美國(guó)巖石隧洞施工※

劉桂杰，朱天琴，常煥生

（中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

1 概述

地下工程施工的基本內(nèi)容：開(kāi)挖，采用鉆爆法或機(jī)械方法；圍巖初期支護(hù)；圍巖最終支護(hù)。

過(guò)去，將“初期支護(hù)”和“最終支護(hù)”稱(chēng)為“主要支護(hù)”和“次要支護(hù)”。這個(gè)習(xí)慣用法是不確切的，可能對(duì)最終的功能引起誤解，因?yàn)樽罱K支護(hù)是起主要作用的，而初期支護(hù)經(jīng)常按臨時(shí)支護(hù)考慮。當(dāng)然，現(xiàn)在有很多例子，初期支護(hù)也具有永久支護(hù)的功能。

地下工程施工其他重要內(nèi)容：現(xiàn)場(chǎng)和洞口的準(zhǔn)備；測(cè)量；地下工程的通風(fēng)；排水和水流控制；危害預(yù)防；控制環(huán)境影響。

設(shè)計(jì)者可能需要深入探索某些施工細(xì)節(jié)，諸如爆破影響、采用TBM的可行性或掘進(jìn)進(jìn)度。

2 隧洞鉆爆法開(kāi)挖

雖然TBM在很多隧洞工程被采用，但大多數(shù)地下工程巖石開(kāi)挖仍采用爆破技術(shù)。設(shè)計(jì)應(yīng)指定或建議采用的開(kāi)挖方法。

2.1 開(kāi)挖循環(huán)

典型的爆破開(kāi)挖循環(huán)由以下步驟來(lái)完成：鉆爆破孔和裝藥；引爆，隨后進(jìn)行通風(fēng)換氣；除渣；撬除頂拱和邊墻上的松動(dòng)石塊；對(duì)圍巖進(jìn)行初期支護(hù)；延伸軌道、通風(fēng)管和其他設(shè)施。

2.2 全斷面和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)

大多數(shù)隧洞采用全斷面開(kāi)挖掘進(jìn)的方法，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)對(duì)隧洞的整個(gè)斷面進(jìn)行鉆孔、爆破。爆破孔的深度通常小于洞子的尺寸，一個(gè)循環(huán)的爆破進(jìn)尺略小于爆破孔的深度（對(duì)于較好的爆破效果，約為爆破孔深度的90%）。典型的循環(huán)進(jìn)尺深度為2～4 m。部分?jǐn)嗝姹朴袝r(shí)更實(shí)用，或者可能是地質(zhì)條件要求，或者是受設(shè)備的限制。最常用的部分?jǐn)嗝姹品ㄊ钦_(tái)階掘進(jìn)法，首先以全寬爆破隧洞的頂部，隨后爆破剩下的臺(tái)階。臺(tái)階可以用水平孔也可用類(lèi)似采石爆破的垂直孔開(kāi)挖。還有很多其他的部分?jǐn)嗝姹菩褪?，例如頂拱中心?dǎo)洞領(lǐng)先，頂拱兩側(cè)導(dǎo)洞跟進(jìn)，隨后留1～3個(gè)臺(tái)階。

選擇部分?jǐn)嗝姹品ǘ贿x擇全斷面爆破法的理由：對(duì)于單個(gè)鉆車(chē)來(lái)說(shuō)橫斷面太大，例如通常尺寸的地下廠(chǎng)房、閥門(mén)室、兩車(chē)道或三車(chē)道公路隧道一般采用部分?jǐn)嗝姹品ㄩ_(kāi)挖；為了控制爆破振動(dòng)，從裝藥量的角度限制了爆破尺寸；圍巖條件差，若全寬開(kāi)挖可能沒(méi)有足夠長(zhǎng)的自穩(wěn)時(shí)間來(lái)施作初期支護(hù)。

2.3 爆破循環(huán)設(shè)計(jì)

單獨(dú)的爆破循環(huán)一般由承包商的爆破專(zhuān)家設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)由工程師根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行評(píng)審。關(guān)于爆破循環(huán)的詳細(xì)資料可以在有關(guān)著作中找到，有關(guān)爆破劑和爆破設(shè)計(jì)的資料也可以在炸藥生產(chǎn)廠(chǎng)家印制的手冊(cè)中找到。爆破孔一般采用液壓鉆機(jī)鉆孔，鉆孔的效率和速度已經(jīng)得到大大改進(jìn)，鉆頭的磨損和鉆孔精度由于鉆桿和鉆頭的新設(shè)計(jì)也得到了改進(jìn)。小斷面隧洞的鉆孔通常采用單臂鉆，但鉆車(chē)經(jīng)常安裝兩個(gè)或更多的鉆機(jī)。鉆車(chē)有軌道式、輪胎式或履帶式，兩支腿叉開(kāi)的軌道式鉆車(chē)允許除渣設(shè)備穿過(guò)，以便到達(dá)或離開(kāi)工作面。

有效的爆破設(shè)計(jì)要注意每一個(gè)爆破孔受限制的程度。如果一個(gè)爆破孔受到完全的限制，爆破僅能引起塑性變形。當(dāng)在爆破孔附近有自由面時(shí)，爆炸波將造成朝向自由面的一些裂縫，使爆破孔與自由面之間的巖石破裂，并將碎塊拋出。爆破孔至自由面的距離即抵抗線(xiàn)一般取0.75～1.0倍孔間距。

在隧洞中，最初沒(méi)有平行于炮孔的自由面，此自由面必須通過(guò)爆破設(shè)計(jì)創(chuàng)造出來(lái)，并以下列方法之一來(lái)完成。

V形掏槽或扇形掏槽通常是在掌子面的中下部按一定的孔間夾角鉆一些孔，形成一個(gè)楔形體。這些孔爆破時(shí)首先將這個(gè)楔形體的巖石拋出，為隨后的爆破創(chuàng)造一個(gè)自由面。

直線(xiàn)掏槽是采用平行孔，最常見(jiàn)的是4個(gè)集中在一起的炮孔，其中只有兩個(gè)孔裝藥，有一個(gè)或兩個(gè)大直徑孔（直徑通常達(dá)到125 mm）不裝藥。剩下的孔被分布開(kāi)，依次爆破，這樣每一次一個(gè)或幾個(gè)孔的爆破總是使巖石朝向自由面破裂。這些在掏槽之后引爆的孔稱(chēng)為擴(kuò)大孔，最后被引爆的孔是隧洞輪廓周?chē)目追Q(chēng)為周邊孔，在底板上的孔稱(chēng)為拉底孔。

因?yàn)椴豢赡芫o靠開(kāi)挖邊緣鉆孔，周邊孔鉆孔時(shí)通常是從設(shè)計(jì)邊線(xiàn)向外發(fā)散約100 mm。鉆孔設(shè)備的尺寸要求形成一個(gè)帶角度的錯(cuò)臺(tái)，以達(dá)到要求的開(kāi)挖線(xiàn)。連續(xù)的爆破進(jìn)尺使隧洞墻面呈“z”字形，因此，超挖一般是不可避免的。

延時(shí)電雷管或非電雷管用于控制爆破順序和時(shí)間，限制任何一次爆破炸藥的總量，它們有各種類(lèi)型。毫秒延時(shí)比較短，延時(shí)范圍25～500 ms；其他延時(shí)比較長(zhǎng)。直到24 ms的延時(shí)是可用的。選擇延時(shí)必須使巖石碎塊在下一個(gè)爆破發(fā)生時(shí)已被拋出。毫秒延時(shí)常用于掏槽爆破，0.5 s延時(shí)用于擴(kuò)大孔爆破。過(guò)去，爆破一般采用電力起爆，采用電雷管或起爆器。非電爆破起爆器和延時(shí)雷管現(xiàn)在通常是首選，因其不受雜散電流的影響。

爆破劑可用于特殊的目的，它們可以在單位長(zhǎng)度炮孔的裝藥密度、藥卷直徑、爆破速度、煙霧特性、抗水性和其他性能上進(jìn)行變化。對(duì)于干燥的巖石，經(jīng)常采用便宜的銨油炸藥，周邊孔每米的裝藥量很小，要求采用特殊的爆破劑。典型的爆破孔其直徑為45～51 mm，藥卷直徑通常為40 mm，在適當(dāng)?shù)奈恢枚氯诳?。而用于周邊孔的藥卷直徑通常?5 mm，并進(jìn)行堵塞。

在爆破設(shè)計(jì)中常常要考慮兩個(gè)因素：炸藥單耗（爆破每立方米巖石需要的炸藥公斤數(shù)，kg/m3）和鉆孔率（爆破每立方米巖石需要的鉆孔總長(zhǎng)度，m/m3）。它們是爆破的綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并很容易在不同的爆破方案之間進(jìn)行比較。炸藥單耗隨巖石條件不同會(huì)有很大變化。當(dāng)巖石受約束較強(qiáng)，隧洞比較小，或巖石比較硬，炸藥單耗就比較大，帶有空洞的巖石有時(shí)需要大的炸藥單耗。對(duì)于大多數(shù)典型的隧洞爆破，炸藥單耗在0.6～5 kg/m3之間變化，對(duì)于同樣的巖石類(lèi)型，炸藥單耗可以從1 kg/m3（開(kāi)挖斷面大于30 m2的隧洞）變化到超過(guò)3 kg/m3（開(kāi)挖斷面小于10 m2的隧洞），典型的鉆孔率在0.8～6 m/m3之間變化。圖1顯示一個(gè)典型的爆破循環(huán)設(shè)計(jì)。這個(gè)斷面19.5 m2的隧洞的爆破循環(huán)用40個(gè)孔，炸藥單耗1.9 kg/m3，鉆孔率2.2 m/m3。典型的炸藥單耗和鉆孔要求見(jiàn)圖2、圖3。

2.4 控制爆破

理想的爆破對(duì)保留巖體的損害最小，而且超挖最小，這是通過(guò)控制爆破來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于很多理由，控制對(duì)巖石的損害和超挖是有利的。減少對(duì)巖石的損害意味著巖體更加穩(wěn)定，需要的支護(hù)較少；由于需要撬除的巖石少，隧洞掘進(jìn)更加安全；對(duì)于不襯砌隧洞，較少的超挖使過(guò)水表面比較平順；對(duì)于襯砌隧洞，較少的超挖意味著減少超填混凝土。

圖1 直線(xiàn)掏槽爆破循環(huán)爆破孔3.2 m，進(jìn)尺3.0 m

圖2 典型的炸藥單耗

控制爆破包括周邊孔的間距較密，周邊孔裝藥少于其余炮孔。一個(gè)常用的規(guī)則是周邊孔的間距在硬巖約為孔徑的12～15倍，在較差的、破碎的巖石約為孔徑的6～8倍。由于控制爆破通常要求較多的爆破孔，需要用較長(zhǎng)的時(shí)間和較多的鉆孔材料，承包商常常不情愿采用控制爆破。

但是控制爆破比傳統(tǒng)的巷道周邊爆破法要求更高。在周邊孔爆炸之前爆破損害可能發(fā)生?？刂票埔笞屑?xì)設(shè)計(jì)和選擇周邊幾何形狀、孔徑、裝藥量、孔間距、抵抗線(xiàn)和延時(shí)，并須認(rèn)真操作。

控制爆破成功的關(guān)鍵之一是準(zhǔn)確地鉆孔。炮孔與設(shè)計(jì)位置的偏差使孔距和抵抗線(xiàn)發(fā)生改變，導(dǎo)致爆破損害和巖面不規(guī)則。現(xiàn)代液壓鉆機(jī)鉆孔不僅快速而且精度比以前高，在同類(lèi)的巖石中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制的鉆車(chē)能夠達(dá)到更高的精度。

圖3 典型的鉆孔需要量

爆破后檢查巖面可以給出一個(gè)很好地提示鉆孔精度和控制爆破達(dá)到的效果。衡量控制爆破效果的標(biāo)準(zhǔn)是半孔率，即在爆破表面可見(jiàn)的爆破孔半孔與周邊孔總長(zhǎng)度之比。依據(jù)巖石質(zhì)量和層理、節(jié)理的傾向，50%～80%的半孔率通常是能夠達(dá)到的。由于不精確的鉆孔引起的表面不規(guī)則也是容易看見(jiàn)和測(cè)量的。外觀(guān)的規(guī)則性和適當(dāng)性也應(yīng)該檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)爆破質(zhì)量的其他方法包括評(píng)估巖壁后面被破壞的深度，這可以利用地震波反射技術(shù)和管道鏡或?qū)︺@孔取芯進(jìn)行滲透性檢測(cè)來(lái)完成。被爆破擾動(dòng)范圍的深度，對(duì)于良好的控制爆破只有0.1～0.2 m，而對(duì)于非控制爆破則達(dá)到2 m以上。

2.5 爆破振動(dòng)

爆破引起的振動(dòng)以位移或應(yīng)力波通過(guò)地層傳播。如果振動(dòng)強(qiáng)烈，就可能造成損壞或引起公眾的反對(duì)。振動(dòng)控制在城市環(huán)境中是特別重要的。

在離開(kāi)爆破地點(diǎn)的指定距離感覺(jué)到的爆破振動(dòng)的強(qiáng)度是以下要素的函數(shù)：由各段延時(shí)組成的總裝藥量（小至8 ms的延時(shí)就足以分開(kāi)兩次爆破，使其爆炸波效應(yīng)不至于疊加）；監(jiān)測(cè)點(diǎn)至爆破地點(diǎn)的距離；地層特性（高頻率的振動(dòng)波在高模數(shù)巖石允許通過(guò)，而在土類(lèi)材料中很快減弱）；爆破的約束程度（約束越強(qiáng)，總能量中進(jìn)入地層的振動(dòng)能的比例越大）；場(chǎng)地的幾何特征有時(shí)會(huì)使振動(dòng)能集中，如同硬巖和軟巖互層的地質(zhì)特征那樣。

對(duì)于給定的裝藥量和距離，振動(dòng)強(qiáng)度可以利用比例定律來(lái)估算。最常用的是平方根比例定律，表示振動(dòng)強(qiáng)度是裝藥量W的平方根的函數(shù)。最重要的振動(dòng)參數(shù)是質(zhì)點(diǎn)的峰值振速V。

式中：B——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)；D/W1/2——稱(chēng)為折算距離；H——折算距離為1的質(zhì)點(diǎn)峰值振速。

這個(gè)關(guān)系以一條直線(xiàn)繪制在速度-折算距離的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上，D以m為單位，W為炸藥的公斤數(shù)，V以mm/s為單位。H值隨爆破性質(zhì)、約束條件和地質(zhì)環(huán)境變化。H的典型范圍是100～800 mm/s，對(duì)于給定的地質(zhì)條件H隨單一爆破而變化：掏槽爆破為250 mm/s，擴(kuò)大爆破為200 mm/s，周邊爆破為150 mm/s。對(duì)于比較短的循環(huán)進(jìn)尺，H一般比較小。

系數(shù)B可在0.75～1.75之間變化，通常取1.60。對(duì)于特殊的場(chǎng)合或環(huán)境，經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可能依據(jù)爆破試驗(yàn)、利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖來(lái)確定。許多因素影響振動(dòng)檢測(cè)，所以不可能形成精確的關(guān)系式。在一定程度上，一系列數(shù)據(jù)是用來(lái)建立一個(gè)擴(kuò)大開(kāi)挖的安全包絡(luò)線(xiàn)。每段延時(shí)的允許裝藥量與50 mm/s的允許振速的相應(yīng)距離之間的典型關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 每段延時(shí)允許裝藥量

爆破引起的對(duì)結(jié)構(gòu)的損壞與質(zhì)點(diǎn)峰值振速有關(guān)。通常認(rèn)為50 mm/s的質(zhì)點(diǎn)峰值振速不會(huì)損壞住宅或其他建筑物和設(shè)施。事實(shí)上，大多數(shù)質(zhì)量良好的建筑物能夠承受的質(zhì)點(diǎn)振速遠(yuǎn)大于50 mm/s；然而，50 mm/s是一般公認(rèn)的爆破振動(dòng)限制振速。

當(dāng)鄰近新澆混凝土進(jìn)行爆破時(shí)，必須限制峰值振速，以避免損壞混凝土。這個(gè)擔(dān)心在《地下采礦方法手冊(cè)》中有一些詳細(xì)的討論。無(wú)論是結(jié)構(gòu)混凝土還是大體積混凝土，在養(yǎng)護(hù)時(shí)對(duì)損壞都是相當(dāng)遲鈍的。超過(guò)10 d齡期的混凝土能夠承受的質(zhì)點(diǎn)振速達(dá)到250 mm/s或更大，未凝固的新澆混凝土能夠承受50 mm/s或更大的振速。另一方面，已凝固的齡期短的新澆混凝土容易遭受損壞。在這種情況下，質(zhì)點(diǎn)峰值振速可能要控制在6 mm/s以下；在混凝土達(dá)到至少3 d齡期以前，質(zhì)點(diǎn)振速不應(yīng)超過(guò)50 mm/s。這些數(shù)值可能隨著基巖的特性、混凝土凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的幾何形狀和其他特性而變化。對(duì)于重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)門(mén)分析，來(lái)指導(dǎo)建立爆破限制標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于完整的巖石，質(zhì)點(diǎn)振速低于500～1000 mm/s時(shí)形成的細(xì)微裂縫通常不會(huì)造成巖石的破壞，這取決于巖石的強(qiáng)度。

人對(duì)爆破振動(dòng)的感知遠(yuǎn)比結(jié)構(gòu)敏感。5 mm/s那樣低的質(zhì)點(diǎn)峰值爆破振速已明顯地引人注意，達(dá)到20 mm/s時(shí)人就被驚擾了。感知振動(dòng)，一是振動(dòng)強(qiáng)度，二是振動(dòng)頻率。低頻（小于10～15 Hz）振動(dòng)比高頻振動(dòng)更容易被感知。此外，夜間的振動(dòng)可能更加令人生厭。