砂質板巖隧道光面爆破控制施工技術研究

張洪江 張曉鵬 羅鴻昌 譚一烜 藺忠平

(中鐵三局集團廣東建設工程有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

隨著我國高速鐵路快速發(fā)展，為縮短鐵路里程、適應山區(qū)地形、節(jié)省投資，減少耕地占用，隧道成為極為重要的一種穿越山嶺地區(qū)鐵路結構形式。因此針對隧道開挖施工需要解決的重要問題，如光面爆破施工的工藝控制及效果成為當前施工人員重大課題，而且針對不同圍巖類型，不同巖性的光面爆破控制更需進一步挖掘及總結[1]。

萬安隧道位于萬安縣枧頭鎮(zhèn)和寶山鄉(xiāng)境內，采用單洞雙線結構形式，全長13 927.78 m。針對萬安隧道陳屋斜井圍巖主要類型為砂質板巖，且以Ⅲ級圍巖居多的實際情況，決定對隧道開挖采用光面爆破法進行施工，這樣有利于開挖質量的控制及進度保障。通過深入現場調查，詳細籌劃，制定實施了“砂質板巖隧道光面爆破控制施工工法”。

1 工程概況

萬安隧道陳屋斜井承建正洞全長3 790 m，為單洞雙線隧道設計，開挖斷面面積為139.1 m2～152.4 m2。屬于低中山區(qū)地貌，山巒疊嶂，地形險峻，溝谷狹長，隧道洞身地表沖溝發(fā)育山嶺及谷地被地表土覆蓋。洞身基巖主要為砂質板巖、夾變質砂巖、碳質板巖，巖體堅硬，成板狀結構，層理及節(jié)理較發(fā)育，弱風化，完整性較好，其中Ⅲ級圍巖2 710 m，占整個工點洞身圍巖的71%。

2 光面爆破設計

2.1 爆破設計概述

本隧道采取“合理進尺，弱擾動圍巖”的施工基本原則進行光面爆破設計。針對本隧道Ⅲ級圍巖的巖性及工法采用上下臺階開挖，上臺階采用光面爆破施工，上臺階斷面開挖高度7.2 m，寬度斷面面積81.4 m2。為了嚴格控制隧道周邊超、欠挖，減少浪費，控制成本，保持圍巖的自身穩(wěn)定性，隧道周邊采取光面爆破，合理選擇周邊炮孔間距、最小抵抗線、裝藥結構、不偶合系數、裝藥集中度等[2]。光面爆破數據見表1。

表1 光面爆破數據表

2.2 爆破掘進炮孔布置原則

結合理論計算法、工程類比法和現場試驗相結合確定爆破參數：

1)炮孔深度L。

隧道選取3.5 m～3.7 m爆破循環(huán)進尺，炮孔深度由爆破部位而定。采用雙楔形掏槽。第1掏槽深度為2.2 m,第2掏深度為3.9 m，其余炮孔深度設計為3.7 m。

2)炮孔數目N。

本爆破設計炮孔直徑采用42 mm，采用單位面積鉆孔數為1.5個～2.5個(未包括光面爆破炮孔)[3]。采用式(1)估算炮孔數：

(1)

其中，N為炮孔數目個數(光面爆破適當增加6%～12%)；k為參數，1個自由面k=3～3.3；f為巖石堅固系數；s為隧道爆破斷面面積。由于隧道周邊采取光面爆破，因此，根據布孔原則，可適當增加10%～15%炮孔數目。巖石f=8，斷面面積81.4 m2，代入式(1)計算得到炮孔數N=124個，考慮到周邊采用了光面爆破，實際布置炮孔數為147個。

3)炮孔布置。

a.掏槽炮孔的布置原則。

掏槽炮孔主要針對工人習慣以及便于作業(yè)，一般選擇在斷面的中下部位，并盡量考慮掏槽以上的炮孔為壓頂炮。掏槽設為一、二級楔形掏槽形式，掏槽位置置于斷面的下部位置，距開挖底面0.6 m～0.8 m。

b.周邊炮孔的布置原則。

為了控制超挖量，保證隧道輪廓形狀規(guī)整，進行光面爆破。通過查閱資料，由實地巖質和圍巖類別確定周邊炮孔孔距a。取值(8～12)d(d為炮孔直徑)，最小抵抗線W=a/(0.7～1.0)。周邊孔用直徑為42 mm，炮孔間距為50 cm，光爆層厚度取60 cm[4]。

c.輔助孔的布置原則。

輔助孔的布置根據掏槽和周邊眼及緩沖孔圈定范圍內巖石情況盡量均勻分布。考慮到空腔形成以后，上部巖石懸空，爆破更容易，炮孔布置應遵循上疏下密的原則布置。

2.3 爆破掘進循環(huán)火工品用量及分配

1)循環(huán)炸藥用量。

采用式(2)估算每個循環(huán)炸藥用量：

Q=klsη

(2)

其中，Q為爆破一次總裝藥量，kg；k為爆破1 m3巖石所需炸藥；l為設計炮孔深度,m；s為隧道開挖斷面爆破面積(分臺階斷面)；η為炮孔利用率，η=0.8～0.95；本隧道斷面面積為81.4 m2。

(3)

其中，k為單位炸藥消耗量，kg/m3；f為巖石堅固性系數;s為巷道掘進斷面，m2；k0為考慮炸藥爆力的校正系數，k0=525/p，p為爆力(2號巖石乳化炸藥的爆力p=260 mL)。將f=8,s=81.4 m2,代入計算得到k=0.70 kg/m3；η按照最大值0.95確定，經計算得：Q=200.3 kg。

2)雷管段位分配。

先起爆掏槽眼，再起爆輔助眼，最后起爆周邊眼、底眼。充分考慮起爆時差，選用毫秒雷管時一般隔段使用，即選用1號、3號、5號、7號、9號、11號、13號、15號等[5]。具體雷管段位示意圖如圖1所示。

3)炸藥分配。

按前式計算結果進行炮孔分配裝藥。

4)光面爆破炮孔藥量校核計算。

光面爆破每米炮孔裝藥量計算公式：

Q=B·K·m·K1·W

(4)

其中，Q為1 m深光面爆破炮孔裝藥量，g/m；B為光面爆破炮孔孔口填塞系數，取B=1.0；K為在光爆中，軟巖取0.5～0.7，中硬巖取0.75～0.95，堅硬巖取1.0～1.5；m為炮孔密集系數，m=a/W；K1為根據炮孔密度而定的系數，取K1=0.5，但每加深1 m增加0.2；W為保護層(光爆層)厚度或最小抵抗線，m。根據同類隧道光面爆破經驗，中等堅硬巖石中進行光面爆破，每米炮孔(周邊炮孔)的裝藥量為200 g～250 g，軟巖石中進行光面爆破，每米炮孔(周邊炮孔)的裝藥量為150 g～200 g，即線裝藥量q=0.15 kg/m～0.25 kg/m。

2.4 爆破器材選擇

炸藥：選用乳化炸藥，周邊炮孔選用φ25 mm小藥卷，重150 g，長26 cm；掏槽孔、其余崩落孔均選用32 mm乳化炸藥，重200 g，長20 cm；雷管：選用普通非電毫秒延期雷管；導爆索：導爆索單孔加工藥串傳爆[6]。

3 光面爆破設計

3.1 測設開挖輪廓及爆破孔位置

將隧道輪廓、隧道中線用油漆畫在掌子面上，并作高程標識點，然后按照爆破方案的點位布置放出掏槽眼、輔助眼、周邊眼并用紅油漆做出標記，標記的點位偏差不得大于5 cm，周邊眼間距按50 cm進行測設標記，測設完畢選取其中3個點位進行復核，確認點位測設是否正確。

3.2 鉆孔及清孔

本隧道采用YT-28型氣腿式風動鑿巖機鉆孔，鉆孔時選用經驗豐富的鉆工司鉆，固定司鉆人數，安排每人負責自己鉆孔的位置。鉆孔實際操作做到“穩(wěn)、平、直、齊”四個字，并由經驗豐富的工班長指揮來確保鉆孔的精度。鉆孔過程需嚴格按照爆破參數執(zhí)行，精確控制鉆孔位置、方向和深度，特別是光爆層厚度和周邊眼的深度及外插角控制更為關鍵。鉆眼完畢，按照炮眼布置圖由現場技術人員對炮眼的孔距、孔深、鉆設角度進行驗收，鉆孔深度允許誤差為±2 cm，開孔中心允許誤差φ<3 cm，如鉆設參數不符合要求的需重新進行鉆孔，確保鉆孔的質量。

3.3 裝藥

裝藥前采用PVC管通孔，確認孔深滿足要求，而后采用木桿按水壓爆破裝藥結構裝藥。周邊眼使用空氣間隔、不耦合裝藥結構，導爆索起爆，將導爆索放入空底藥卷內，把炸藥綁扎在竹片上或者PVC管壁上裝入炮孔內。先在炮眼孔底裝入20 cm的水袋，再裝入2節(jié)水袋，最后進行堵塞[7],如圖2所示。

采用連續(xù)耦合裝藥方式對掏槽眼、輔助眼、底邊眼進行裝藥，將雷管裝入孔底藥卷，采用反向起爆裝藥結構。在炮眼孔底裝入20 cm的水帶,再裝入4節(jié)水袋，用炮泥進行堵塞。按爆破設計炮眼炸藥分配表確定裝藥量，所有炮眼應堵塞炮泥,堵塞長度不小于40 cm。圖3為其他孔眼水壓爆破裝藥結構示意圖。

3.4 起爆網絡連接及起爆

起爆網絡采用簇連法，使用擊發(fā)針擊發(fā)導爆管傳爆[8]。傳爆雷管的聚能穴要反向，被起爆的導爆管盡量均勻分布在起爆雷管周圍。連接好網絡后，需仔細檢查連接網絡各節(jié)點是否連接牢固，綁扎不牢的需及時補強。起爆前需先連通電源，檢查起爆網絡是否正常，待起爆網絡電流通暢穩(wěn)定后方可進行起爆。

3.5 清理開挖面危石及開挖質量檢查

通風后，用挖掘機對開挖面松動未脫落的危石進行清理排除，確保開挖面安全。及時組織測量人員對開挖輪廓面進行超欠挖值測量及周邊眼炮眼痕跡保存率、兩茬炮之間的錯臺值，以用于超欠挖統(tǒng)計分析，并作為本循環(huán)作業(yè)人員的獎懲考核依據及下一循環(huán)改進的基礎。

4 結語

1)通過對原施工段落對比分析隧道超欠挖情況，大大降低了超挖值，節(jié)省了隧道出渣方量及噴射混凝土回填方量、二襯混凝土回填方量等成本，保證了初支面的平整，有利于隧道防水施工質量，同時能有效減少工序銜接時間，大大降低處理欠挖、超挖等額外作業(yè)時間，提高了作業(yè)循環(huán)節(jié)奏，加快了施工進度，帶來了較大的經濟效益。

2)采用兩級楔形掏槽及水壓爆破等成套光面爆破施工工法在本隧道進行了長期實踐及調整，總結了以上光面爆破施工參數，取得了針對砂質板巖隧道光爆施工的良好效果，具體效果良好的光面爆破施工。

3)通過對砂質板巖隧道光面爆破工法的運用，有效降低了工人作業(yè)的施工時間，提高了作業(yè)安全環(huán)境，同時通過水壓爆破施工，水袋的霧化起到了一定的洞內降塵作業(yè)，減少爆破后通風時間，有效提高了洞內作業(yè)施工空氣質量，保證了工人的身體健康，起到了較好的社會效益。

[1] 楊劍鋒,文飛宇.隧道快速開挖及監(jiān)控量測施工技術研究[J].科技視界,2017(1):294-295,379.

[2] 李海港,齊 宏,張蔚博.水壓爆破在隧道施工中的應用[J].公路,2016,61(6):280-283.

[3] 張 寶.水壓爆破在單線隧道施工中的應用[J].中國新技術新產品,2015(17):170-172.

[4] 劉俊杰.水壓光面爆破在老格山隧道開挖中的應用[J].隧道建設,2014,34(11):1087-1091.

[5] 譚慶令.光面爆破技術在隧道施工中的應用[J].科技風,2012(24):138-139,146.

[6] 李洪良,穆如意.引紅濟石引水隧洞主洞光面爆破設計[J].山西建筑,2010,36(9):360-361.

[7] 劉民芳.淺談ZPW-2000A型站內電碼化常見故障處理方法[J].鐵路通信信號工程技術,2009,6(4):52-54.

[8] 范宏柱.淺埋既有人防隧道擴挖地鐵車站施工技術研究[D.北京：北京交通大學,2009.