過緩傾煤層隧道施工爆破控制技術

摘 要：以畢都高速雞公山隧道為例，采取現場試驗的方法研究了爆破開挖存在于上覆緩傾煤層區段隧道時，爆破振動作用下隧道噴射混凝土支護的動力響應。據此提出了過緩傾煤層隧道爆破開挖安全控制技術，以“增加空孔、錯峰爆破、精控微差”為核心思想，保證了雞公山隧道過緩傾煤層的施工安全，取得了良好的效果，這對類似工程施工有一定的指導意義。

關鍵詞：隧道施工；緩傾煤層；爆破方案；振動測試

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.031

西部山區建設高速公路和鐵路工程橋隧的比例比較高，部分線路甚至超過了90%，煤層、斷層、巖溶等不良地質條件十分常見，屬隧道施工控制性工程。

畢都高速雞公山隧道區位于納雍縣龍場鎮與勺窩鄉交界地段，右線起訖里程YK131+310～YK134+295，長2 985 m，其中，Ⅲ級圍巖80 m、Ⅳ圍巖1 790 m、Ⅴ級圍巖1 120 m。隧道在V級圍巖段穿越的梁山組地層中含薄煤層，煤層厚度0.8～1.5 m，梁山組地層夾于灰巖層中，梁山組地層走向為185°∠23°，與隧道軸線夾角約為84°，隧道與煤層縱向剖面位置關系如圖1所示。

過煤層隧道是隧道施工的重難點部分。由于煤層與周圍地層的力學性質差異，導致接近煤層隧道區段容易出現各種施工問題，比如大變形、塌方、高瓦斯等。由圖1可知，煤層和隧道相交隧道區段上部形成了局部楔形體，爆破開挖過程中會導致圍巖局部損傷，我們將其稱之為“松動圈”。由于煤層傾角比較小，隧道開挖時形成的楔形體存在厚度小、長度比較大的問題，極易導致楔形體垮塌，進而形成連鎖反應，導致上覆煤層垮塌。為此，在施工過程中，必須科學、合理地控制該區段的爆破施工，減小楔形體圍巖損傷，確保施工安全。

1 爆破方案設計和現場測試

1.1 爆破方案設計

該隧道上導坑開挖斷面為四心圓隧道，單循環爆破進尺在1.5 m左右。根據目前國內常規施工機械條件，采用手風鉆機進行炮孔打眼，直徑分別為42 mm和30 mm，采用楔形掏槽和周邊間隔不藕合裝藥光面爆破技術。按照隧道爆破施工設計方案，IV圍巖區段的爆破網絡和炮孔分布如圖2所示。

上臺階循環進尺不低于1.5 m，下臺階不低于2 m，所以，上臺階周邊孔L為1.6 m，掘進主炮孔L為1.6 m，掏槽眼采用L為2 m；下臺階周邊孔L為2.1 m，掘進主炮孔L為2.1m，掏槽眼采用L為2.5 m。周邊孔采用小直徑間隔裝藥，孔外網路采用復式網路聯接。IV級圍巖區段采用上下臺階法施工，具體工藝流程為：鉆爆法開挖上臺階→上部初期支護→鉆爆法開挖下臺階→下部初期支護→量測→灌注仰拱混凝土→量測→防水層施工→二次襯砌。

1.2 原爆破設計方案下的振動監測

隧道圍巖在爆破振動作用下的動力響應是檢驗爆破方案合理性的可靠依據，為了確定過煤層區段隧道的合理爆破方案，先在正常IV圍巖區段進行了爆破振動監測，爆破振動監測點布置圖和傳感器實地安裝如圖3所示。

按照設計方案，普通IV圍巖區段爆破振動波形如圖4所示。

從圖4中可以看出，掏槽爆破單響藥量與周邊炮眼的單響藥量接近，但是，掏槽爆破受到的周圍巖體夾制作用更為強烈，從波形上表現出掏槽爆破引起的振動更為強烈。雖然采用毫秒微差爆破的方法可以有效利用錯時達到削峰的目的，值得注意的是，一級掏槽爆破的振動峰值仍然偏大。按照原設計方案得到的爆破振動速度沒有超過《爆破安全規程》的限制，但是，在后續過煤層區段施工時，煤層與梁山組地層之間的界面反射波更為強烈，容易導致隧道拱頂的楔形體圍巖出現更為強烈的振動。因此，施工時，必須優化原爆破設計方案，以便更好地控制爆破振動的效果。

1.3 優化后的爆破振動方案和結果分析

解決掏槽爆破引起的振動過強問題的方法一般分為2大類，即減小爆破進尺、空孔掏槽。在優化爆破振動方案時，參考逐孔起爆原理，通過增加空孔體積量來降低掏槽爆破的單響藥量。第一種方法已經不適用于該隧道，原因在于爆破進尺僅為1.5 m，過度降低進尺會嚴重影響施工效率，因此，主要優化措施將從增加空孔入手。考慮到原爆破設計方案中僅有2個空孔，且掏槽孔起爆段數設置有部分集中的情況，所以，將爆破方案進行如圖5所示的優化設計。

由原爆破方案測試結果（圖4）可知，掏槽爆破引起的振動最為強烈，一方面是其臨空面少，破巖時受到周圍巖體夾制作用強烈；另一方面是掏槽孔比較少，導致單響藥量比較大，且分段數量不足。本優化方案從這3個方面著手：①增加4個空孔，盡管掏槽體積非常有限，但能大大改善下級掏槽的臨空條件，周圍巖體在破巖時的夾制作用大幅削弱，爆破產生的振動也隨之降低。②增設部分炮孔，并優化掏槽孔的起爆段位，原設計方案中第6段位的炮孔數量過多，容易導致強烈振動。本方案將炮孔位置進行優化布置，減少了同時起爆的炮孔數量，從而更好地降低爆破振動峰值。同時，由于增設了1個炮孔，原設計的10個炮孔裝藥量也降低至90%，減少單孔藥量，削減爆破振動峰值。③精確控制起爆時間。根據相關研究，采用成排對稱斜孔同時起爆可以獲得更好的掏槽效果，V型斜眼起爆時差控制在10 ms以內時，對稱掏槽孔的效果不會受到影響，但是，峰值已經明顯錯開，削峰效果明顯。

本優化方案的主要目的是增加掏槽爆破的臨空面，增加起爆段數，減小集中起爆藥量。為了驗證本優化方案的實際效果，按照圖3所示的爆破振動監測點布置方案，對采用優化后的爆破方案進行破巖施工的單個循環進行了爆破振動監測，結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用優化后的爆破方案進行破巖施工時，振動最強烈的區間不再對應掏槽孔爆破時間，同一位置的振動波形相對于原爆破方案的振動區間增加，但每個區間的局部峰值減小。這表明，優化方案通過三步優化設計能夠起到良好的爆破振動削減作用。

2 過煤層區段隧道爆破振動測試

由爆破優化方案和相應的測試結果可知，本優化方案能夠較好地降低爆破引起的振動峰值，“增加空孔、錯峰爆破、精控微差”方法的應用，在正常IV級圍巖區段隧道的爆破開挖過程中取得了良好的效果。下面，筆者簡要分析過緩傾煤層區段的減震效果。根據現場施工方案，雞公山隧道采用雙向掘進施工，在靠近緩傾煤層時，一側停止鉆爆施工，改為單側掘進，另一側保持20 m以上的距離，即隧道從與上覆煤層豎向距離由大慢慢減小的方向逐漸穿過煤層。具體施工掘工作面與煤層相對關系如圖7所示。

10 m和5 m時的爆破振動曲線

如圖7所示，在隧道右側掌子面距離拱頂延長線與煤層相交處20 m以上時，停止右側掌子面爆破掘進施工，改為左側單向掘進。在左側拱頂與煤層豎向距離分別為10 m、5 m和1 m時，對后方初支結構進行了爆破振動監測。鑒于施工的原因，在左側拱頂與煤層豎向距離為1 m時，未能測得有效數據，僅能分析距離為10 m和5 m時的結果，最終測得的爆破振動時程曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，在掌子面拱頂與煤層豎向距離逐漸減小的過程中，同一位置的爆破振動速度曲線明顯增大，且振速曲線變化規律雜亂。當掌子面拱頂與煤層豎向距離為10 m時，振速曲線尚可見到與微差分段爆破存在一定對應關系的局部峰值。但當掌子面拱頂與煤層豎向距離縮短至5 m時，振速局部峰值與起爆段基本沒有任何對應關系。由此可見，由于上覆煤層的松散結構，導致振動波傳播過程中多次受到煤層與巖體交界面的影響，振動波的反射和折射導致掌子面后方測得的振動波形呈現出雜亂的形態。此外，當豎向距離從10 m縮短至5 m時，掌子面后方監測點的振速峰值從3.6 cm/s增加至4.8 cm/s。所以，越靠近煤層，爆破振動對結構安全的影響越大。在施工過程中，采取本優化方案爆破施工，仍然能大幅降低爆破振動在掌子面后方引起的結構振動，對提高結構的安全性具有非常重要的意義。

3 結論

過緩傾煤層隧道施工是雞公山隧道的技術難點，尤其是隧道與煤層交界處出現了比較長的楔形體，在爆破振動作用下容易出現損傷乃至整體垮塌，引發災難性的后果。本文通過現場爆破振動測試試驗，結合原有的爆破方案設計，提出了以“增加空孔、錯峰爆破、精控微差”為理念的優化爆破方案。在正常IV級段進行爆破振動測試，驗證了所提出方案的合理性，并將其應用于過緩傾煤層段，得出了以下結論：①雞公山隧道過緩傾煤層區段在拱頂形成了長度大、厚度小的楔形體圍巖。這給隧道爆破施工提出了新的挑戰，特是該隧道工程施工的重難點工作。采取本文提出的方案能夠較好地解決這一問題，能夠大幅降低隧道施工爆破在初支結構中引起的爆破振動。②隧道掌子面拱頂與緩傾煤層的距離對爆破振動強度有較為明顯的影響。當距離較小時，爆破振動強度明顯增大，且振動波形呈現出一定的雜亂性。這表明，煤層會對爆破振動結構安全產生不利的影響。③一般條件下，隧道掏槽爆破時引起的結構振速最大，有較為明顯的對應關系。在施工過程中，采取增設掏槽空孔、掏槽孔精確微差控制和對稱掏槽的方法，可以大幅度削減爆破振動強度。其原理在于增加了掏槽臨空面，消除了掏槽爆破振動疊加效應。這種做法具有良好的應用價值，而且施工成本也比較低。

參考文獻

[1]代永輝.高橋隧比公路項目投資估算控制要點[J].西南公路，2012（2）：63-65.

[2]曹智綱.不良地質隧道施工技術[J].工程技術：全文版，2016（10）：00054-00055.

[3]吳輝.煤系地層軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術[J].公路交通技術，2012（4）：115-118.

[4]肜建波.穿煤層隧道大變形機理分析與整治措施[J].土工基礎，2012，26（2）：10-12.

[5]謝曉東，張顯偉.煤層采空區對鐵山隧道病害區的影響[J].中國煤炭地質，2000，12（4）：44-47.

[6]郭鴻雁.大斷面高瓦斯隧道圍巖穩定性及突出風險研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[7]李開言.家竹箐高瓦斯隧道煤層深孔爆破技術[J].鐵道工程學報，2002，19（2）：38-41.

[8]關寶樹，國兆林.隧道及地下工程[M].成都：西南交通大學出版社，2000.

[9]楊年華，張志毅，鄧志勇，等.硬巖特長隧道快速爆破掘進技術研究與實踐[J].中國鐵道科學，2001，22（3）：41-46.

作者簡介：冀榮華（1983—），遼寧建昌人，大學本科，副總經濟師，主要從事公路、市政項目管理工作。

〔編輯：白潔〕

文章編號：2095-6835（2017）08-0034-01