隧道成型控制爆破技術及圍巖損傷范圍研究

尹文綱， 王海亮， 胡紅星， 張富強， 陳吉輝

(1. 中鐵三局集團有限公司， 山西 太原 030000；2. 山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地， 山東 青島 266590)

0 引言

鉆爆法施工是隧道工程常用的工法，尤其是對于超大斷面、變截面的巖石隧道。在隧道爆破施工中如何控制周邊超欠挖量一直是工程人員關注的問題。劉東等[1]和馮海暴等[2]從測量放線、鉆孔精度、爆破技術方面分析了隧道爆破超欠挖原因，并制定了相應的控制措施。李梓源等[3]提出在周邊眼輪廓線內鉆鑿“泄壓短孔”，利用LS-DYNA建立數值模型，并結合現場工程得出“短孔泄壓降振法”可有效降低周邊眼爆破振速，而且能夠保證隧道輪廓成型平整，減少超欠挖。光面爆破技術可有效解決超欠挖問題，溫新亮等[4]在大型地下硐室開挖工程中，提出一種“預裂成形+垂直深孔爆破掘進+水平光面清底”相結合的爆破方法，有效解決了單獨使用預裂爆破時易產生大塊及底板不平順等問題，提高了作業效率。深部巖體巷道光面爆破必須同時考慮原巖應力和巖石損傷的影響，為此，付玉華等[5]提出了損傷條件下深部巖體巷道光面爆破參數確定的計算方法。

光面爆破技術可有效減少隧道周邊超欠挖問題，但由于其一般適用于硬巖，對于Ⅳ—Ⅴ級軟弱圍巖效果并不明顯。一方面是由圍巖性質決定的，如圍巖存在節理、斷層、裂隙發育等； 另一方面是由于Ⅳ—Ⅴ級圍巖隧道開挖需要進行初期支護，而初期支護格柵拱架會影響周邊眼鉆鑿精度，加大誤差，導致爆破后隧道輪廓出現嚴重的超欠挖問題。對此，王海亮等[6]分析了格柵拱架限制下隧道超欠挖的成因，并提出了“長、短眼”控制爆破技術。本文在此基礎上進行了優化，依托青島地鐵海底隧道爆破施工，提出了2 m循環進尺條件下的工程參數，并運用理論計算、現場監測手段對該控制爆破技術造成的圍巖損傷量以及施工效果進行了分析。

1 工程概況和隧道施工循環進尺選擇

青島市地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區間(簡稱“瓦貴區間”)隧道工程是我國首條海底地鐵隧道，全長約8 077 m，其中海域段長約3 490 m。該工程是連接青島市主城區與黃島區的重要通道，南接薛家島瓦屋莊站，北連團島貴州路站，下穿膠州灣灣口海域。瓦貴區間隧道工程共分為2個標段，本文研究的對象是瓦貴區間隧道工程1標段，起自瓦屋莊站，里程為K23+640～K28+406，全長4 765.2 m，其中海域段長約1 521 m。1標段隧道主要位于微風化火山巖及變質巖中，圍巖等級為Ⅲ—Ⅴ，強度為40～150 MPa； 各斷層破碎帶處巖石為碎裂狀的安山巖、凝灰巖、流紋巖、角礫巖等。陸域段隧道埋深為15～120 m，海域段最大水深約42 m。本文重點對Ⅳ級圍巖段工程進行研究，其隧道斷面形式為三心圓拱形，并設置仰拱，斷面寬12.2 m，高8.41 m。海底隧道平面布置如圖1所示。

圖1 青島地鐵海底隧道平面布置

瓦貴區間海底隧道工程屬于地鐵工程，《地下鐵道工程施工及驗收規范》[7]中7.5.13項規定： 隧道開挖循環進尺在土層和不穩定巖體中為0.5～1.2 m，在穩定巖體中為1～1.5 m。由于區間隧道周邊環境良好，為加快項目目標的實現，類比相關工程經驗，組織專家論證會，對循環進尺進行優化。相鄰膠州灣海底隧道的成功經驗表明，Ⅴ級圍巖臺階法開挖循環進尺控制在1 m，Ⅳ級圍巖臺階法開挖循環進尺控制在1.6 m，Ⅱ—Ⅲ級圍巖全斷面開挖循環進尺為3.5～5.0 m。張唐鐵路五道梁隧道(長11 679 m)、老營溝隧道(長4 394 m)以及牡綏鐵路紅池隧道(長5 600 m)等施工經驗表明，Ⅴ級圍巖臺階法開挖循環進尺控制在 0.6～1.0 m，Ⅳ級圍巖臺階法開挖循環進尺控制在 2～3 m，Ⅱ—Ⅲ級圍巖全斷面開挖循環進尺為3～5 m。瓦貴區間循環進尺專家論證結果： Ⅳ級圍巖臺階法開挖循環進尺為2～3 m，Ⅱ—Ⅲ級圍巖每循環進尺為 3～5 m，施工時根據現場圍巖情況進行相應調整。

2 周邊“長、短眼”控制爆破技術

2.1 常規周邊眼布置方案

基于噴混凝土格柵拱架初期支護形式，常規的周邊眼炮孔布置如圖2所示，其中AM為設計的開挖輪廓線。鑿巖機沿OA方向打設炮孔，區域PABN完全處在爆破破碎區內，巖石完全崩落。隨著格柵拱架與掘進工作面間距OP的縮小，δ值逐漸加大，在炮孔長度AB不變的情況下，超挖量△ABM逐漸加大。在有些工程中，實測的最大超挖值可達60 cm，不僅對圍巖造成嚴重的破壞，而且加大了噴射混凝土的用量，造成嚴重的浪費。

圖2 常規周邊眼剖面布置

2.2 “長、短眼”布置方案

基于安全考慮，新的掘進循環開始時，格柵拱架與掘進工作面的距離OP不能過大，一般小于設計的格柵拱架間距。本工程設計的噴混凝土厚度為300 mm，取OP=500 mm，按照循環進尺為2 m計算，△ABM的面積為1.2 m2，考慮允許超挖值150 mm， 則1個掘進循環的超挖量為18.9 m3，每米進尺浪費的混凝土回填量為18.9 m3，按照當前市場價格商品混凝土380元/m3的單價計算，每米進尺回填混凝土增加的成本為7 182元。

為了解決超挖嚴重、施工成本增加的問題，本文對“長、短眼”布孔方式進行研究。所謂“長、短眼”布孔方式，就是在掘進工作面上沿隧道開挖輪廓線布置短眼，在距離開挖輪廓線一定距離的內側布置長眼，如圖3所示。“長、短眼”剖面布置如圖4所示。在圖4中，區域PALN、ABEG分別在長、短眼爆破破碎區內，能夠保證巖石完全崩落，其中EF、LM的線性尺寸不大于100 mm，將超挖量控制在隧道允許超挖平均值(150 mm)以內[7]。而區域BCD、GFH位于炮孔爆破的裂隙區內[8]，經人工或機械簡單處理，就會與周圍巖石分離，故該區域也不會產生嚴重的欠挖問題。

圖3 “長、短眼”平面布置圖

圖4 “長、短眼”剖面布置圖(單位： mm)

Fig. 4 Profile of layout of long and short blasting holes (unit: mm)

本工程初期支護噴混凝土厚度為300 mm，爆破循環進尺按照2 m設計，空頂距取為500 mm，短眼開孔位置PB為160 mm，角度17°，孔長800 mm，單孔裝藥量0.3 kg； 長眼開孔位置PA為80 mm，角度9°，孔長2 120 mm，單孔裝藥量0.6 kg。設計超挖限值EF=LM=100 mm。

爆破網路采用簇聯方式，所有炮眼共分為6簇，每簇采用2發1段毫秒延期導爆管雷管，最后使用導爆管四通連接導爆管，導爆管接發爆器起爆。炮孔布置如圖5所示(圖中數字除尺寸標注外其余均表示雷管段別)，爆破網路如圖6所示，上臺階爆破開挖經濟技術指標如表1所示，爆破參數如表2所示。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

Fig. 5 Layout of blasting holes on top heading (unit: mm)

圖6 上臺階爆破網路圖

開挖面積/m2循環進尺/m炮眼個數比鉆眼數/(個/ m2)炸藥量/kg裝藥單耗/(kg/m3)6821452.13122.10.9

表2 上臺階爆破參數表

3 圍巖損傷分析

在解決超欠挖問題的同時應保證隧道輪廓圍巖的穩定性，以保證隧道良好的成型效果。因此，本文對長、短眼爆破產生的損傷范圍作進一步分析。目前，爆破損傷范圍確定的方法有聲波測試法、數值計算法和質點峰值振動速度(PPV)法[9-11]。國內外普遍采用PPV判據來判斷巖體的爆破損傷范圍。

3.1 PPV法理論分析

根據《爆破安全規程》[12]中薩道夫斯基公式,計算爆破振動速度

v=K(Q1/3/Rd)α。

(1)

式中:v為質點峰值振動速度，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；Rd為爆心距，m；K、α分別為與爆區地形和地質有關的系數和地震波衰減指數。

在距離爆源較近時采用薩道夫斯基經驗公式計算誤差很大。對此，盧文波等[13]提出了爆破近區振動速度衰減公式：

v=kv0(rb/Rd)β。

(2)

式中：k為群孔爆破影響系數，一般取同時起爆炮孔個數；rb為炮孔半徑，m；β為地震波衰減系數，同式(1)中α；v0為在炮孔壁上的質點峰值振動速度，cm/s。

其中，

v0=p0/(ρrCp)。

(3)

式中：p0為炮孔內爆生氣體的初始壓力，Pa；ρr為巖體密度，kg/m3；Cp為巖體縱波速度，m/s。

周邊眼不耦合系數較大，裝藥炮孔孔壁平均初始壓力按式(4)計算[14]。

(4)

式中：pk為爆生氣體膨脹過程中的臨界壓力，一般取為100 MPa；pc為炸藥的爆轟壓，Pa；dc、db分別為藥卷直徑與炮孔直徑，m；lc、lb分別為裝藥長度與炮孔長度，m。

炸藥的爆轟壓

pc=ρ0ve2/4。

(5)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；ve為炸藥爆轟速度，m/s。

3.2 損傷范圍計算

由式(1)—(5)推導出損傷范圍公式，周邊長眼損傷范圍

(6)

表3 巖石爆破損傷的PPV臨界值

同理可計算得出周邊短眼爆破損傷范圍R2=0.33 m。

可以看出，雖然短眼裝藥量僅為長眼的一半，但是短眼裝藥半徑與孔徑之比大于長眼，對孔壁產生的爆炸壓力大，導致損傷范圍較大。施工中應注意短眼爆破引起的圍巖損傷，可通過減少一次起爆炮孔個數來降低損傷范圍。

4 工程質量分析

4.1 隧道超欠挖檢測

采用BJHD-3B型激光隧道斷面檢測儀對爆破后的隧道進行檢測，每次檢測在斷面輪廓上選取42個測點，根據監測數據利用軟件分析各測點超挖值。檢測結果顯示Ⅳ級圍巖段平均超挖值控制在150 mm以內，隧道輪廓平整，達到施工規范要求。例如： Ⅳ級圍巖段K27+660斷面超挖分布如圖7所示，平均超挖值為83 mm。

圖7 掃描斷面超挖值分布圖(單位： m)

Fig. 7 Distribution of overbreak amount of a tunnel cross-section (unit: m)

4.2 隧道變形監測

Ⅳ級圍巖段工程，每隔5～10 m布置1組測點，每次爆破后進行監測。監測頻率如表4所示(表中B表示開挖斷面寬度)。

表4 隧道變形

采用對數函數對現場監測數據進行擬合分析，以K27+660斷面為例，位移變形時態曲線如圖8所示。由圖8可知： 拱頂累計沉降量最大為8 mm，在第13天變形趨于穩定。凈空位移累計變形最大為4 mm，在第4天變形趨于穩定。監測結果顯示Ⅳ級圍巖段隧道內變形有效控制在10 mm以內，施工效果好。

圖8 隧道變形時態曲線

5 結論與討論

1)采用長眼與短眼結合的方式，提出循環進尺2 m、初期支護噴混凝土厚度300 mm、隧道允許超挖平均值150 mm條件下的工程參數，并通過理論計算得出每米進尺回填混凝土可節省成本7 182元。

②徑流年內、年際變化大。干流及主要支流汛期7—10月徑流量占全年的60%以上。黃河自有實測資料以來，相繼出現了1922—1932年、1969—1974年、1990—2000年的連續枯水段，平均河川天然徑流量分別相當于多年均值的74%、84%和83%。

2)采用PPV法計算得出在周邊眼10孔1段的情況下，長眼爆破時的損傷范圍為0.29 m，短眼爆破時的損傷范圍為0.33 m。工程人員可根據圍巖損傷范圍對長短眼開孔位置、裝藥結構、單孔藥量等爆破參數進行優化，以期達到更好的爆破效果。另外，應注意短眼爆破引起的損傷反而大，實際工程中可通過減少周邊眼同時起爆孔數來降低損傷范圍。BJHD-3B型激光隧道斷面檢測儀檢測以及隧道內變形監測結果顯示該技術可保證隧道良好的成型效果，同時也有利于隧道的穩定。

3)本文提出的“長、短眼”控制爆破技術以及圍巖損傷量均是基于連續不耦合裝藥反向起爆條件下的。后續可借助數值方法分析研究不同裝藥結構和起爆方式情況下長短眼的爆破松動圈，得出相應的爆破參數，以更好地指導工程實踐。

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