田興朝，陶鐵軍，婁乾星，劉榮欣，劉春舵，陳 航

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；3.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；4.貴陽(yáng)學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550005)

鉆爆法具有高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)隧道開挖的主要方法，在隧道鉆爆法施工中，超欠挖問(wèn)題一直都是亟待解決卻始終沒有很好解決的技術(shù)難題。超欠挖不僅影響爆破質(zhì)量，還會(huì)增加作業(yè)成本，降低施工進(jìn)度，因此，探明隧道爆破超欠挖的根本原因，提出應(yīng)對(duì)措施，對(duì)隧道高效安全經(jīng)濟(jì)爆破具有重要意義。

超欠挖一直是隧道爆破的研究熱點(diǎn)，大量專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究：郝廣偉等[1]基于蟠龍山隧道工程，開展了不同循環(huán)進(jìn)尺大小的掘進(jìn)爆破試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同循環(huán)進(jìn)尺下隧道超挖值及圍巖成型效果。袁樹成[2]結(jié)合甘河隧道工程中特殊的水平薄層狀巖層易導(dǎo)致超欠挖的特征，提出了將信息化施工與新爆破技術(shù)相結(jié)合的“三組一新”控制超欠挖方法。張運(yùn)良等[3]對(duì)周邊孔的外插角、裝藥參數(shù)、內(nèi)移距離及裝藥結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，減少了水平層狀圍巖光面爆破造成的超欠挖。楊玉銀等[4]提出從施工技術(shù)、爆破技術(shù)等方面減小超挖的方法，得出了控制單循環(huán)進(jìn)尺可有效減少超挖的結(jié)論。王海亮等[5]提出的周邊孔采用“長(zhǎng)短眼”布孔方式，克服了鋼拱架對(duì)周邊孔鉆鑿的限制，有效控制了超欠挖，同時(shí)降低了周邊孔的爆破振動(dòng)。鄧顯平[6]提出“在影響隧道超欠挖的諸因素中，鉆孔精度和爆破技術(shù)對(duì)超欠挖的影響最大，分別為44. 2%和20. 3% ”。馮海暴等[7]以九瑞高速隧道建設(shè)為工程背景開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了影響超欠挖和造價(jià)耗費(fèi)的主要因素，表明鉆孔偏差是造成超欠挖的主要原因。張運(yùn)良等[8]以大林隧道為背景分析了影響光面爆破效果的主要因素, 總結(jié)了一套水平層狀圍巖光面爆破的施工技術(shù)。王承山[9]闡述了鉆爆法隧道開挖時(shí)超欠挖產(chǎn)生的原因, 提出了強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)施工管理是減少超欠挖的根本措施。劉冬等[10]分析了影響隧道超欠挖產(chǎn)生的主要因素，并從提高周邊孔鉆孔精度和測(cè)量放線精度、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理等角度提出了一些控制措施。

上述研究對(duì)隧道爆破超欠挖的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了應(yīng)對(duì)策略，成果頗豐，但似乎都停留在理論層面，鮮有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)炮孔布設(shè)的實(shí)地測(cè)量，周邊孔實(shí)測(cè)傾斜角度對(duì)超欠挖影響規(guī)律以及影響機(jī)理未見相關(guān)報(bào)道。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，以貴州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道為工程依托，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，討論了當(dāng)前爆破工藝下導(dǎo)致隧道超欠挖的主要原因，并提出了應(yīng)對(duì)措施，為現(xiàn)場(chǎng)爆破施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

白竹山隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，右幅隧道長(zhǎng)4 404 m，最大埋深323 m，左幅隧道長(zhǎng)4 358 m，最大埋深318 m，隧道左右幅測(cè)設(shè)線間距為16～41 m。數(shù)據(jù)采集段為左幅隧道ZK19+984～ZK19+954區(qū)段，圍巖為中風(fēng)化薄～中厚層狀凝灰質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)受震動(dòng)易產(chǎn)生松動(dòng)變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現(xiàn)象。本段巖體Kv=0.58，[BQ]=290，按Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行襯砌支護(hù)。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破進(jìn)行了9個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集，超欠挖情況如表1所示，現(xiàn)場(chǎng)爆破基本都為超挖，基本無(wú)欠挖，超挖平均值在20 cm以上，最大超挖平均值為51.8 cm，最大超挖值為91.9 cm，遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范[11]規(guī)定的最大允許超挖值150 mm，超挖嚴(yán)重，且每循環(huán)爆破由于超挖增加的混凝土成本約為2萬(wàn)元，嚴(yán)重增加了施工成本。因此，迫切需要分析導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)爆破超欠挖嚴(yán)重的原因，提出應(yīng)對(duì)措施，改善爆破效果，降低超挖。

表1 超欠挖情況統(tǒng)計(jì)

2 超欠挖產(chǎn)生的原因分析

鄧顯平[6]、馮海暴等[7]經(jīng)過(guò)對(duì)隧道拱部超挖因素的分析，認(rèn)為造成隧道爆破超挖的主要因素有6個(gè)，即裝藥量與鉆孔精度、孔網(wǎng)布設(shè)、施工管理、測(cè)量放線、地質(zhì)變化以及其他因素，如圖2所示，其中裝藥量與鉆孔精度、爆破技術(shù)、施工管理分別占比44.2%、20.3%、17.7%，對(duì)隧道爆破超欠挖的影響最大，現(xiàn)對(duì)以上3因素對(duì)超欠挖的影響規(guī)律做進(jìn)一步分析。

圖1 超欠挖影響因素統(tǒng)計(jì)分析[6]

根據(jù)9次數(shù)據(jù)采集資料，每循環(huán)所采用的爆破技術(shù)基本相同，現(xiàn)場(chǎng)爆破人員都是持證上崗，并有爆破專家對(duì)爆破人員進(jìn)行培訓(xùn)，且每循環(huán)上臺(tái)階爆破均為同一班工人開展，但超挖值卻有較大變化，說(shuō)明孔網(wǎng)布設(shè)及施工管理不是導(dǎo)致白竹山隧道超挖嚴(yán)重的主要原因。

3 裝藥量及鉆孔角度對(duì)超欠挖影響規(guī)律

雖然每循環(huán)爆破均為同一班工人開展，但現(xiàn)場(chǎng)并未進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)驗(yàn)工作，如打孔位置、鉆孔角度以及單孔裝藥量等，本文在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的9次爆破參數(shù)采集中，均對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)采集。

3.1 裝藥量對(duì)超欠挖影響規(guī)律

對(duì)每個(gè)炮孔的裝藥量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如表2所示。每個(gè)炮孔的裝藥量都是固定的，但超挖值卻有較大變化，說(shuō)明裝藥量不是導(dǎo)致白竹山隧道超挖嚴(yán)重的主要原因。

表2 炮孔裝藥量統(tǒng)計(jì)

3.2 周邊孔孔口位置對(duì)超欠挖影響規(guī)律

以6～9次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)為例，對(duì)周邊孔孔口布設(shè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，將周邊孔孔口布設(shè)輪廓線與超欠挖輪廓線進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在進(jìn)行周邊孔鉆孔時(shí)，往往以上一循環(huán)初支混凝土表面為參照，初支混凝土表面的凹凸不平以及人工鉆孔時(shí)的不可控因素，使得周邊孔孔口位置布設(shè)不整齊，距離隧道輪廓線的距離不統(tǒng)一，同時(shí)周邊孔的間距不均勻。由圖2b)分析可知，周邊孔孔口位置不是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因，然而，由h=a+tanθ(h為隧道超欠挖，a周邊孔開口位置，θ為周邊孔外斜角度)可知，周邊孔開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

圖2 周邊孔孔口布設(shè)輪廓線與超欠挖輪廓線

3.3 鉆孔角度對(duì)超欠挖影響規(guī)律

1)鉆孔角度對(duì)超欠挖的影響規(guī)律。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于受到開挖臺(tái)車結(jié)構(gòu)構(gòu)造、鉆孔設(shè)備以及技術(shù)人員作業(yè)空間的制約，使得周邊孔鉆孔時(shí)都會(huì)向外傾斜一定角度，當(dāng)外斜角度過(guò)大，周邊孔爆破時(shí)將會(huì)對(duì)保留巖體產(chǎn)生類似楔形掏槽孔的作用效應(yīng)，如圖3所示，保留巖體損傷嚴(yán)重。

圖3 周邊孔三維模型

鉆孔完成后，對(duì)每個(gè)周邊孔的角度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，定義周邊孔的傾斜角度為90°與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量角度的差值，正值代表周邊孔外斜，負(fù)值代表周邊孔內(nèi)斜。限于篇幅，此處僅對(duì)第7、8、9次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示(注：個(gè)別炮孔為淺孔裝藥，未進(jìn)行角度測(cè)量，導(dǎo)致周邊孔傾斜角度曲線不連續(xù))。由圖可知，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內(nèi)斜角度的增大，超挖值逐漸減小，說(shuō)明周邊孔的傾斜角度是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因。

圖4 超欠挖與周邊孔傾斜角度關(guān)系

2)鉆孔角度導(dǎo)致超挖原因分析?，F(xiàn)場(chǎng)圍巖為層狀板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，在應(yīng)力波與爆生氣體共同作用下，巖體易脫落，造成超挖。

粉碎區(qū)半徑可按下式進(jìn)行計(jì)算[12]：

(1)

式中：R0為粉碎區(qū)半徑；rb為炮孔半徑；ρ0為炸藥密度；ρm為巖石密度；D為炸藥爆速；Cp為巖石縱波波速；K為不耦合裝藥系數(shù)。

選用2號(hào)巖石乳化炸藥進(jìn)行計(jì)算，密度ρ0=1.24 g/cm3，爆速D=4 200 m/s，炮孔半徑rb=2.1 cm，依據(jù)式(1)進(jìn)行粉碎區(qū)半徑計(jì)算，炮孔直徑為42 mm，藥卷直徑為32 mm，不耦合裝藥系數(shù)K=1.30，計(jì)算得出粉碎區(qū)半徑R0=2.02 cm。

裂隙區(qū)半徑可按下式進(jìn)行計(jì)算[13]：

(2)

式中：RL為裂隙區(qū)半徑；σtd為巖石抗拉強(qiáng)度；D*為損傷因子；λ為側(cè)壓力系數(shù)，λ=μd/(1-μd)，μd為巖石的動(dòng)態(tài)泊松比，μd=0.8μ；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)，α=1-λ。

(3)

現(xiàn)場(chǎng)板巖的抗拉強(qiáng)度σtd=10.3 MPa，泊松比μ=0.22，可得A=5.16，α=1.78，不同不耦合裝藥系數(shù)條件下，裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系如圖5所示。

圖5 裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系

由圖5可知，不同不耦合裝藥系數(shù)條件下，裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系的變化規(guī)律基本相同，隨著損傷因子的逐漸增加，裂隙區(qū)半徑逐漸增大，當(dāng)損傷因子達(dá)到0.5時(shí)，裂隙區(qū)半徑達(dá)到極值，損傷因子繼續(xù)增加時(shí)，裂隙區(qū)半徑逐漸減小，這是由于隨著損傷因子的增大，巖石中的裂隙不斷增多，裂隙的發(fā)育消耗了應(yīng)力波的大部分能量，因此裂隙區(qū)半徑會(huì)逐漸減小。本文現(xiàn)場(chǎng)爆破的不耦合裝藥系數(shù)K=1.30，取損傷因子D*=0.5，計(jì)算得出裂隙區(qū)半徑RL=78.93 cm。

分析周邊孔傾斜角度造成超欠挖的原因：由圖5可知，現(xiàn)場(chǎng)板巖爆破時(shí)產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑RL為78.93 cm，每個(gè)周邊孔爆破都將產(chǎn)生一個(gè)類似圓柱體的裂隙損傷區(qū)域，此裂隙損傷區(qū)域以周邊孔底部中心為圓心，半徑為裂隙區(qū)半徑RL，高為裝藥長(zhǎng)度，如圖6所示。ZK19+984～ZK19+954數(shù)據(jù)采集區(qū)段，圍巖為中風(fēng)化薄～中厚層狀凝灰質(zhì)板巖，Rc=25 MPa，屬于較軟巖，Kv=0.58，[BQ]=290，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)受震動(dòng)易產(chǎn)生松動(dòng)變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現(xiàn)象。依據(jù)此區(qū)段板巖性質(zhì)，輔助孔爆破為周邊孔爆破提供了臨空面，同時(shí)對(duì)周邊圍巖產(chǎn)生了“卸載”作用，裂隙的發(fā)育使本來(lái)破碎的板巖更加不穩(wěn)定，周邊巖體在爆破振動(dòng)作用、自重應(yīng)力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，形成超挖區(qū)域。

圖6 周邊孔爆破形成的裂隙損傷區(qū)域

4 應(yīng)對(duì)措施

由上述分析可知，周邊孔的布設(shè)對(duì)隧道超欠挖的影響較大，合理的周邊孔布設(shè)參數(shù)能夠較好的控制超欠挖。

1)周邊孔孔口布設(shè)在距離設(shè)計(jì)輪廓線15 cm位置，與輔助孔的間距控制在60 cm，周邊孔間距為50 cm，孔深控制在3.5 m，確保布孔整齊均勻。

2)為了控制超欠挖，同時(shí)便于鉆孔操作，在開挖臺(tái)車上安裝鉆孔定位裝置，使周邊孔控制在以3°的斜率向斷面外傾斜。

3)周邊孔采用不耦合裝藥和空氣間隔裝藥，裝藥量為4條/孔，確保炸藥爆炸時(shí)能量在巖體中均勻分布，如圖7所示。

圖7 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)

爆破參數(shù)優(yōu)化后，超挖厚度控制在15 cm以內(nèi)，噴混超耗率控制在90%以內(nèi)，超欠挖控制效果較好，如圖8所示。

圖8 參數(shù)優(yōu)化后的爆破效果

5 結(jié)語(yǔ)

1)周邊孔的外斜角度過(guò)大是造成白竹山隧道爆破超挖嚴(yán)重的主要原因，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內(nèi)斜角度的增大，超挖值逐漸減小，周邊孔孔口位置雖然對(duì)超欠挖的影響較小，但其開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

2)不耦合裝藥系數(shù)為1.30時(shí)，2號(hào)巖石乳化炸藥在板巖中爆破形成的粉碎區(qū)半徑為2.02 cm，裂隙區(qū)半徑為78.93 cm，周邊孔爆破時(shí)會(huì)形成一個(gè)類似圓柱體的裂隙損傷區(qū)域，周邊巖體在爆破振動(dòng)作用、自重應(yīng)力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，周邊孔的外斜角度越大，超挖越嚴(yán)重。

3)白竹山隧道爆破降低超挖量的核心是嚴(yán)格控制周邊孔的外斜角度，將周邊孔孔口布設(shè)在距離設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)15 cm位置，在開挖臺(tái)車上安裝鉆孔定位裝置，以≤3°的斜率向斷面外傾斜，能夠?qū)⒊诤穸瓤刂圃?5 cm以內(nèi)，爆破效果較好。