裂隙巖體大斷面隧道爆破方案設計

王建龍,唐 海,易 帥,丁安松

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

鉆爆法具有經濟高效的優點，是隧道開挖最常用的施工方式。據統計，目前我國95%以上的隧道工程使用鉆爆法施工[1]。鉆爆法工序簡單，但爆破效果容易受巖石本身物理、力學性質等內在因素和炸藥性質、爆破工藝等外在因素的影響。近年以來，許多學者針對不同的工程地質背景，對爆破設計方案進行了研究。楊開印[1]、嚴立煒[2]、張安[3]等針對現場工程地質條件，采用楔形掏槽全斷面爆破設計；懷平生[4]針對以色列海法市中心卡邁爾公路隧道爆破工程，提出了鬧市中全斷面控制爆破設計方案；黃寶龍等[5]研究了河東煤礦巖巷掘進的特殊性，采用了準直掏槽孔全斷面一次爆破設計，有效提高了巖巷掘進率。

針對某隧道巖體復雜、裂隙發育的地質條件，為保證賦存Ⅲ、Ⅳ級圍巖的大斷面隧道施工順利進行，需要設計合適的爆破開挖方法與炮眼布置方案，以減少爆破損傷、提高掘進效率，滿足施工進度的要求。

1 工程背景

隧道所在區屬剝蝕丘陵地貌區，最大埋深約159.53 m。隧道段基巖主要由中至微風化花崗巖構成，屬相對隔水層，山體裂隙發育，斷層分布多，圍巖變化情況較大。隧道設計為分離式隧道，右線起訖樁號YK62+803～YK65+310，總長2507 m；左線起訖樁號 ZK63+815～ZK65+312，總長2497 m。隧道工程所處圍巖分為Ⅲ~Ⅴ級圍巖，其中左右線Ⅴ級圍巖總長724 m，為殘坡積土層與全強風化花崗巖；左右線Ⅳ級圍巖總長1530 m，為中風化花崗巖；左右線Ⅲ級圍巖總長2750 m，為微風化花崗巖；由于Ⅴ級圍巖結構松散，強度低，穩定性差，所以爆破方案設計主要針對微~中強風化的Ⅲ、Ⅳ級圍巖。

2 隧道爆破施工方案

2.1 爆破施工方案選擇

隧道工程的基本開挖方法一般有全斷面開挖、半斷面開挖以及分部開挖 3種方法。本工程Ⅲ~Ⅳ級圍巖裂隙發育，根據具體爆破方式對開挖安全性影響、爆后圍巖穩定性以及爆破效果和經濟成本等，擬選擇合適的開挖方法。

（1）從開挖安全性和開挖后圍巖穩定情況分析，工程所處山體圍巖裂隙多，圍巖情況復雜，全斷面開挖法無法進行局部支護，可能造成圍巖失穩致隧道塌方；半斷面以及分部開挖法充分考慮圍巖裂隙較多情況，可以先進行局部支護，增強圍巖的相對穩定性。

（2）從開挖效果分析，一般地質條件全斷面開挖法施工效率高，可以采用深眼爆破的方法，加快掘進速度。擬設計的隧道地質條件復雜，圍巖變化情況大，采用半斷面以及分部開挖法可以有針對性地進行爆破施工，加快掘進速度。

綜上所述，在本工程地質情況下，全斷面開挖法安全性和爆破效果不及半斷面和分部開挖法，所以選用半斷面、分部開挖法。

2.2 爆破施工方案及支護

如圖1所示，隧道Ⅲ級圍巖段采用半斷面開挖法，分上下臺階進行爆破，用錨桿作初期支護，先爆上臺階，后爆下臺階；Ⅳ級圍巖段采用分部開挖預留核心土法，上臺階注漿錨桿作超前支護，下臺階內外側開挖前作初期支護，分為6次起爆，按圖中的①至⑥部分依次起爆，每次爆破并及時支護后，才能進行下一次爆破。

圖1 爆破設計

2.2 .1 炮眼設計

鉆眼采用YT20或YT18型鑿巖機鉆孔，炮眼的數量和位置決定隧道開挖石方量、開挖進尺、隧道開挖成型效果和火工材料損耗的多少[4]。如圖 2所示，隧道圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，掏槽眼采用楔形布置，根據設計方案與地質條件，Ⅲ級圍巖掏槽眼與開挖面成71.8°夾角，Ⅳ級圍巖①部分掏槽眼與開挖面夾角取77.29°，②③部分夾角為84.26°；周邊眼向外傾斜，眼底距輪廓線為10 cm，考慮到本工程施工特點，以及爆破進尺要求，取周邊眼長度為Ⅲ級圍巖3.6 m、Ⅳ級圍巖2.3 m；底部眼孔間距為a=60 cm。周邊眼采用間隔裝藥，內部藥卷由導爆索連接，其他炮眼采用連續耦合裝藥，炮眼孔外起爆采用非電毫秒雷管。

圖2 Ⅲ、Ⅳ級圍巖掏槽眼布置

2.2 .2 炮眼裝藥量計算

根據本工程施工特點及Ⅲ、Ⅳ級圍巖循環進尺的現場要求，掏槽眼、輔助眼以及底部眼裝藥量均可按以下公式計算：

式中：q為單孔裝藥量，kg；k為炸藥單耗，kg/m3，一般為0.6～1.8，取0.8；a為炮眼間距，m；w為炮眼爆破方向的抵抗線，m；L為炮眼深度，m；λ為炮眼部位系數。Ⅲ、Ⅳ級圍巖周邊眼單位裝藥量分別為0.6 kg/m、0.21 kg/m。以Ⅲ級圍巖爆破參數為例，具體數據詳見表1。

2.2 .3 起爆網絡

采用孔內分段控制和孔外微差爆破相結合的方法進行起爆。起爆網絡總延遲時間控制在130 ms以內，采用局部簇聯、全斷面并聯的復式聯接網路。其中Ⅲ級圍巖分兩次起爆，先爆上臺階，后爆下臺階；Ⅳ級圍巖分為6次起爆（每次爆破并及時支護后，才能進行下一次爆破），按圖 2中的①至⑥部分依次起爆。每一部分的起爆順序為：首先掏槽眼起爆，然后輔助眼、周邊眼、底部眼依次起爆，具體起爆網絡見圖3。

表1 Ⅲ級圍巖臺階法開挖爆破參數

圖3 起爆網絡圖

3 爆破效果評價

為了確定爆破效果，現場分別從隧道變形與爆破成型兩個方面評價。

3.1 隧道變形監測

該設計隧道變形的安全閾值要求為2.0 mm/d。在爆破期間，在隧道設計沉降點與收斂點（見圖4），隧道每間隔5～10 m設計一個監測斷面，并每日測量斷面變形數據。以YK63+075的隧道斷面監測資料為例，作隧道變形監測曲線如圖5。從圖5可知，爆破期間斷面拱頂圍巖最大沉降速率為 1.4 mm/d；隧道兩側圍巖的最大收斂速率為 1.2 mm/d；累計收斂與沉降均不超過30 mm。隨掌子面的逐步推進，隧道斷面變形也逐漸趨于穩定。統計全區所有監測斷面的沉降、收斂數據，得到隧道最大沉降速率為1.8 mm/d，位于YK63+060斷面；最大收斂速率為1.9 mm/d，位于YK62+980斷面。以上監測數據表明，隧道變形數值皆在安全范圍內。采用該爆破設計方案施工期間，隧道整體變形較小，圍巖穩定，滿足了隧道的施工要求。

圖4 現場監測布點

圖5 隧道圍巖變形監測曲線

3.2 現場爆破成型

圖6為現場掌子面爆破效果圖，表明掌子面成型較好、周邊眼殘孔率高，爆堆集中，兩側圍巖損傷較小，炮眼利用率高，且進尺達到了施工要求。

圖6 隧道掌子面

4 結 論

根據隧道所處工程地質條件，對不同圍巖采用不同爆破方法，對隧道Ⅲ級圍巖采用半斷面爆破開挖，且斷面的楔形掏槽眼與開挖面成71.8°夾角，對Ⅳ級圍巖采用分部爆破開挖，上部頂斷面及側斷面楔形掏槽眼與開挖面夾角分別取為77.29°，84.26°。起爆采用局部簇聯、全斷面并聯的復式聯接網路。現場爆破施工期間，隧道變形較小，爆破成型明顯、斷面尺寸、循環進尺達到了設計要求，減少了超挖工程量和工程造價，獲得良好經濟效果，可為同類地質條件施工提供借鑒。

致謝：感謝湖南科大工程檢測中心及廣東中人集團建設有限公司的汪惠真高級工程師、高正工程師提供的變形監測資料及現場爆破實驗。