Ⅳ級圍巖大斷面隧道全斷面開挖輪廓控制研究與應用

李啟月，魏新傲,鄭 靜，張建秋，趙新浩

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.中交一公局第五工程公司，北京 100024)

0 引言

Ⅳ級圍巖巖體特征介于軟巖與硬巖之間，既可采用分步爆破開挖，也可采用全斷面爆破開挖[1]。隨著社會進步發展，分步爆破開挖循環作業效率低，安全隱患高，工人勞動量大等問題逐漸突出，而全斷面爆破開挖則無上述弊端，具有工序簡單，組織協調方便等優點，可以充分發揮機械設備進步的優勢，與隧道整體開挖發展趨勢相符。然而全斷面爆破施工存在對圍巖損傷較大，光面效果較差的問題。同時隨著大斷面隧道的趨勢日漸明顯，在進行全斷面爆破開挖時超挖嚴重，光面效果差的問題更為突出，不僅增加了隧道支護成本，還影響施工進度，因此，解決Ⅳ級圍巖大斷面隧道全斷面開挖光面效果差的難題具有重要意義的工程實踐意義[2-3]。

一直以來，眾多學者基于各種的理論方法對不同條件下的光面爆破參數提出相應的優化措施。宗琦[4]通過分析松軟巖石的爆破破壞特征，建立了軟巖巷道掘進時光爆參數的理論計算結構模型，并在工程實踐中進一步優化與完善；戴俊等[5]認為在低強度巖石中沒有考慮損傷影響是造成光面效果普遍較差的主要原因；汪學清[6]等通過計算分析和工程類比，得到適合軟巖巷道的光爆參數及技術措施；楊玉銀等[7]提出“雙層光面爆破”的概念，并取得了良好的光面效果；陳俊樺[8]等認為當巖體初始損傷較大時，應當增加裝藥不耦合系數和減小炮孔密集系數；張國華等[9]對采用推進式往復爆破作業的雙側壁導坑法施工的大斷面隧道進行研究，聲波結果表明，在推進式的多次爆炸荷載作用下，圍巖將產生一定程度和范圍的損傷，從而影響光面爆破效果。這些研究成果均取得了較好的工程效果，對光面爆破技術發展具有重要作用，但針對Ⅳ級圍巖下大斷面隧道全斷面一次爆破輪廓控制措施的研究還鮮有報道。

本研究以某特長隧道為工程背景，分析了爆破施工中導致輪廓圍巖損傷嚴重的主要因素，結合實際施工條件，基于現場試驗結果對爆破參數進行優化，對爆后測量數據進行統計分析，論證了現場輪廓控制及降振效果情況，為類似工程實際提供了借鑒。

1 工程概況

新疆某高速公路隧道為雙洞分離式隧道，隧道單洞設計總長11 780 m，屬于特長公路隧道。開挖斷面積達到91.7 m2，為大斷面隧道，隧道斷面輪廓圖如圖1所示。隧道圍巖主要巖性為微風化凝灰質砂巖，節理裂隙發育，以層理為主。隧道圍巖分布簡表如表1所示，其中Ⅳ圍巖段占隧道總長的29.7%，其里程近7 000 m。

圖1 隧道主洞輪廓(單位：m)Fig.1 Profile of main hole of tunnel

建設總工期僅4 a，連續跨越4個冬季，天山寒區冬期施工條件艱苦，施工組織難度大，工期壓力大，為此，在隧道Ⅳ圍巖段采用全斷面一次爆破開挖法施工，以提高循環作業效率時間，減少工人勞動量。但是在爆破施工過程中，出現光面效果差，超挖嚴重的問題，隧道平均線性超挖達到0.9 m，不僅沒有達到安全、穩定、快速施工的預期目標，反而增加了隧道支護成本，考慮到工期緊張及支護成本過高，解決隧道光面效果差及超挖嚴重的問題刻不容緩。

表1 圍巖分布簡表Tab.1 Simple table of surrounding rock distribution

2 Ⅳ級圍巖大斷面隧道全斷面爆破損傷效應分析及爆破參數優化

2.1 圍巖損傷效應分析

根據圖1所示的隧道輪廓圖，由于隧道斷面較大，設計總炮孔數達到182個，爆破總藥量高，采用非電毫秒導爆管雷管進行分段爆破。分析后認為導致光面效果差、圍巖損傷大主要原因體現在幾個方面：(1)最大單段藥量控制不足。通常所采用的光面爆破起爆順序是遵循：掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔的原則，但是由于隧道斷面大，若嚴格按照此順序，則出現二圈孔及相鄰段位單段藥量過大，不能有效控制爆破震動對圍巖的損傷。因此，必須在光面爆破起爆原則基礎上，對起爆順序進行優化，嚴格控制單段起爆藥量，使之達到最佳降振效果。(2)高段位雷管漂移時間過大。按照設計的起爆順序，則周邊孔起爆段位達到MS15段，其延時毫秒為(880±60)ms，可以發現MS15起爆誤差在120 ms以內，已經不能有效保證光爆孔同時起爆，在炮孔連心線方向無法進行有效的應力波疊加從而形成較好的貫通裂縫，故導致光面爆破效果差[10]。(3)光爆層損傷效應。由豪柔公式(3)可知光爆層厚度的確定僅根據周邊眼裝藥參數進行計算[11]，通常周邊孔裝藥少，故光爆層厚度一般比輔助孔層間距小。由于輔助孔先于周邊孔起爆，先起爆的輔助孔產生的爆炸應力波地震波的傳播、反射以及相互之間的作用使巖體的裂紋激活、擴展以及產生新的裂紋，使得光爆層巖石力學性質參數改變，特別是二圈孔爆破對其損傷效應最大，在Ⅳ級圍巖中，這種損傷效應更為突出[ 12-13]。因此，在進行周邊眼裝藥參數計算時，應考慮輔助孔爆破特別是二圈孔爆破引起的損傷效應。

2.2 爆破參數優化

通過以上爆破損傷效應分析可知，隧道圍巖條件及現場環境復雜多變，通過經驗或理論公式初步得到光爆參數適應性有限，需要進行優化才能在爆破施工中取得良好的光面爆破效果[10-11]。試驗場地選在該特長隧道，左洞樁號ZK19+890處進行。

首先應根據炮孔布置圖優化起爆順序，對于爆破參數的優化，應結合現場實際施工條件進行優化。影響光面爆破效果的爆破參數主要有周邊孔間距E、周邊孔線裝藥密度q1、裝藥結構參數、光爆層厚度W、二圈眼藥量q2，炮孔密集系數m等參數?？筛鶕饷姹评碚摴絒14]，初步計算得到Ⅳ級圍巖大斷面隧道光面爆破參數，如表2所示。

表2 初步計算得到的光面爆破主要參數
Tab.2 Initially calculated main parameters ofsmooth blasting

E/cmq1/(kg·m-1)W/cmq2/(kg·m-1)炮孔密集系數m500.21550.680.9

2.2.1起爆順序優化

為降低全斷面一次爆破振動對圍巖的損傷，在滿足光面爆破：掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔的起爆原則下，合理優化起爆順序，設計過程盡量使相鄰段別裝藥量及裝藥結構相同，降低最大單段藥量，使之達到最佳降振效果。具體操作為：(1)將起爆孔數量少的崩落段與部分底板孔的一同起爆。(2)將起爆孔數目較多的崩落段進行分段，拱頂部分單獨起爆，兩側幫位置則與下方底板眼一同起爆。總之，通過計算分析各個單段總藥量，合理分配輔助孔與底板孔的起爆段位，使之達到最優解。優化后的起爆順序見圖2。

圖2 全斷面一次爆破炮孔布置圖(單位：m)Fig.2 Layout of whole section primary blasting holes

2.2.2周邊孔起爆時差控制

起爆順序優化后的周邊孔起爆段位為MS15，其漂移時間不能有效保證周邊孔同時起爆，為降低周邊孔起爆誤差，可以采取孔外導爆索三角形搭接法。工程實踐中周邊孔導爆索通常起到孔內傳爆作用，使所有空氣間隔藥卷順利起爆，而忽略了其傳播速度快的特點，利用此特點將導爆索在孔外按照圖3所示進行連接，可以使相鄰炮孔在極短時間內同時起爆，從而使孔間貫穿裂縫發育最好，形成的光面平整。

圖3 三角形搭接現場圖及其示意圖Fig.3 field photo and schematic diagram of triangle lapping

2.2.3裝藥結構優化

周邊孔裝藥結構優化。考慮到Ⅳ級圍巖強度低，故周邊孔間距及線裝藥密度往往比經驗公式取更小值。但由于隧道斷面積較大，周邊孔設計孔數多，鉆孔任務重，為保證鉆眼精度，不宜再減小周邊孔間距，孔間距仍取E=50 cm。而周邊孔裝藥結構參數主要由徑向不耦合系數Kd和軸向不耦合系數Kl控制。實際施工中炮孔直徑及藥卷直徑均不變，即Kd確定，增加其軸向不耦合系數，降低周邊孔裝藥密度。確定裝藥量后，用小刀將藥卷切割幾段，均勻分布在炮孔內，防止裝藥段孔壁壓力過于集中，導致圍巖破壞嚴重，優化后的周邊孔裝藥結構如圖4所示，線裝藥密度q1降為0.18 kg/m。

輔助孔及底板孔裝藥結構優化。大斷面隧道爆破開挖不可避免導致爆破總藥量變大。為適當降低爆破總藥量及單段藥量，對輔助孔及底板孔裝藥結構進行優化，在不影響隧道正常爆炸施工情況下，降低其裝藥量，減少其鉆孔數。主要從兩個方面進行：(1)崩落孔及底板孔均采用水壓爆破裝藥結構，利用水的不可壓縮性，提高炮孔中能量利用效率，不僅降低了裝藥量，同時爆后的抑塵效果也非常明顯[15-16]。(2)底板孔孔底進行部分長度耦合裝藥，加強孔底起爆強度,能夠在增大底板孔孔間距即減小一定底板孔數目的前提下，克服斷面底部夾制性大的難題，防止出現根底現象。崩落孔及底板孔裝藥結構圖如圖4所示，其孔口各放置3個水袋，水袋總長度為60 cm，底板孔進行孔底處裝藥時，用小刀將兩卷乳化炸藥劃開后填塞，可達到耦合裝藥效果，優化后的崩落孔線裝藥密度q2為0.658 kg/m。

圖4 裝藥結構優化(單位：cm)Fig.4 Charge structure optimization (unit: cm)

2.2.4光爆層厚度優化

光爆層厚度即周邊孔的最小抵抗線，合理的光爆層厚度其值不能太大以使其在周邊孔的作用下順利崩落下來，又不能太小以防止反射應力波對周邊圍巖的破壞，也就是說在反射應力波傳到周邊時，周邊孔孔間貫通裂紋已經形成[17]。

故光爆層厚度W應滿足：

(1)

即

(2)

其中，c1為巖石中的縱波波速；vc為爆生裂隙的平均擴展速度，通?？扇c=400～500 m/s。光爆層巖石的崩落一般通過豪柔公式來確定厚度,即:

(3)

式中,qb為炮孔內的裝藥量；lb為炮孔長度；c為爆破系數，相當于單位耗藥量，對于f=4～10 的巖石其值變化范圍為 0.2～0.5 kg/m3。

通過前面損傷因素分析可知，周邊孔實際是在損傷已增大的光爆層中起爆。初步計算得到的光爆層厚度，往往在周邊孔起爆前已經被嚴重破壞，無法防止周邊孔反射波對圍巖的拉伸破壞作用。因此，必須對光爆層厚度進行優化，可采取如下兩種措施：

(1)適當降低二圈孔炸藥量，防止二圈孔炸藥單耗過大導致裂紋貫穿光爆層，對周邊孔及周邊圍巖造成較大的擾動及破壞，已通過優化輔助孔裝藥結構實施。

(2)適當增加光爆層厚度，增大光爆層的厚度，有利于應力波的能量向抵抗線方向轉移，而使作用于光爆層能量減弱，減小對其破壞程度，保證光爆層的完整性[16]。

為了驗證上述措施，在該隧道進行了預留光爆層的試驗，現場進行不同厚度光爆層試驗，試驗情況如表3所示。由于方案2中存在的光爆層中少量部位超挖情況，無法在圖片中清晰展現，故只將對比效果最為明顯的方案1及方案3的光爆層保留情況現場圖進行展示，如圖5所示。W=55 cm時光爆層破壞嚴重，部分完全崩落，周邊眼被破壞；W=65 cm 保留的光爆層破壞程度小，較為規整，沒有掉落現象，基本完好，故最終確定光爆層厚度W=65 cm。

表3 不同試驗方案光爆層保存情況Tab.3 Preservation of smooth blasting layer in different test schemes

圖5 預留光爆層保存情況Fig.5 Preservation of reserved smooth blasting Layer

3 試驗效果分析及評價

3.1 光爆效果分析

通過上述分析研究及現場試驗,對Ⅳ級圍巖大斷面隧道全斷面一次爆破方案主要光面爆破參數進行優化，表4為優化后爆破參數表，優化后的爆破方案在后續的全斷面爆破施工中取得良好的光面爆破效果，以左拱頂部位光面效果為例，優化前后的光面效果如圖6(a)～(b)所示。

表4 Ⅳ級圍巖全斷面一次開挖爆破參數Tab.4 parameters for whole section primary blasting excavation in grade IV surrounding rock

圖6 方案優化前后光面效果對比圖Fig.6 Comparison of smooth surface effects before and after scheme optimization

如圖6(c)所示隧道側壁炮孔痕跡較拱頂部位更明顯，拱頂由于巖體破碎，炮孔痕跡不如側壁明顯?？傮w來說，隧道光面效果較好，平均炮孔痕跡率由之前的49.3%提高至試驗后的91.1%，分別統計了方案優化前后8個循環的平均線性超挖值如圖7所示，可見與優化前相比，平均線性超挖值大幅降低，同時符合根據《公路隧道施工技術規范》(JTG F60—2009)[18]所規定的中硬巖、軟巖超挖拱部最大允許超挖值0.25 m。

圖7 方案優化前后8個循環的平均線性超挖值及炮痕率Fig.7 Average linear over-excavation value and blasthole trace rate of 8 cycles before and after scheme optimization

3.2 降振效果分析

為了降低全斷面一次爆破過程對圍巖的擾動，通過優化起爆順序，裝藥結構等措施，嚴格控制東天山隧道單段起爆藥量和一次起爆總藥量。在爆破施工過程中，對其爆破振動進行了監測[19]，圖8為地面距離掌子面75 m處測點爆破振動波形，爆破最大峰值振速發生在掏槽段為 2.131 cm/s，遠遠小于爆破安全規程交通隧道最大振速標準的規定[20]；另外可以明顯看出周邊孔MS15段起爆時間在0.88 s，即880 ms附近振速較為集中，說明采取的三角形搭接法對周邊孔孔間起爆時差控制效果良好。崩落及底板段整體峰值振速分布比較均勻，說明優化后的起爆順序降振效果明顯。

圖8 全斷面一次爆破振動監測結果Fig.8 Vibration monitoring result of whole section primary blasting

由分析以上結果可知，針對Ⅳ級圍巖隧道全斷面一次爆破開挖光面效果差，超挖嚴重的難題所采取優化措施是可行的，能夠有效減少全斷面一次爆破對類似隧道圍巖的損傷，從而改善光面爆破效果。

4 結論

(1)本研究以某特長隧道為工程背景，分析了實際開挖導致輪廓圍巖損傷嚴重的主要因素。基于現場試驗結合理論分析，對光爆層厚度、裝藥結構、起爆順序等爆破參數，進行優化，研究結果可為類似工程提供借鑒。

(2)其中根據預留光爆層試驗中二圈孔爆破對光爆層的破壞程度，優化選取了合理的光爆層厚度W=65 cm，并通過導爆索三角形搭接及改進起爆順序等措施，有效降低了全斷面一次爆破對圍巖的破壞。

(3)優化后的爆破參數取得良好的光面爆破效果，炮孔痕跡率達到了90%以上，平均線性超欠挖控制在0.25 m以內，有效解決了超挖嚴重的難題；爆破最大峰值振速發生在掏槽段為 2.131 cm/s，整體振速分布比較均勻。

(4)在Ⅳ級圍巖隧道全斷面一次爆破中由經驗類比公式得到的爆破參數，必須通過現場試驗法進行優化才能取得好的爆破效果。