張建國(guó)，楊 文，拜曉亮，趙海欽，蔣 歡，李家宏，段 聰，劉振江，王紅云

(中交第二公路工程局有限公司隧道工程公司， 西安 710000)

從20世紀(jì)50年代瑞典學(xué)者Hagthorpe 和 Dahlborg[1]發(fā)明光面爆破技術(shù)以來，經(jīng)多國(guó)專家學(xué)者和技術(shù)人員研究改進(jìn)后已成為鉆爆法隧道開挖掘進(jìn)施工常用的方法。光面爆破開挖中鉆爆參數(shù)選取作為光面爆破施工的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者基于理論模型、工程實(shí)踐開展了大量研究[2-4]。劉殿書等[5]指出，光面爆破中相鄰周邊孔間裂隙的形成及貫通主要是由于應(yīng)力波疊加、爆生高壓氣體準(zhǔn)靜壓力共同作用的結(jié)果。馬芹永[6]根據(jù)周邊孔爆破機(jī)理，推導(dǎo)出光爆層厚度及周邊孔間距的理論計(jì)算方法，為周邊孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。胡紅利等[7]為使光面爆破達(dá)到較為理想的效果，提出在施工中應(yīng)如何合理的選擇周邊孔間距等鉆爆參數(shù)。毛建安[8]通過對(duì)向莆鐵路青云特長(zhǎng)隧道不同圍巖等級(jí)光爆參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為適當(dāng)加密周邊孔、確定合理光爆層厚度、采用小直徑藥卷、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)、保證周邊孔同時(shí)起爆是光爆技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。宗琦等[9]根據(jù)光面爆破理論，提出了空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)軸向不耦合系數(shù)的計(jì)算公式，并在淮南花家湖礦豎井片麻巖段進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，取得了較好的爆破效果。滿軻等[10]對(duì)Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)花崗巖圍巖進(jìn)行了爆破設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，獲得了較為理想的爆破參數(shù)。韓亮等[11]通過有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖?duì)超深豎井不同的光爆參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，根據(jù)模擬結(jié)果確定最佳爆破參數(shù)并進(jìn)行爆破參數(shù)應(yīng)用，結(jié)果表明數(shù)值方法確定爆破參數(shù)更符合實(shí)際情況，根據(jù)爆破經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行爆破作業(yè)適應(yīng)性較差。陳玉等[12]針對(duì)大斷面隧道爆破存在的超欠挖、圍巖損傷嚴(yán)重等問題，依托工程實(shí)例，利用正交方法設(shè)計(jì)了考慮延時(shí)、孔間距、裝藥量、孔徑在內(nèi)的16組隧道Ⅳ級(jí)砂巖段爆破方案，并利用LS-DYNA對(duì)大跨公路隧道穿越砂巖進(jìn)行了模擬，最終篩選出隧道Ⅳ級(jí)砂巖段爆破優(yōu)化方案。

由于工程地質(zhì)復(fù)雜性，在實(shí)際隧道施工難免出現(xiàn)超欠挖問題。因此，根據(jù)具體圍巖條件擬定合適的周邊孔間距，并通過工程試驗(yàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，分析具體圍巖條件下周邊孔間距調(diào)整對(duì)爆破效果的影響，指導(dǎo)工程項(xiàng)目鉆爆法隧道光面爆破開挖施工具有重要意義。本文針對(duì)渝湘復(fù)線巴彭路項(xiàng)目武隆隧道進(jìn)口鉆爆法開挖施工現(xiàn)場(chǎng)工況，確定合適的鉆爆方案，開展了不同周邊孔間距、距輪廓面不同內(nèi)縮距離條件下的爆破試驗(yàn)，采用三維激光掃描儀檢測(cè)超欠挖量并評(píng)估周邊孔間距對(duì)爆破效果的影響。

1 工程概況

渝湘復(fù)線巴彭路項(xiàng)目武隆隧道位于重慶市武隆區(qū)境內(nèi)，隧址區(qū)屬構(gòu)造溶蝕、剝蝕中山地貌區(qū)。武隆隧道為雙向六車道分離式隧道，隧道全長(zhǎng)6 615 m，隧道凈空14.00×5.0 m2，最大埋深為738 m。武隆隧道進(jìn)口右洞光面爆破試驗(yàn)段屬于IV級(jí)圍巖，主要為粉砂質(zhì)頁巖，飽和極限抗壓強(qiáng)度Rc=15.4 MPa，屬于軟巖。襯砌斷面如圖1所示，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道斷面Fig.1 Tunnel section

表1 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2 方案設(shè)計(jì)

在施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及隧道地質(zhì)圍巖勘探，采用工程類比法和現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)確定武隆隧道右洞粉砂質(zhì)頁巖段采用上、下兩臺(tái)階開挖工法，三臂鑿巖臺(tái)車機(jī)械鉆孔，上臺(tái)階開挖斷面面積為93 m2，采用光面爆破技術(shù)進(jìn)行開挖作業(yè)。

目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為：光面爆破技術(shù)主要基于應(yīng)力波與氣體壓力共同作用理論。該理論認(rèn)為周邊孔起爆后，周邊孔應(yīng)力波在炮孔周圍產(chǎn)生一些初始徑向裂縫，隨后，爆炸高壓氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的作用使初始徑向裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)相鄰兩個(gè)周邊孔同時(shí)起爆時(shí)，不論是同時(shí)起爆還是存在不同的起爆時(shí)差，由于應(yīng)力集中，沿炮孔的連心線方向首先出現(xiàn)裂縫，并且也發(fā)展最快。在爆生氣體壓力作用下，由于最長(zhǎng)的徑向裂隙擴(kuò)展所需能量最小，所以該處裂縫將優(yōu)先擴(kuò)展。因此，周邊孔連心線方向也就成了裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的優(yōu)先方向，而其他方向的裂縫發(fā)展甚微，從而保證裂縫連著連心線將巖體裂開，形成光滑平面。根據(jù)光面爆破技術(shù)原理，爆破方案進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

2.1 整體爆破方案

武隆隧道Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階炮孔布置如圖2所示，上臺(tái)階炮孔立面如圖3所示，剖面如圖4所示，整體爆破參數(shù)如表2所示。

圖2 武隆隧道IV級(jí)圍巖上臺(tái)階炮孔布置Fig.2 Layout of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

圖3 武隆隧道IV級(jí)圍巖上臺(tái)階炮孔立面Fig.3 Elevation of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

圖4 武隆隧道IV級(jí)圍巖上臺(tái)階炮孔剖面Fig.4 Section of upper bench blast holes in class IV surrounding rock of Wulong Tunnel

表2 Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階鉆爆參數(shù)

2.2 周邊孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)固定參數(shù)。①不耦合系數(shù)K=d/φ，武隆隧道光面爆破鉆爆法施工中炮孔直徑d=50 mm，藥卷直徑φ=32 mm，不耦合系數(shù)K為1.56；②裝藥集中度q，采用乳化炸藥時(shí)周邊孔裝藥集中度換算值為q=0.08～0.17 kg/m，根據(jù)武隆隧道右洞圍巖條件取q=0.16 kg/m。

2)可調(diào)參數(shù)。①周邊孔間距E，結(jié)合武隆隧道試驗(yàn)段具體圍巖條件，設(shè)計(jì)孔間距E=35、40、45、50、55、60 cm；②開挖輪廓線內(nèi)縮5、8、10 cm。

2.3 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)

武隆隧道右洞光面爆破周邊孔采用空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，施工中使用內(nèi)徑φ=32 mm，長(zhǎng)度為3.2 m的PVC管間隔固定分節(jié)藥卷。裝藥時(shí)提前在PVC管上按50 cm距離等間距切出裝藥卡槽，先將導(dǎo)爆索通長(zhǎng)穿入PVC管中并插入孔底藥卷內(nèi)布設(shè)，然后將切割分節(jié)的藥卷壓入卡槽與導(dǎo)爆索密接，最后整體裝入周邊孔內(nèi)，上臺(tái)階周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 武隆隧道IV級(jí)圍巖上臺(tái)階周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Charging structure of the surrounding holes of the upper bench of the IV surrounding rock of Wulong Tunnel

2.4 爆破器材與起爆網(wǎng)路

武隆隧道爆破采用非電導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行反向起爆，周邊孔采用非電毫秒雷管起爆，導(dǎo)爆索進(jìn)行傳爆。

爆破網(wǎng)路采用孔內(nèi)延時(shí)、孔外簇聯(lián)的方式聯(lián)接。起爆順序?yàn)樘筒劭住o助孔→底板孔→周邊孔，孔內(nèi)延時(shí)利用毫秒雷管跳段起爆，孔外簇聯(lián)每個(gè)聯(lián)結(jié)點(diǎn)安裝2發(fā)同段毫秒雷管保證可靠起爆，起爆網(wǎng)路如圖6所示。

圖6 武隆隧道IV級(jí)圍巖上臺(tái)階起爆網(wǎng)路Fig.6 Firing of npper bench of class IV durrounding rock of Wulong Tunnel

3 爆破試驗(yàn)

3.1 周邊孔間距調(diào)整試驗(yàn)

光面爆破中周邊孔相鄰兩孔炸藥爆炸時(shí)，沿兩炮孔連心線方向受應(yīng)力集中作用首先出現(xiàn)初始徑向裂縫。在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用下，炮孔連心線方向的初始徑向裂縫擴(kuò)展所需能量最小，巖體最易沿連心線裂開。在周邊孔炮孔裝藥量一定的條件下，連心線長(zhǎng)短(即周邊孔間距)影響著貫通裂縫的形成質(zhì)量，即周邊孔間距大小影響光面爆破開挖輪廓面的效果。

施工中根據(jù)鉆爆施工方案鉆爆參數(shù)組織施工。試驗(yàn)時(shí)先取定50 cm周邊孔間距開展爆破試驗(yàn)，分析評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)爆破效果。然后維持其他鉆爆參數(shù)不變，單一調(diào)整周邊孔間距，依次進(jìn)行35、40、45、55、60 cm不同間距的爆破試驗(yàn) ，根據(jù)周邊孔不同間距對(duì)應(yīng)的爆破效果，分析總結(jié)周邊孔間距對(duì)爆破效果試驗(yàn)，不同周邊孔間距開挖輪廓面爆破效果及超欠挖掃描分別如圖7～圖12所示。

圖7 周邊孔50 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.7 On-site blasting effect of 50 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖8 周邊孔35 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.8 On-site blasting effect of 35 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖9 周邊孔40 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.9 On-site blasting effect of 40 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖10 周邊孔45 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.10 On-site blasting effect of 45 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖11 周邊孔55 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.11 On-site blasting effect of 55 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over and under excavation

圖12 周邊孔60 cm開挖輪廓面現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及超欠挖掃描Fig.12 On-site blasting effect of 60 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

綜合以上現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)結(jié)果，不同周邊孔間距下的平均線性超欠挖值如表3所示，周邊孔間距與平均線性超挖關(guān)系如圖13所示。

表3 不同周邊孔間距試驗(yàn)平均線性超欠挖值

圖13 周邊孔間距與平均線性超挖關(guān)系Fig.13 Relationship between peripheral hole spacing and average linear over-excavation

從圖13可以看出：周邊孔間距在35～45 cm范圍時(shí)，開挖輪廓面平均線性超挖在20 cm以上；當(dāng)周邊孔間距超過50～60 cm時(shí)，開挖輪廓面平均線性超挖在20 cm以下，周邊孔間距為60 cm時(shí)，雖然平均線性超挖最小為16.6 cm，但由于周邊孔間距過大，兩炮孔間會(huì)形成楔形體，導(dǎo)致開挖輪廓面局部會(huì)出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象，最大欠挖9.6 cm，影響立架施工。由此可見，在粉砂質(zhì)頁巖條件下兩相鄰周邊孔間距在50～55 cm范圍內(nèi)時(shí)，相鄰周邊孔在應(yīng)力波及爆生氣體的共同作用下易形成貫穿裂縫，實(shí)現(xiàn)“切割”圍巖，形成平順規(guī)整的開挖圍巖面?？紤]鉆孔時(shí)間影響，周邊孔間距較小時(shí)炮孔數(shù)量增加，引起鉆孔作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)。炮孔間距調(diào)大后炮孔數(shù)量減少，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)相縮短，但是周邊孔間距過大時(shí)又會(huì)產(chǎn)生局部欠挖現(xiàn)象，最大欠挖量達(dá)9.6 cm，不符合施工規(guī)范要求。因此，在兼顧效益和效率的前提下，粉砂質(zhì)頁巖條件下兩相鄰周邊孔間距控制在55 cm左右較為合理，既能控制圍巖平均線性超欠挖量，又不會(huì)耗費(fèi)過多作業(yè)時(shí)間。

3.2 周邊孔開孔位置調(diào)整試驗(yàn)

為進(jìn)一步減小隧道超挖量，控制周邊孔間距為55 cm的同時(shí)調(diào)整周邊孔與設(shè)計(jì)輪廓線的距離，分別試驗(yàn)開孔位置沿設(shè)計(jì)開挖輪廓線徑向內(nèi)縮5、8、10 cm時(shí)對(duì)隧道超欠挖影響。作業(yè)工人嚴(yán)格按照放樣點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，其余爆破參數(shù)不發(fā)生改變?，F(xiàn)場(chǎng)效果統(tǒng)計(jì)分析如圖14所示。周邊孔炮孔殘留率90%。采用三維激光掃描儀掃描開挖輪廓面超欠挖情況，結(jié)果顯示：開孔位置內(nèi)縮5 cm時(shí)開挖輪廓面較設(shè)計(jì)斷面平均線性超挖為12.1 cm(見圖15)；開孔位置內(nèi)縮8 cm時(shí)，開挖輪廓面較設(shè)計(jì)斷面平均線性超挖為10.6 cm(見圖16)；開孔位置內(nèi)縮10 cm時(shí)開挖輪廓面較設(shè)計(jì)斷面平均線性超挖為6.86 cm，但是開挖輪廓面左側(cè)存在欠挖現(xiàn)象，最大欠挖量為6.1 cm(見圖17)。

圖15 開孔位置內(nèi)縮5 cm現(xiàn)場(chǎng)掃描Fig.15 On-site scanning of the opening position retracted by 5 cm

圖16 開孔位置內(nèi)縮8 cm現(xiàn)場(chǎng)掃描Fig.16 On-site scan of the opening position retracted by 8 cm

圖17 開孔位置內(nèi)縮10 cm現(xiàn)場(chǎng)掃描Fig.17 On-site scan of the opening position retracted by 10 cm

表4 不同周邊孔間距試驗(yàn)平均線性超欠挖值

圖18 開孔位置內(nèi)縮距離與超挖量關(guān)系Fig.18 Relation between the opening position retracted distance and over excavation

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隧道爆破周邊孔開孔位置沿設(shè)計(jì)開挖輪廓線徑向內(nèi)縮8 cm時(shí)，隧道圍巖超欠挖控制能達(dá)到最好效果。

4 結(jié)論

1)光面爆破鉆爆開挖施工中，相鄰周邊孔間距控制在55 cm時(shí)周邊孔炮孔殘留率93%，能夠取得較好光面爆破效果，超挖現(xiàn)象能得到有效控制。

2)當(dāng)周邊孔間距在35～45 cm之間時(shí)，兩炮孔間更容易形成貫穿裂縫，但炸藥能量集中，導(dǎo)致周邊孔炮孔殘留率較小，開挖輪廓面不平整度較大，平均線性超挖量較大；當(dāng)周邊孔間距為60 cm時(shí)，隧道平均線性超挖最小，但兩炮孔間可能會(huì)形成突出的楔形體，出現(xiàn)局部欠挖現(xiàn)象。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隧道爆破周邊孔開孔位置沿設(shè)計(jì)開挖輪廓線徑向內(nèi)縮8 cm時(shí)，隧道超欠挖控制能達(dá)到最好效果。