠挖嚴(yán)重的問題，通過對造成其嚴(yán)重超欠挖原因的分析，從現(xiàn)場施工技術(shù)把控以及爆破參數(shù)兩方面對原方案做出相應(yīng)調(diào)整。

（1）控制周邊眼鉆孔精度。在每次測量放線時先對上次爆破斷面進(jìn)行檢查，根據(jù)爆破效果及時調(diào)整參數(shù)。周邊眼要沿隧道開挖輪廓線布置，保證開挖斷面符合要求。輔助炮眼交錯均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，力求爆破出的石塊塊度適合裝渣的需要。鉆眼前，用紅鉛油準(zhǔn)確地繪出開挖斷面的中線和輪廓線，標(biāo)出炮眼位置，其誤差不得超過5cm，按炮眼布置正確鉆孔，掏槽眼和周邊眼的鉆孔精度要高，開眼誤差控制在3cm和5cm以內(nèi)，眼底不得超出開挖斷面輪廓線15cm，并不得欠挖。

（2）規(guī)范周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)。從前期爆破效果分析，靠近掌子面1m 處超挖量明顯要大于后1m 處，主要原因在于裝藥過于集中，單孔藥量大，裝藥過于集中，炮孔內(nèi)炸藥主要靠沖擊波對巖體做拋擲功，反射拉伸波所起作用甚微。對周邊眼采用導(dǎo)爆索分散炮孔內(nèi)藥量，減少炸藥的集中度，防止能量集中形成爆破漏斗而在炮眼底部造成超挖，周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)

（3）周邊眼及輔助眼參數(shù)調(diào)整。在拱頂和拱腰位置，周邊眼位置向開挖輪廓線內(nèi)側(cè)偏移5～10cm，起到超挖保護(hù)層的作用，同時減少周邊眼爆破對周邊破碎圍巖的擾動。增加周邊眼的數(shù)量，將周邊眼間距從原來的50cm 調(diào)整到40cm，減少周邊眼及外層輔助眼的裝藥量。上臺階輔助眼裝量調(diào)整為0.25kg/m，周邊眼裝藥量調(diào)整為0.3kg/m；中臺階輔助眼裝量調(diào)整為0.25kg/m，周邊眼裝藥量調(diào)整為0.3kg/m；下臺階輔助眼裝量調(diào)整為0.5kg/m，周邊眼裝藥量調(diào)整為0.4kg/m。

1.3.1 生活質(zhì)量變化情況評價指標(biāo) 該院通過應(yīng)用SF-36生活質(zhì)量評價量表，評價患者治療后的生活質(zhì)量。

4.2 爆破方案優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后的爆破方案在現(xiàn)場選取多個循環(huán)斷面進(jìn)行試驗。

開挖輪廓面的平整度較前期爆破效果有較大的提升，最大點超挖值為56.2cm，平均線超挖22～30cm 左右，拱腳處出現(xiàn)局部欠挖現(xiàn)象。爆破方案優(yōu)化后，隧道爆破開挖成型效果明顯好轉(zhuǎn)，但仍不能滿足現(xiàn)場施工需求，特別是拱部超挖量仍較大。

爆破參數(shù)調(diào)整后增加鉆孔數(shù)量，每個斷面周邊眼數(shù)量增加13個，鉆孔量增加了7%，耗藥量從149.2kg減少4kg，減少了2.9%。炸藥使用量減少較少的情況下增加了較多的鉆孔量。從爆破效果來看，修改優(yōu)化后的爆破開挖方法仍不能完全滿足開挖成型及光面爆破需求。

5 聚能裝藥結(jié)構(gòu)開發(fā)及應(yīng)用

單純的調(diào)整爆破參數(shù)不能取得較好的超欠挖控制效果，針對性開發(fā)了一種新型的聚能裝藥結(jié)構(gòu)并進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

5.1 采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)的方案試驗

將PVC 管加工成圖3，帶有兩個對稱扇形凹槽的異形PVC，可以得到兩個聚能穴結(jié)構(gòu)。將乳化炸藥卷加工成與異形PVC管相匹配的形狀，裝入帶有炸藥聚能穴結(jié)構(gòu)的炸藥外殼中，形成一種帶有雙向聚能穴的裝藥結(jié)構(gòu)。通過PVC連接管，可以方便聯(lián)接在異形炸藥柱的兩個聚能穴旁，再通過數(shù)個PVC導(dǎo)向連接管將數(shù)個異形炸藥柱串接起來，見圖4。

圖3 帶有炸藥聚能穴結(jié)構(gòu)的炸藥藥柱剖面圖

圖4 連接好的帶有炸藥聚能穴結(jié)構(gòu)的間隔裝藥炸藥藥柱示意圖

裝入周邊炮眼后，可以通過PVC 導(dǎo)向連接管方便調(diào)節(jié)間隔炸藥柱單元，使聚能穴位置正對周邊眼連心輪廓線。爆破時可加大周邊眼連心輪廓線方向裂紋的發(fā)展并減少非周邊眼連心輪廓線方向產(chǎn)生的隨機裂紋，減少了非周邊眼連心線位置的圍巖破壞程度，提高周邊炮眼的利用率?？梢赃m當(dāng)增大周邊炮眼間距，減少了周邊眼鉆眼工程量，縮短了工序時間。

5.2 采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗

在周邊眼中采用了帶有雙向聚能穴的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，增強了開挖輪廓線方向裂紋發(fā)展，并減少非開挖輪廓線方向產(chǎn)生的隨機裂紋，減少了非開挖輪廓線位置的圍巖破壞深度，提高周邊眼利用率。采用聚能爆破技術(shù)，周邊眼在原來的基礎(chǔ)上可以減少數(shù)量，增加周邊眼的距離，同時可以減少周邊眼的裝藥量。根據(jù)聚能爆破的原理，針對Ⅳ級圍巖段進(jìn)行了爆破參數(shù)調(diào)整的試驗。

由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)增強了開挖輪廓線方向裂紋發(fā)展，周邊眼采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)后，設(shè)置周邊眼間距60cm、70cm、80cm三種情況，周邊眼裝藥密度0.2kg/m、0.25kg/m、0.3kg/m 三種情況，并靈活使用。在周邊眼間距增大情況下，試驗發(fā)現(xiàn)拱腰部分爆破效果變差，分析原因是在中臺階位置，周邊眼連心線方向與水平巖層層理結(jié)構(gòu)基本垂直，爆破效果減弱，在試驗過程中適當(dāng)減小了中臺階處周邊眼間距。

根據(jù)不同參數(shù)爆破效果對比，針對段家坪隧道水平砂泥巖情況，Ⅳ級圍巖三臺階爆破開挖，參數(shù)宜設(shè)置為：上臺階周邊眼間距70cm，周邊眼裝藥量0.2kg/m；中臺階周邊眼間距60cm，下臺階周邊眼間距70cm，周邊眼裝藥量0.3kg/m，具體參數(shù)詳見表2。

表2 Ⅳ級圍巖優(yōu)化開挖爆破參數(shù)表

此方案總鉆孔數(shù)量為166 個，較初始方案的183個，減少了9.3%；炸藥量較初始爆破方案149.2kg 減少到119.2kg，炸藥使用量減少了16%。

5.3 試驗數(shù)據(jù)分析

按照表2 爆破參數(shù)現(xiàn)場取進(jìn)行多個循環(huán)斷面進(jìn)行了試驗。

從圖5試驗段的典型超欠挖數(shù)據(jù)可以看出，試驗段的超欠挖情況已經(jīng)控制在了一個合理的范圍，除了拱頂局部和右拱腰、右拱腳平均線性超挖達(dá)到了15～20cm左右，其他部位的超欠挖都在10cm左右。

現(xiàn)場試驗爆破后圍巖成型效果很好，炮痕殘存基本完整，清晰可見。

在段家坪水平巖層全斷面鉆爆中，對爆破參數(shù)調(diào)整以及對周邊眼采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)后，通過現(xiàn)場爆破實況圖以及斷面輪廓掃描圖可以看出，水平巖層隧道拱部超挖控制起到了很好的改善，平均線性超挖基本控制在10cm 左右，較初始爆破方案超挖量減少了約60%，聚能裝藥結(jié)構(gòu)試爆效果明顯。

6 結(jié)論

（1）僅通過改進(jìn)爆破開挖方法、調(diào)整爆破參數(shù)并不能從根本上解決水平砂泥巖地層開挖成型問題。

（2）開發(fā)的雙向聚能穴裝藥結(jié)構(gòu)在水平砂巖層隧道爆破開挖中的應(yīng)用效果明顯，平均線性超挖基本控制在10cm 左右，較初始爆破方案超挖量減少了約60%，隧道拱部超欠挖得到有效控制。