暗挖隧道爆破開挖質量控制研究

嚴 國 慶

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000)

暗挖隧道施工中爆破開挖質量控制一直是施工的重難點，超挖過多不僅造成出渣量和襯砌量增多，而且提高了工程造價，由于局部超挖會產生應力集中，影響圍巖的穩定性，超挖也給后續施工工序，如噴射混凝土、鋪設防水板等作業造成一定的困難；欠挖則直接影響襯砌的厚度，處理起來費時費力。所以無論是超挖還是欠挖對隧道施工的工期、安全、質量以及經濟效益都有直接的影響和損失[1]。因此，減少隧道超欠挖，開展提升隧道爆破質量的技術研究顯得尤為重要[2]。

1 工程概況

深圳地鐵8號線望基湖停車場入場線隧道全長為2 095.864 m，入場線連接深外站至停車場。共兩個工作面，由2號斜井進入正線左右大小里程各有一個作業面。2號斜井洞口位于望基湖上游咽喉區旁，斜井井身全部位于梧桐山山下，洞口周邊環境單一，無影響隧道施工的建構筑物，施工環境較簡單。

隧道的爆破開挖質量主要表現在對圍巖的損傷程度，在施工中要把圍巖的損傷程度控制在最小限度[3]。影響隧道開挖質量的好壞綜合來說與諸多因素有關，其主要可以歸納為隧道的工程地質條件、光面爆破技術水平、鉆孔精度、施工管理以及相應的技術措施等。

地質條件是指隧道穿越地層的巖性，包括巖層的產狀、斷層節理裂隙的發育情況、風化程度等，地質條件是一個極其復雜而又不可預見的要素。前期的地質勘探資料往往只是對隧道區域地質情況的一個大概勘測，由于受地形和環境以及精度的限制，準確性都大打折扣，對細部地區的勘測往往不足，有時經常和現場的實際地層相差很遠[4]。因此，在施工期間可以通過超前探孔以及地質雷達進行超前探測，初步探得圍巖狀況。

入場線隧道小里程方向下穿望基湖水庫，埋深淺，處于第四系殘積層與強風化凝灰巖之間，節理裂隙發育，地下水豐富，屬于Ⅴ級圍巖，施工難度較大。此時對前方地質條件的超前探測非常重要。通過對地質條件的預測，針對風化程度不同巖層，選擇合理的開挖方式，調整爆破參數來控制其開挖效果。

但是對于巖石的節理裂隙以及斷層等產狀因素造成的影響則較難控制。在爆破開挖過程中，斷層和裂隙會改變爆破過程中周邊孔的最小抵抗線的大小和方向，使其難以從設計開挖線處開裂拋出，從而導致開挖面不夠平順，甚至造成較大的超欠挖[5,6]。

2 控制隧道開挖質量的措施

2.1 超前地質預報

由于施工前方圍巖的地質條件復雜多變且難以預測，因此，在施工過程中對掌子面前方的地質情況進行超前預報是十分重要的。超前地質預報亦是隧道信息化施工重要組成部分，目前國內通常應用地質雷達(GPR)作為超前地質預報的主要手段，它是一種較新的地球物探方法，具有操作簡單、便于攜帶、掃描速度快、分辨率高和圖像直觀等諸多優點[7]。

地質雷達在應用過程中，是通過巖土體自身的性質差異來完成探測工作。由于不同的圍巖介質有不同的帶電性，對電磁波的反射、折射、散射也大不相同。地質雷達先通過天線T發射高頻電磁波，高頻電磁波遇到存在電性差異的分界面時，會被不同程度的吸收、衰減和反射。然后利用天線R完成對反射波的接收。電磁波在不同電性介質的傳播過程中其場強、路徑、波形都會發生明顯變化。利用系統軟件研究分析回波特性，從而推測出目標體的空間位置、形狀、分部情況等，實現了對隧道地質預報的目的[8,9]。地質雷達工作原理見圖1。

針對入場線隧道圍巖較差的情況，應用GPR在地質情況探測過程中能有效的減少對圍巖的擾動和損害，只需天線貼掌子面掃面操作，效率較高[9]。在開挖過程中增加超前地質預報的強度，每開挖25 m左右就對掌子面做一次超前探測，提前了解圍巖的基本狀況。根據圍巖的實際情況制定合理的開挖方案及爆破方法，針對圍巖的變化，調整爆破設計參數，優化施工方案，做到有備無患、因地制宜，從根本上提升爆破質量。

2.2 加強光面爆破技術水平

據有關資料統計，光面爆破與普通爆破相比，超挖量由原來的15%～20%降低到4%～7%,既減少了后續工序的工作量，又降低了施工成本，加快了施工進度[10]。所以加強光面爆破技術水平是提升開挖質量的關鍵因素。

開挖前根據圍巖的實際情況制定合理的爆破設計方案。光面爆破分區起爆順序為：掏槽孔→輔助孔→周邊孔→底板孔。爆破方式采用多段毫秒串聯由內向外一次起爆。炸藥選用2號巖石乳化炸藥，該炸藥爆速值高、炮煙少、抗水性強具有良好的爆炸性能。導爆器材選用非電毫秒導爆管雷管，該種雷管安全可靠，光爆孔采用間斷軸向不耦合裝藥技術，不耦合系數控制在1.5～2.0范圍內。為了降低周邊孔裝藥的線密度，周邊孔采用φ25 mm小直徑藥卷，為克服底部炮孔的阻力，在炮孔底部裝入半條φ32 mm標準藥卷，如圖2所示，使光爆層順利的剝離巖體，一般巖石爆破炸藥消耗量在1 kg/m3左右。

另外在炮孔布置過程中還應著重考慮炮孔密集系數M的取值(M=D/W，D為孔距，W為抵抗線的大小)，它直接影響隧道爆破施工效果。合理地密集系數M，可以有效提高爆破能量利用率，從而取得良好的爆破效果[11]。入場線隧道開挖斷面約45 m2，跨度不大，光爆孔所受巖石的夾制作用較大。經爆破試驗數據歸納分析，密集系數M取0.87爆破效果最佳。

2.3 提高鉆孔精度

通過對入場線隧道若干循環開挖斷面統計分析，發現鉆孔精度對隧道超欠挖的控制有密切的聯系。鉆孔精度對隧道超挖影響主要是周邊孔外插角θ、開孔位置e和鉆孔深度L,它們與超挖高度h有如下關系：

h=e+L×tan(θ/2)。

隨著外插角和鉆孔深度的增加，超挖高度也逐漸增大。鉆孔深度L可以在施工中控制，在其他因素不變的條件下減少鉆孔深度對減少超挖是有利的。而外插角θ主要取決于鉆工的實際操作水平。所以控制合理的開挖進尺，做好工人技術培訓工作是很重要的環節。另外隧道測量工作也要做到精益求精，施工中建立“二級復核”制及測量雙檢制，加密控制網，保證能有較多的“多余觀測條件”，以保證施工測量精度。過程中采用多重測量的方法，工班測量人員進行放樣，項目部測量進行復核，確認無誤后方可開鉆施工，同時定期對隧道內導線點及控制點進行復核，對測量儀器進行校準。

2.4 加強現場施工管理

在隧道的施工過程中制定開挖質量管理制度，實行技術人員定崗定責制，加強日常對開挖過程中的技術指導與監督。針對每一次爆破參數及施工方法的變化，要提前對施工人員做技術交底，使其明確具體的工藝流程，布孔、鉆孔、裝藥、聯網等技術要求。定期對工人進行技術考試，觀察其掌握情況，開展獎懲制度，對于開挖質量控制良好的和不達標的分別給予獎勵與處罰，充分調動大家的生產積極性?，F場技術員要針對每個開挖循環的實際情況填寫《爆破開挖效果分析表》，做到一循環一指導、一循環一記錄、一循環一分析?？偨Y本次開挖的不足，分析具體原因查漏補缺，突破解決問題的合理性方法。同時積極開展QC小組質量活動，執行PDCA質量環理念[12]，對存在問題進行系統性分析，堅持理論與實踐相結合，從根本上提升爆破開挖質量。

3 結語

在望基湖停車場入線隧道的施工中，爆破質量差及超欠挖較大的情況，引起了我們的高度重視。對此開展了關于開挖質量控制的分析與研究，制定了相應的質量控制措施。通過增加技術力量及加強質量管理，使隧道的爆破開挖質量得到了有效的提升。通過測量數據統計，周邊孔的炮孔痕跡率達80%～90%,超欠挖僅為4%，相比控制之前要低的多。開挖巖面較為平整，使應力集中相對減小，安全隱患大大降低，同時減少了二襯混凝土的投入，降低了工程造價，縮短了工期。