張寶林

摘? 要：光面爆破技術(shù)作為一種有效的爆破控制技術(shù)，對(duì)施工質(zhì)量、超欠挖及成本控制至關(guān)重要，但是在山嶺隧道中經(jīng)常遇到地下水、巖爆等地質(zhì)情況，給光面爆破施工帶來(lái)不便。該文針對(duì)該種情況以溫泉隧道為背景，從爆破原理、光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、光爆后效果等幾個(gè)方面進(jìn)行探討，得出合理的施工設(shè)計(jì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出合理的施工控制技術(shù)，為后續(xù)隧道鉆爆設(shè)計(jì)提供參考及優(yōu)化輔助和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光面爆破；山嶺隧道；爆破設(shè)計(jì)；爆破效果；控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0189-04

Abstract： As an effective blasting control technology， smooth blasting technology is very important for construction quality， over-underexcavation and cost control， but geological conditions such as groundwater and rockburst are often encountered in mountain tunnels， which brings inconvenience to smooth blasting construction. In view of this situation， this paper takes the hot spring tunnel as the background， discusses the blasting principle， the parameter design of smooth blasting and the effect after smooth blasting， and obtains the reasonable construction design parameters. Finally， this paper puts forward the reasonable construction control technology on this basis， so as to provide reference and optimization assistance and basis for follow-up tunnel drilling and blasting design.

Keywords： smooth blasting; mountain tunnel; blasting design; blasting effect; control technology

在隧道掘進(jìn)爆破施工過(guò)程中，常常發(fā)生爆破后得到的隧道輪廓凹凸不平，甚至嚴(yán)重的超欠挖現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)施工及工程進(jìn)度造成很大影響。這種現(xiàn)象長(zhǎng)久以來(lái)一直困擾著相關(guān)研究人員及現(xiàn)場(chǎng)施工人員，往往影響隧道施工的整體進(jìn)度，加大工作量，容易延緩?fù)旯?，還給后續(xù)施工（出渣、打孔等）造成了極大的影響，因此研究人員對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。羅志光等[1]以江羅高速公路為背景工程進(jìn)行研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)周邊眼的裝藥方式進(jìn)行了深入探討，提出了一種將水、空氣、乳化炸藥3種材料進(jìn)行合理裝填的爆破技術(shù)，對(duì)隧道光面爆破施工具有一定的使用價(jià)值。周亦玲等[2]針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖采用聚能水壓光面爆破技術(shù)，能更有效地控制超欠挖，降低成本、加快施工進(jìn)度。楊大喜[3]針對(duì)光面爆破技術(shù)所包含的一系列概念、優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，從而為隧道爆破后的穩(wěn)定性及安全施工提供了有利支持。范小桃[4]、李唐軍等[5]、陳文強(qiáng)[6]從結(jié)合現(xiàn)有與光面爆破有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工方法和技術(shù)，為其提供進(jìn)一步的優(yōu)化與補(bǔ)充，保證光面爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的有效、合理應(yīng)用。呂棟梁[7]探討了光面爆破法的原理、爆生氣體準(zhǔn)靜壓力工作操作優(yōu)點(diǎn)，并從光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和光面爆破施工控制方面提出了相關(guān)注意事項(xiàng)，提高了工程質(zhì)量，為類(lèi)似工程施工提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

上述研究主要集中于周邊孔的裝藥方式、爆破參數(shù)及設(shè)計(jì)，本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以延崇高速公路溫泉隧道為工程背景，采用導(dǎo)爆索將周邊炮孔中的炸藥串聯(lián)起來(lái)，即采用導(dǎo)爆索起爆周邊孔的技術(shù)，對(duì)隧道光面爆破技術(shù)做進(jìn)一步的探討。

1? 光面爆破技術(shù)原理

光面爆破是一種針對(duì)超欠挖現(xiàn)象的控制爆破技術(shù)。這種技術(shù)嚴(yán)格控制巖體開(kāi)挖邊界與設(shè)計(jì)要求相吻合，對(duì)圍巖產(chǎn)生較小的破壞，同時(shí)保持隧道輪廓光滑。具體操作方法就是沿著隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)輪廓線布置更加密集的周邊孔，同時(shí)減小裝藥直徑或?qū)⑦B續(xù)裝藥改為間隔裝藥，增大炸藥與孔壁之間的空氣間隔，減少爆破孔裝藥量，降低爆炸沖擊波在孔壁圍巖上的峰值壓力，其作用機(jī)理如圖1所示[8]。

圖1? 相鄰炮孔同時(shí)起爆時(shí)應(yīng)力波作用示意圖

A、B為孔間距l(xiāng)的臨近炮孔，當(dāng)炮孔內(nèi)部裝填的炸藥在同一時(shí)刻起爆后，爆炸應(yīng)力波以炸藥為中心呈球面波的形式向炮孔四周傳播，其中在相對(duì)方向上的應(yīng)力產(chǎn)生疊加彼此之間抵消，在其他方向上形成垂直于炮孔連線的合應(yīng)力σh，而在相反的方向上沿炮孔連線生成強(qiáng)大的拉應(yīng)力，眾所周知巖石作為抗壓不抗拉的堅(jiān)硬介質(zhì)，在起爆后沿炮孔布置輪廓線形成裂隙，從而形成光滑且平整的破裂面，輪廓線以外的巖體受到的破壞作用較小，進(jìn)而維持圍巖原有的穩(wěn)定。此外，在地質(zhì)條件已經(jīng)確定的條件下，合理的爆破參數(shù)是影響光面爆破效果的重要因素[9]。

光面爆破技術(shù)是一種專(zhuān)門(mén)用于應(yīng)對(duì)超欠挖現(xiàn)象的控制爆破技術(shù)。它的核心目標(biāo)是確保巖體的開(kāi)挖邊界與設(shè)計(jì)要求完全吻合，同時(shí)最大程度地減小對(duì)圍巖的破壞，以保持隧道輪廓的光滑和規(guī)整。這種技術(shù)的具體操作方法非常精密，它包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：①密集的周邊孔布置。在隧道的設(shè)計(jì)輪廓線上，需要布置更加密集的周邊孔。這些孔位于隧道的邊緣，其目的是將爆炸沖擊波引導(dǎo)到預(yù)定的方向，以確保巖體的開(kāi)挖邊界準(zhǔn)確。②減小裝藥直徑。為了降低爆炸沖擊波在巖體內(nèi)的峰值壓力，可以采用減小炮孔中的裝藥直徑的方法。這有助于減輕巖體受到的沖擊力，從而減小圍巖的破壞程度。③間隔裝藥。另一種常用的方法是將連續(xù)裝藥改為間隔裝藥，也就是在炮孔中不是連續(xù)填充炸藥，而是留出一些空隙。這些空隙可以減小爆炸沖擊波對(duì)圍巖的影響，降低壓力峰值。④增大炸藥與孔壁之間的空氣間隔。通過(guò)增加炸藥與孔壁之間的空氣間隔，可以減小沖擊波的傳播速度，降低沖擊力，從而減少對(duì)圍巖的損害。

這些操作方法的綜合應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)光面爆破技術(shù)的目標(biāo)，即在開(kāi)挖過(guò)程中最小化對(duì)圍巖的破壞，同時(shí)確保隧道輪廓的精確性和光滑度。這種技術(shù)的作用機(jī)理是通過(guò)精細(xì)的控制爆炸過(guò)程，使爆炸沖擊波按照設(shè)計(jì)要求傳播，從而達(dá)到保護(hù)圍巖的效果。

2? 光面爆破施工設(shè)計(jì)

2.1? 工程概況

本工程位于北京市延慶區(qū)西部的張山營(yíng)鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔2 241 m，擬建隧道所在區(qū)域地形相對(duì)復(fù)雜，主要為山地。隧道段地層主要為燕山期蘭角溝中粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖，僅在入口處可見(jiàn)西大莊科細(xì)粒角閃花崗巖，且細(xì)粒角閃花崗巖和蘭角溝中粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖侵入接觸。該段植被覆蓋率約為85%，海拔高程在812～1 168 m之間，進(jìn)洞口處最低，向西逐步升高，線路基本沿蘭角溝南側(cè)山坡延伸。本工程施工范圍內(nèi)遇到的不良地質(zhì)現(xiàn)象有：地下水、巖爆及洞口偏壓等。地下水可能會(huì)對(duì)隧道施工和圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需要采取合適的排水和防水措施。巖爆是在巖石破裂時(shí)產(chǎn)生的劇烈爆炸，需要采取爆破控制和支護(hù)措施以確保工程安全。洞口偏壓可能會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，因此需要采取措施來(lái)平衡洞口的地壓力。

在面對(duì)這些地質(zhì)挑戰(zhàn)時(shí)，工程團(tuán)隊(duì)需要密切監(jiān)測(cè)地質(zhì)條件，靈活調(diào)整施工計(jì)劃，并采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧﹣?lái)確保隧道工程的順利進(jìn)行。這包括合理的爆破設(shè)計(jì)、巖石支護(hù)和水文地質(zhì)工程等方面的工作，以保障工程的成功完成。

2.2? 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

延崇高速（北京段）第七合同段溫泉隧道施工段地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖種類(lèi)多，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級(jí)圍巖均存在施工過(guò)程中。Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段采用全斷面一次爆破成型的施工方法，炮孔根據(jù)掏槽孔、輔助孔、周邊孔等分區(qū)布置和分區(qū)順序起爆。溫泉隧道所在巖體為Ⅲ級(jí)圍巖，炮孔具體布置數(shù)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試爆確定，采取楔形掏槽，輔助孔炮孔深度為3.3 m、周邊孔炮孔深度為3.3 m，掏槽孔炮孔長(zhǎng)度為3.9 m，底孔炮孔深度為3.3 m，孔徑為42 mm。

2.2.1? 孔網(wǎng)參數(shù)選取

孔網(wǎng)參數(shù)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求進(jìn)行計(jì)算確定，計(jì)算爆破相關(guān)參數(shù)如下[10]。

1）兩炮孔之間的間距：E=（8～18）d，式中d為隧道采用的炮孔直徑，計(jì)算可知E=0.34～0.76 m，在此次工程中炮孔間距選擇0.4 m。

2）光爆層是指周邊孔與最近一排輔助孔之間的距離，它對(duì)爆破開(kāi)挖面的平整度有較大的影響，因此選擇合理的光爆層厚度，可以控制超欠挖，提高光爆效果。根據(jù)眾多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以了解到，光爆層厚度隨著圍巖性質(zhì)的減弱而增大，隨著圍巖性質(zhì)的增強(qiáng)而減小[11]。光爆層厚度W光=0.7 m。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程施工具體情況，對(duì)炮孔參數(shù)進(jìn)行選取，最終確定為周邊孔，設(shè)計(jì)孔平均間距為40 cm，光爆層厚度為70 cm，底孔平均孔間距為80 cm，輔助孔平均間距為80 cm，根據(jù)前述計(jì)算及光面炮孔布置，隧道全斷面炮孔布置設(shè)計(jì)數(shù)目為112個(gè)，周邊孔40個(gè)，底孔10個(gè)，輔助孔48個(gè)，掏槽孔14個(gè)，炮孔布置如圖2所示。

圖2? 實(shí)際炮孔布置圖

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在炮孔直徑、炮孔數(shù)量、隧道橫斷面積三者之間存在一定的關(guān)系，具體如圖3所示[12]，根據(jù)上述理論計(jì)算可以確定除了周邊孔之外，掏槽孔和輔助孔數(shù)量為72個(gè)，本隧洞橫斷面面積約為54 m2，炮孔直徑為42 mm，那么炮孔個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)推算約為70個(gè)，理論計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值相差不大，因此，此次炮孔設(shè)計(jì)可以用于施工過(guò)程。

圖3? 炮眼數(shù)量（不含周邊孔）與斷面積關(guān)系

2.2.2? 裝藥量計(jì)算

在光面爆破過(guò)程中，周邊孔的質(zhì)量決定了光面爆破的效果，在保證爆破設(shè)計(jì)要求的前提下使得隧道圍巖受到的振動(dòng)損傷盡可能小，因此，炸藥和裝藥結(jié)構(gòu)的選擇需要特別關(guān)注，根據(jù)溫泉隧道圍巖特點(diǎn)，采用2#巖石乳化炸藥。隧道圍巖為III級(jí)，巖石較完整，在施工時(shí)采取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。裝藥不耦合系數(shù)最小值為1，在藥卷直徑確定的情況下，不耦合系數(shù)隨著炮孔直徑增大而增大，夾在炸藥與孔壁之間的空氣墊層越厚，對(duì)爆炸應(yīng)力波的緩沖作用就越明顯，可提高光爆效果。但是，不耦合系數(shù)太大則容易造成爆破效果達(dá)不到預(yù)期，因此在一般的地下工程采用光面爆破時(shí)，根據(jù)圍巖情況不耦合系數(shù)在1.3～2.0之間浮動(dòng)，在此次爆破過(guò)程中，參考前期爆破參數(shù)，孔徑42 mm，藥卷直徑30 mm，不耦合系數(shù)為1.4能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，經(jīng)過(guò)計(jì)算各類(lèi)炮孔裝藥量見(jiàn)表1。

2.2.3? 起爆順序

在周邊孔中采用間隔裝藥的結(jié)構(gòu)形式，就是將周邊孔內(nèi)的炸藥分成多段，每段之間不連續(xù)為空氣間隔，達(dá)到軸向不耦合的目的，各個(gè)分段的炸藥及周邊孔的每個(gè)炮孔之間利用導(dǎo)爆索按照具體施工要求進(jìn)行連接，盡量減小人為因素導(dǎo)致盲炮。然后選擇合理的雷管延期間隔，能夠有效地生成自由面為后排炮孔的爆破提供幫助，從而能夠獲得較好的光爆效果，因此參考相關(guān)研究成果，雷管選用毫秒延期雷管段別分別選用1、3、5、7、11、13及15 ms段進(jìn)行起爆，炮孔起爆順序如圖4所示。

3? 爆破效果分析

采用上述獲得的施工參數(shù)在溫泉隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際情況如裂隙、碎石等進(jìn)行合理且必要的調(diào)整，爆破效果圖如圖5所示。

從控制成本的角度分析，減小了每個(gè)周邊孔的間距及減少了每個(gè)周邊孔的單孔裝藥量能提高光面爆破效果，但是不可避免地會(huì)導(dǎo)致炮孔數(shù)量增多，增加施工成本，因此需選擇適當(dāng)?shù)闹苓吙卓拙?，在保證爆破效果的同時(shí)盡可能降低成本，此次施工依據(jù)公式計(jì)算結(jié)果，在適合的范圍內(nèi)選取稍大的孔距，既能達(dá)到爆破效果又能節(jié)省成本，因此可以將孔距定為40～50 cm，爆破后平均超欠挖僅為12 cm，爆破后隧道輪廓較平整，整個(gè)爆破將超欠挖量控制在20 cm之內(nèi)；炮孔殘留率在75%～85%，從圖5可以看出爆破后隧道輪廓較平整，超欠挖量控制在合理的范圍之內(nèi)，炮眼利用率高，達(dá)到了光面爆破的要求。

4? 施工技術(shù)控制

光面爆破的爆破效果除了受爆破參數(shù)的影響外，還受到以下因素的影響：①炮孔施鉆。從某種角度來(lái)說(shuō)，光爆效果能否達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的精度，60%取決于炮孔質(zhì)量，40%取決于炮孔的布置形式及裝藥方式等，因此打鉆工人需要較高的施工水準(zhǔn)，在打周邊孔時(shí)要確保周邊孔的 “準(zhǔn)、直、平、起”，即周邊孔準(zhǔn)確地打在設(shè)計(jì)輪廓線上，炮孔與掌子面垂直、周邊孔之間保持相互平行、炮孔底部整齊排布在同一平面。②堵塞。為了達(dá)到最好的光爆效果，需要對(duì)炮孔進(jìn)行填塞搗實(shí)，防止出現(xiàn)空洞或者阻隔等現(xiàn)象，同時(shí)也要避免對(duì)導(dǎo)爆管或?qū)П髟斐善茐摹?/p>

圖4? 爆破起爆順序

圖5? 爆破效果

5? 結(jié)論

在隧道施工中采用光面爆破技術(shù)除了上述的設(shè)計(jì)參數(shù)外，還存在眾多影響因素：①在允許的條件下，盡可能的精確設(shè)置和選擇孔徑、孔深、孔間距、炮孔內(nèi)部藥量和裝藥結(jié)構(gòu)等，這些都會(huì)對(duì)光面爆破效果產(chǎn)生巨大影響。②隧道的地質(zhì)環(huán)境不同，施工參數(shù)也必然不同，不能一概而論，應(yīng)該根據(jù)不同圍巖級(jí)別進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，同時(shí)參考類(lèi)似工程進(jìn)行調(diào)整，才能獲得較為理想的爆破效果。

溫泉隧道掘進(jìn)爆破中，依據(jù)上述原則設(shè)計(jì)對(duì)周邊孔加密并且減少裝藥量，通過(guò)優(yōu)化及改善爆破方法大大降低了因爆破而產(chǎn)生的對(duì)圍巖的擾動(dòng)，光面爆破效果顯著達(dá)到了預(yù)期效果，同時(shí)有效地提高了施工質(zhì)量，達(dá)到安全施工的目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，形成了一套合理的孔網(wǎng)參數(shù)，并提出相應(yīng)的施工控制技術(shù)，為后續(xù)相似地質(zhì)條件下的施工提供參考。

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