馮 暢 ,吳室諭 ,袁正兵

(1.重慶渝湘復(fù)線高速公路有限公司,重慶 401121;2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019)

由于我國多山的地理環(huán)境以及日益增長的公路運(yùn)輸需求,大斷面隧道逐漸受到關(guān)注[1]。大斷面隧道工程存在施工步驟多、圍巖擾動(dòng)大、自穩(wěn)能力差、施工風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)難題[2-3],其爆破開挖易造成軟弱圍巖的失穩(wěn)、變形,使得開挖斷面偏離預(yù)想隧道輪廓,引起較大的超欠挖[4],影響施工進(jìn)度,增加工程建設(shè)成本。因此,探究能有效控制超欠挖的爆破技術(shù)是大斷面隧道工程的技術(shù)關(guān)鍵。

光面爆破通過分區(qū)分段式微差爆破[5],輔以合理設(shè)置爆破參數(shù),依靠不同爆孔連心線上形成的平整斷裂面有效地控制超欠挖[6],限制圍巖的爆破損傷區(qū)[7]。針對不同的地質(zhì)條件,Zou 等[8]研究了影響光面爆破質(zhì)量的各項(xiàng)因素,發(fā)現(xiàn)裝藥濃度和爆速是重要性僅次于圍巖性質(zhì)的因素;Wang 等[9]認(rèn)為對于完整和碎裂的巖體結(jié)構(gòu),需重點(diǎn)考慮周邊孔的間距。張運(yùn)良等[10]通過爆炸應(yīng)力波的傳播及爆生氣體的楔入研究了軟弱夾層對光面爆破效果的影響機(jī)理。丁祥[11]針對互層巖體對光面爆破的周邊眼炮孔布置進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化有利于隧道輪廓的平整化和超挖的減少。

為解決普通爆破產(chǎn)生的巖體破碎嚴(yán)重、超挖量大、經(jīng)濟(jì)效益低等技術(shù)問題,本文以武隆隧道、白馬山2 號(hào)隧道的開挖為例,優(yōu)化施工流程和爆破參數(shù),明確了光面爆破后的超挖超耗改善效果及經(jīng)濟(jì)效益,助力大斷面軟弱圍巖隧道的高效、安全施工。

1 工程概況

渝湘高速公路復(fù)線(巴南至彭水段)項(xiàng)目位于重慶市武隆區(qū),其中武隆隧道、白馬山2 號(hào)隧道所處位置為喀斯特地貌,武隆隧道洞身圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖,巖性為粉砂質(zhì)頁巖;白馬山2 號(hào)隧道洞身圍巖也為Ⅳ級(jí)圍巖,巖質(zhì)為頁巖,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa;采用上下臺(tái)階鉆爆法施工,其中上臺(tái)階90.78 m2,下臺(tái)階54.24 m2,故屬于大斷面隧道。

武隆隧道的數(shù)據(jù)采集段為ZK115+868.38～ZK115+869.78 區(qū)段,白馬山2 號(hào)隧道的數(shù)據(jù)采集段為ZK102+537～ZK102+558 區(qū)段。武隆隧道進(jìn)口左右洞累計(jì)開挖1 773/1 968 m,武隆隧道出口左右洞累計(jì)開挖1 932.2/1 915.4 m;白云山隧道進(jìn)口左右洞累計(jì)開挖2 384/2 371 m,出口左右洞累計(jì)開挖1 768.4/1 938 m。由于圍巖整體穩(wěn)定性差,傳統(tǒng)的爆破方法多依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和類比方法設(shè)置爆破炮孔參數(shù),開挖輪廓線不理想,超欠挖控制較差。渝湘高速公路復(fù)線項(xiàng)目隧道占比高,噴射混凝土和二襯混凝土用量直接影響施工效率和施工成本,因此鉆爆法隧道超欠挖及噴射混凝土超耗是現(xiàn)階段爆破技術(shù)人員努力解決的問題。

2 光面爆破方案

2.1 爆破流程與參數(shù)設(shè)計(jì)

為解決超欠挖、混凝土超耗等問題,在武隆隧道、白馬山2 號(hào)隧道施工過程中,除鉆孔時(shí)分別采用三臂鑿巖臺(tái)車和手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)外,其余工序均相同。光面爆破施工流程如圖1 所示。

圖1 光面爆破施工流程

實(shí)現(xiàn)光面爆破的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)爆破參數(shù),包括設(shè)置適當(dāng)?shù)呐谘劭咨睢⑴诳组g距以及最小抵抗線、炸藥用量、裝藥線密度和起爆順序等。光面爆破設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 光面爆破設(shè)計(jì)流程

武隆隧道洞身為Ⅳ級(jí)圍巖,采用機(jī)械鉆爆,該處巖性為粉砂質(zhì)頁巖,開挖時(shí)每循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺控制為2 m。炸藥單耗為0.72 kg/m3,炸藥用量為65.4 kg/m。周邊眼孔深為2 m,間距為50 cm,最小抵抗線為70 cm;輔助眼孔深為2 m;采用斜眼掏槽,孔深為2.3 m。采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔,人工配合裝藥。周邊眼連線采用毫秒雷管引爆、導(dǎo)爆索傳爆。

白馬山2 號(hào)隧道試驗(yàn)段采用人工鉆孔,隧道洞身為Ⅳ級(jí)圍巖,巖質(zhì)為頁巖,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa,鉆爆時(shí)設(shè)拱架間距為1 m,每循環(huán)進(jìn)尺為2 m,炸藥單耗為0.675 kg/m3,炸藥用量為61.5 kg/m。周邊眼孔深為2 m,間距為55 cm,最小抵抗線為65 cm;輔助眼孔深為2 m;采用斜眼掏槽,孔深為2.3 m。采用手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)人工鉆孔施爆,周邊眼連線采用毫秒雷管引爆、導(dǎo)爆索傳爆。

2.2 爆破實(shí)施

2.2.1 測量放樣

鉆孔前由測量人員進(jìn)行開挖輪廓線布設(shè),作業(yè)面用紅油漆標(biāo)記出周邊眼、內(nèi)圈眼線及斷面中心線。采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔時(shí),采用全站儀后視對點(diǎn),全站儀數(shù)據(jù)與鑿巖臺(tái)車電腦通過藍(lán)牙傳輸,保證鉆孔深度及角度,現(xiàn)場測量放樣如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場測量放樣

2.2.2 鉆孔

爆破前鉆孔如圖4 所示。如圖4(a)所示,采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔時(shí),鑿巖臺(tái)車就位調(diào)平后,安裝高壓水管、供電線纜,按照爆破參數(shù)進(jìn)行鉆孔。武隆隧道進(jìn)口右洞周邊眼間距為50 cm,圍巖光爆層厚度為70 cm,掏槽眼角度控制在60°,掏槽眼比輔助眼深10～30 cm。如圖4(b)所示,采用人工鉆孔時(shí),安裝高壓風(fēng)水管,采用手持式鑿巖機(jī)根據(jù)測量人員定位的點(diǎn)進(jìn)行鉆孔。周邊眼外插角按照3°控制,打設(shè)深度2 m,掏槽眼角度控制在60°,掏槽眼比輔助眼深30 cm,鉆眼時(shí)遵循準(zhǔn)、平、直的要求。

圖4 爆破前鉆孔

2.2.3 裝藥

裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。兩個(gè)試驗(yàn)隧道均進(jìn)行人工裝藥,根據(jù)孔深將PVC(聚氯乙烯)塑料管按55 cm 的間距均勻割槽,將炸藥平均分成4 小節(jié),裝藥時(shí)將導(dǎo)爆索先穿入PVC 管內(nèi)與管頭第1 小節(jié)炸藥連接,然后依次將炸藥按入割好的卡槽內(nèi),孔口處預(yù)留約70 cm 的導(dǎo)爆索進(jìn)行連接,連接前進(jìn)行孔口封堵,導(dǎo)爆索采用T 形結(jié)在孔口處連接,孔間導(dǎo)爆索緊貼巖面。炮孔封堵采用炮泥或炸藥箱浸水堵塞,遵循先堵孔、后連線的原則。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)示意

2.2.4 連接起爆

雷管段別,特別是周邊眼之間的微差時(shí)間應(yīng)適當(dāng)拉開,保持在75～100 ms,周邊眼采用5 發(fā)15 段雷管,拱頂、兩側(cè)拱腰和兩側(cè)拱腳位置各一發(fā),其余從掏槽至第一圈輔助依次由1 段至13 段布置。雷管安裝現(xiàn)場如圖6 所示。

圖6 雷管安裝現(xiàn)場

3 光面爆破成效與機(jī)理分析

3.1 隧道超挖分布特征

隧道爆破完成后,采用三維激光掃描儀對開挖輪廓進(jìn)行斷面掃描。光面爆破后的隧道巖體表面如圖7 所示。由圖7 可知,光面爆破后,隧道開挖巖體呈現(xiàn)光滑平整的巖壁,巖壁上具有清晰的孔跡,圍巖的連續(xù)性和完整性較好,未發(fā)生明顯的擾動(dòng),巖體的穩(wěn)定性較好,施工安全性較高。

圖7 光面爆破后的隧道巖體表面

機(jī)械鉆孔光面爆破前后的隧道超挖分布如圖8 所示?？傮w來說,隧道上臺(tái)階爆破后的幾何形狀與預(yù)想輪廓存在偏差。普通爆破方式下,隧道開挖輪廓分布不均勻,在隧道拱頂和側(cè)壁處會(huì)發(fā)生較大的超挖,而拱腳處的超挖較小。采用光面爆破后,開挖輪廓與預(yù)想隧道輪廓貼合緊密,超挖值沿隧道環(huán)向分布均勻,在拱頂附近出現(xiàn)最大超挖,除拱頂處有較大的超挖外,其他部位的超挖值均較小。

圖8 機(jī)械鉆孔光面爆破前后的隧道超挖分布

人工鉆孔光面爆破前后的隧道超挖分布如圖9 所示。與機(jī)械鉆孔相比,經(jīng)人工鉆孔爆破的隧道輪廓與預(yù)想隧道輪廓更加貼近,超挖更小,可見人工鉆孔對超挖的控制效果更好。人工鉆孔光面爆破前的最大超挖位于隧道左側(cè)拱肩,拱右側(cè)超挖普遍較小;光面爆破后,最大超挖位于隧道右側(cè)拱肩,其他部位的超挖均較小。

圖9 人工鉆孔光面爆破前后的隧道超挖分布

對比光面爆破前后的隧道超挖分布,可以發(fā)現(xiàn)采用光面爆破后隧道的超挖明顯減小,尤其是隧道兩側(cè)的開挖輪廓與預(yù)想輪廓最為貼近,可見光面爆破能顯著控制隧道兩側(cè)拱肩的超挖量。值得注意的是,光面爆破后的拱頂處仍有較大的超挖,但光面爆破使較大超挖值分布的范圍明顯縮小。因此,除了需額外注意少許超挖點(diǎn)位,光面爆破對隧道整體輪廓的超挖控制成效顯著。

3.2 爆破作用機(jī)理

光面爆破后,炸藥引爆的瞬間會(huì)產(chǎn)生爆炸應(yīng)力波,作用在巖壁上形成破碎區(qū)。應(yīng)力波包括壓縮應(yīng)力波和拉伸應(yīng)力波,其中壓縮波比拉伸波速度更快[12]。一部分應(yīng)力波繼續(xù)向前傳播,但其爆沖能力降低,后續(xù)巖體的破壞程度較小,只有微小的裂縫產(chǎn)生。與此同時(shí),爆孔中會(huì)產(chǎn)生較多高溫高壓的爆轟氣體,單孔爆破的裂紋擴(kuò)展機(jī)理如圖10 所示。與爆炸應(yīng)力波不同,爆轟氣體在爆孔周圍緩慢擴(kuò)張,并楔入由爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生的巖石微裂紋中,形成空氣楔效應(yīng),促進(jìn)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。巖石的斷裂韌性因其各向異性而變化,因此,在爆轟氣體的作用下,裂紋優(yōu)先沿巖體薄弱部分?jǐn)U展,最終形成若干宏觀主裂紋。

圖10 單孔爆破的裂紋擴(kuò)展機(jī)理

為簡化分析實(shí)際光面爆破中多個(gè)炮眼的相互作用,討論雙炮眼間的裂紋及應(yīng)力波相互作用機(jī)理,繪制相鄰雙孔爆破的裂紋擴(kuò)展機(jī)理如圖11 所示。爆破后,爆炸應(yīng)力波在尚未到達(dá)相鄰炮眼產(chǎn)生的裂縫時(shí),與單孔爆破情況相同;由于壓力波速度較快,先于拉伸波到達(dá)裂紋尖端,在一定程度上抑制了相鄰裂紋的擴(kuò)展[13];隨后拉伸波與裂紋共同促進(jìn)裂紋沿炮眼線方向擴(kuò)展,而其他方向上的裂紋由于爆炸性氣體的傳播而被間接截?cái)嗪蜏p緩。由于應(yīng)力波傳播的瞬時(shí)性,其速度遠(yuǎn)大于裂縫發(fā)展速度,因此,在應(yīng)力波作用于爆破孔壁之前,爆破孔壁中的裂縫發(fā)育尚不完全,壓縮應(yīng)力波迅速抑制相鄰炮孔的裂縫,使周圍分支裂紋的數(shù)量比單孔炮眼少許多,且裂紋更短,但與相鄰炮孔的裂縫形成貫通主裂縫,最終該區(qū)域的巖體破碎裂解,形成了平整的斷裂面[14]。

圖11 相鄰雙孔爆破的裂紋擴(kuò)展機(jī)理

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

光面爆破前后的超挖對比如圖12 所示。由圖12 可知,通過機(jī)械鉆孔后的光面爆破技術(shù),最大超挖由50.4 cm 降至49.4 cm,降幅較小,僅為1.98%;但隧道斷面的平均超挖由30.3 cm 銳減至17.9 cm,降幅達(dá)40.92%。另外,采用人工鉆孔后的光面爆破技術(shù),最大超挖由34 cm 降低至32.6 cm,降幅為4.12%;隧道斷面的平均超挖由13 cm 降低至10.2 cm,降幅為21.54%,降幅相對較大。因此,無論是機(jī)械鉆孔還是人工鉆孔,雖然爆破過程中存在較大的超挖,但采用光面爆破技術(shù)均能顯著降低隧道斷面的平均超挖,提高施工過程中超挖控制的整體質(zhì)量。

圖12 光面爆破前后的超挖對比

光面爆破前后的超耗率、超挖面積對比如圖13 所示。由圖13 可知,采用機(jī)械鉆孔后的光面爆破技術(shù)與未采用光面爆破技術(shù)時(shí)相比,可使超挖面積由7.1m2減小到4.1m2,減小了42.25%;噴射混凝土的超耗率由129%降低至114%,降低了11.63%。此外,當(dāng)采用人工鉆孔進(jìn)行光面爆破后,超挖面積由13.7 m2減小到2.9 m2,減小了78.83%;噴射混凝土的超耗率由166.76%降低至120.36%,降低了27.82%。由此可見,人工鉆孔較之機(jī)械鉆孔,能更大幅度地減小超挖面積降低超耗率,更大程度地節(jié)省工程材料的消耗。另外,無論是機(jī)械鉆孔還是人工鉆孔,采用光面爆破技術(shù)均能大幅減小超挖面積降低噴射混凝土的超耗率。

圖13 光面爆破前后的超耗率、超挖面積對比

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

進(jìn)一步分析光面爆破的經(jīng)濟(jì)效益,機(jī)械鉆爆成本如表1 所示。由表1 可知,當(dāng)采用機(jī)械鉆爆時(shí),光面爆破雖然會(huì)增加導(dǎo)爆索和PVC 管的消耗,但能顯著降低噴射混凝土和雷管的消耗支出,且減少的耗材成本均較高。通過光面爆破,隧道每延米的開挖成本比未使用光面爆破時(shí)節(jié)約了約900 元。

表1 機(jī)械鉆爆成本

人工鉆爆成本如表2 所示。由表2 可知,當(dāng)采用人工鉆爆時(shí),雖然會(huì)增加導(dǎo)爆索的每延米用量,但噴射混凝土、炸藥和雷管的用量均顯著減少,使用光面爆破每延米的開挖成本比未使用光面爆破時(shí)節(jié)約了約1 266 元。綜上所述,采用光面爆破能使工程造價(jià)大幅降低,提高經(jīng)濟(jì)效益。

表2 人工鉆爆成本

4 結(jié)論

(1) 采用光面爆破技術(shù)后,開挖巖體呈連續(xù)性和完整性較好的平整巖壁,施工安全性高;隧道開挖輪廓與預(yù)想輪廓貼近程度高,超挖顯著降低;縮小了具有較大超挖值的分布范圍,超挖控制效果顯著。

(2) 光面爆破產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波對相鄰炮孔的裂縫具有抑制作用,使得多孔爆破后相鄰炮孔間形成貫通主裂縫,直至衍化為平整的斷裂面,且周圍形成數(shù)量少、長度短的分支裂紋,宏觀上光面爆破呈現(xiàn)光滑平整的巖壁。

(3) 無論是采用機(jī)械鉆孔還是采用人工鉆孔,光面爆破技術(shù)均能顯著降低隧道斷面的平均超挖,提高了隧道施工過程中超挖控制的整體質(zhì)量。

(4) 與未采用光面爆破技術(shù)時(shí)相比,無論是機(jī)械鉆孔還是人工鉆孔,采用光面爆破技術(shù)均能大幅減小超挖面積和降低噴射混凝土的超耗率,降幅分別為11.63%和27.82%。

(5) 應(yīng)用機(jī)械鉆孔時(shí),光面爆破的每延米開挖成本比未使用光面爆破時(shí)節(jié)約了約900 元;采用人工鉆孔時(shí),使用光面爆破的每延米開挖成本比未使用光面爆破時(shí)節(jié)約了約1 266 元。綜上,光面爆破能使工程造價(jià)大幅降低,提高經(jīng)濟(jì)效益。