胡辰翔

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511466）

0 引言

目前，在隧道的建設(shè)中，鉆爆法是最主要的施工方法。鉆爆法的選擇需要根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析，針對(duì)不同的圍巖等級(jí)選擇設(shè)置合理的爆破參數(shù)，選用適合的爆破器材，完善爆破工藝參數(shù)，進(jìn)而提高隧道施工爆破效果。爆破開(kāi)挖時(shí)，由于鉆孔設(shè)備、火工產(chǎn)品、施工技術(shù)的限制，光爆理論及爆破設(shè)計(jì)方案不合理等因素的疊加影響，可能導(dǎo)致爆破后的成型效果差，出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象。超欠挖會(huì)顯著增加隧道建設(shè)的成本，并嚴(yán)重影響施工安全，因此，對(duì)超欠挖控制措施進(jìn)行研究十分必要。

1 各類型雷管概述

傳統(tǒng)的導(dǎo)爆管雷管依靠燃燒化學(xué)藥劑實(shí)現(xiàn)爆破，其結(jié)構(gòu)原理導(dǎo)致其延期時(shí)間不能任意設(shè)定。由于化學(xué)藥劑燃燒的不可靠性決定了傳統(tǒng)導(dǎo)爆管雷管對(duì)爆破控制的偏差較大，延期時(shí)間可能與爆破要求不相同，會(huì)嚴(yán)重影響隧道爆破成型效果。毫秒延期電雷管一般也是出廠設(shè)定好延期時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)延時(shí)的自由設(shè)定。各類型雷管構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 各類型雷管構(gòu)造示意圖

電子數(shù)碼雷管是在原有電子雷管的基礎(chǔ)上將雷管與電子芯片控制器相結(jié)合的產(chǎn)物，其延期裝置不是采用傳統(tǒng)的延期體，而是采用具有電子延時(shí)功能的專用集成電路芯片控制延時(shí)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)精確延時(shí)，且可以任意設(shè)置延期時(shí)間。在爆破減振方面，從被動(dòng)的錯(cuò)峰減振變?yōu)橹鲃?dòng)的干擾減振，可有效控制雷管對(duì)炸藥的作用過(guò)程及爆破能量的釋放，具有操作便捷、抗外界干擾能力強(qiáng)、爆破效果良好、減震降噪、組網(wǎng)能力強(qiáng)、延期精度高、網(wǎng)路延期時(shí)間可精確設(shè)置、高安全性、起爆網(wǎng)路可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 隧道超欠挖研究現(xiàn)狀

目前隧道施工的主要方法有鉆爆法、盾構(gòu)法和TBM 法，鉆爆法在當(dāng)前隧道施工中占據(jù)約90% 的比例。鉆爆法是通過(guò)鉆孔、裝填炸藥進(jìn)行爆破開(kāi)挖的方法。如圖2 所示，通常將爆破開(kāi)挖后實(shí)際輪廓線位于隧道設(shè)計(jì)輪廓線之外的部分稱為超挖，實(shí)際輪廓線位于隧道設(shè)計(jì)輪廓線之內(nèi)的部分稱為欠挖[1]。衡量爆破好壞的標(biāo)準(zhǔn)主要有：爆破后輪廓成型程度、爆破裂縫是否明顯、超欠挖量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)等。爆破技術(shù)的核心在于選擇合理的延期時(shí)間和利用延期時(shí)間精準(zhǔn)地起爆。隧道超欠挖會(huì)增加隧道掘進(jìn)的開(kāi)挖方量，相應(yīng)的初期噴射混凝土支護(hù)和二次襯砌混凝土回填的工程量也會(huì)增加，同時(shí)增加出渣運(yùn)輸和后續(xù)支護(hù)的施工工序、時(shí)間，欠挖的處理也比較煩瑣，需要重新鉆孔、安裝爆破器材、二次起爆，嚴(yán)重影響施工效率。

圖2 隧道超欠挖示意圖

在改進(jìn)超欠挖方面，孫浩等[2]針對(duì)施工過(guò)程中的爆振速度問(wèn)題，提出優(yōu)化爆破參數(shù)控制超欠挖的重要措施。楊波等[3]系統(tǒng)地分析了造成超欠挖的原因，建議采用光面爆破，按工藝流程施工可控制超挖。于濤等[4]通過(guò)對(duì)爆速進(jìn)行控制，得到良好的整體爆破效果。郝廣偉等針對(duì)較大循環(huán)進(jìn)尺造成的超挖問(wèn)題進(jìn)行研究，得出進(jìn)尺越小超挖越小成型越好的結(jié)論。張旭認(rèn)為引起隧道超欠挖的原因是復(fù)雜的，光面爆破理論及爆破設(shè)計(jì)方案不合理等因素會(huì)影響爆破成型效果。田興朝等[5]對(duì)爆破參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析了布孔參數(shù)對(duì)超挖的影響規(guī)律。郭建等[6]分析造成超欠挖的關(guān)鍵因素，得出精準(zhǔn)爆破技術(shù)和綜合管控措施可降低線性超欠挖的結(jié)論。尹文綱等[7]提出“長(zhǎng)、短眼”布置方案，使得Ⅳ級(jí)圍巖段超欠挖可控。張繼春等[8]認(rèn)為光面爆破可有效地控制圍巖超欠挖及爆破損傷。王雁冰等在井下巖巷掘進(jìn)中引入數(shù)碼電子雷管，增加單循環(huán)進(jìn)尺，減少單循環(huán)時(shí)間，使爆破過(guò)程可控。崔立明等[9]利用電子數(shù)碼雷管延時(shí)精準(zhǔn)可調(diào)的特性，將炮孔劃分成多個(gè)單元，擴(kuò)大了預(yù)裂爆破的應(yīng)用范圍。

目前鉆爆法施工引起隧道工程超欠挖的問(wèn)題可以總結(jié)歸納為以下三點(diǎn)：一是人的因素，即測(cè)量放樣誤差和培訓(xùn)、交底不夠細(xì)致。二是機(jī)械因素，隧道內(nèi)空間受限，鑿巖臺(tái)車機(jī)械臂打眼角度不到位，沒(méi)有按爆破設(shè)計(jì)周邊眼外插角進(jìn)行精確開(kāi)孔。三是爆破參數(shù)不合理，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)沒(méi)有及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的爆破參數(shù)。

3 電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用特點(diǎn)

電子數(shù)碼雷管自2008 年7 月在杭州市錢(qián)塘江引水入城隧道掘進(jìn)爆破工程中首次試用以來(lái)，受到相關(guān)施工企業(yè)的關(guān)注，目前已在淺埋隧道爆破中得到廣泛應(yīng)用，不僅使炮孔利用率達(dá)到98%，而且使爆破振動(dòng)降低了50%～60%，既降低了震速，又改善了爆破效果[10]。電子數(shù)碼雷管的起爆原理是起爆器向每發(fā)雷管下發(fā)延期指令并向每發(fā)雷管充電，雷管接收到起爆指令后自動(dòng)延期倒計(jì)時(shí)，到達(dá)延期時(shí)間后起爆，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)延時(shí)微差爆破。電子數(shù)碼雷管具有以下特點(diǎn)：一是利用延時(shí)微差疊加各相鄰炮孔爆破應(yīng)力波和爆炸氣體膨脹的相互作用，增加對(duì)圍巖剪切和拉伸的破壞效果。二是利用先爆破的掏槽孔為相鄰的后延時(shí)爆破輔助孔制造自由面，一方面增加相鄰炮孔爆破反向拉伸波的作用，另一方面控制周邊眼同時(shí)起爆設(shè)定，引導(dǎo)爆渣運(yùn)動(dòng)方向和軌跡，減少飛石對(duì)隧道開(kāi)挖后方已完成支護(hù)段落的破壞。三是可以降低炸藥單耗，微差爆破與齊發(fā)爆破相比一般可減少炸藥單耗，有利于洞渣的裝運(yùn)。四是微差爆破利用掏槽眼、輔助眼、周邊眼分散于各段的特點(diǎn)精確延時(shí)起爆，爆震強(qiáng)度大為降低，可有效減輕爆震對(duì)周邊環(huán)境的危害。五是可同時(shí)控制多組雷管，實(shí)現(xiàn)全斷面或大跨度斷面的微差爆破作業(yè)，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

4 應(yīng)用效果與不足

以往周邊眼爆破采用雷管代替導(dǎo)爆索的方法會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)問(wèn)題：一是造成現(xiàn)場(chǎng)周邊眼沒(méi)有做到間隔裝藥；二是周邊眼經(jīng)常采用的13 段、15 段雷管達(dá)到±60ms 的誤差，造成周邊眼無(wú)法做到同時(shí)起爆?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)采用電子數(shù)碼雷管可實(shí)現(xiàn)周邊眼同時(shí)起爆。近兩年來(lái)，對(duì)七個(gè)單位幾十個(gè)項(xiàng)目中近百個(gè)采用鉆爆法施工的掌子面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各圍巖平均線性超挖情況如表1 所示。

表1 鉆爆法施工隧道平均線性超挖統(tǒng)計(jì)表 單位：cm

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Ⅲ級(jí)圍巖平均線性超挖值為13.08cm；Ⅳ級(jí)圍巖平均線性超挖值為14.22cm；Ⅴ級(jí)圍巖平均線性超挖值為15.69cm。2022 年度現(xiàn)場(chǎng)超欠挖控制數(shù)據(jù)較2021 年有所下降，除Ⅴ級(jí)圍巖線性超挖值略高于行業(yè)規(guī)范控制要求，其他級(jí)別類型圍巖隧道超挖控制值均在可控范圍內(nèi)，較傳統(tǒng)雷管引爆方式有明顯提升。

當(dāng)前電子數(shù)碼雷管在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中還存在不足，需要進(jìn)一步完善：一是電子數(shù)碼雷管近年來(lái)才全面推廣使用，單發(fā)成本較傳統(tǒng)雷管高3～7 倍，雖然超欠挖處理成本顯著降低，但每循環(huán)爆破器材使用成本明顯上升。二是隧道施工地質(zhì)復(fù)雜多變，鉆孔后常常伴有裂隙水流出，炮孔內(nèi)部環(huán)境潮濕多水。電子數(shù)碼雷管防水性能不足，抗潮濕環(huán)境能力不夠，在軟弱富水段落適用性不強(qiáng)。三是現(xiàn)場(chǎng)布線完成后組網(wǎng)檢測(cè)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)個(gè)別信號(hào)丟失，需要反復(fù)連接確認(rèn)。四是爆破后存在部分盲炮和殘藥，影響開(kāi)挖效果，造成循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前采用鉆爆法施工的隧道不可避免會(huì)出現(xiàn)超欠挖的現(xiàn)象，通過(guò)新材料和新技術(shù)推廣應(yīng)用、優(yōu)化爆破技術(shù)和爆破器材、加強(qiáng)人員培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)施工管理能夠有效地將超欠挖控制在允許范圍內(nèi)。電子數(shù)碼雷管的應(yīng)用能更好地保障隧道施工爆破環(huán)節(jié)的安全，為后續(xù)通風(fēng)、出渣及支護(hù)工序施工創(chuàng)造進(jìn)一步提升效率的可能性，并能在一定程度上降低由于起爆、裝藥及爆破時(shí)差不匹配導(dǎo)致的隧道超欠挖問(wèn)題的出現(xiàn)概率，能夠減少隧道工程施工成本上非必要的投入，確保隧道工程實(shí)體質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。