基于軟弱圍巖條件下的地鐵隧道爆破施工技術

于 濤 姜世斌 趙國良 張文明 楊海超

(1.青島第一市政工程有限公司，山東 青島 266000； 2.山東科技大學，山東 青島 266590)

0 引言

在地鐵隧道的施工建設中，爆破施工是一個極其重要的環節。尤其是在穿越軟弱圍巖地帶的施工過程中，如何避免超欠挖的問題便成了難點。因此，對爆破參數進行適當地調整與控制，不僅可以降低出現超欠挖的可能性，也可以避免施工過程中出現坍塌等問題。

對隧道軟弱圍巖超欠挖控制技術的研究，王志賀[1]結合喬家坪隧道的施工案例，認為采用三臺階法、三臺階七步流水法可以有效的避免超挖的問題，并提出隧道進洞前做好陷穴及沖溝處理和準確測放隧道開挖輪廓線等解決方案；劉洋[2]基于羊子嶺隧道的施工案例，提出圍巖地質條件和鉆孔精度是產生超欠挖的原因，并從開挖方式、鋼筋綁扎、鋼筋焊接三個方面提出了應對措施。目前關于如何在具體的爆破設計中控制隧道軟弱圍巖超欠挖的研究不多。

本文根據實際工程地質情況，提出了一套完善的爆破設計方案。并通過實驗證實了此方案可在軟弱圍巖條件下的隧道施工建設中可行的實施。

1 工程概況

青島地鐵8號線工程觀濤站—科技館站區間線路出觀濤站，經觀濤社區，下穿耕海路，經溝角社區西北側向東敷設，后至岙東南路，沿岙東南路南行至科技館站。

區間位于耕海路北側20 m處，道路南側有自來水、熱力和燃氣管線，豎井兼做聯絡通道。區間隧道共有四個掌子面，分別是：右線小里程，圍巖等級為Ⅵ級；左線小里程，圍巖等級為Ⅳ級；右線大里程，圍巖等級為Ⅳ級；左線大里程，圍巖等級為Ⅳ級。

2 地質影響

該區間下伏基巖為燕山晚期粗粒花崗巖(γ53)，白堊系萊陽群山寺組(KIl)、青山群石前莊組等相關的巖層。

根據相關地質勘探資料研究發現，此斷裂北段和中段大部分被第四系所掩蓋，對應的走向為北東40°～55°，北西方向的傾角區間為70°～88°，斷層寬度大約為3 m。此斷裂伴隨線路，存在小幅度的交叉，相應的影響很明顯。

地鐵工程明顯受到以上該斷裂的影響，主要表現為巖體節理裂隙發育，圍巖的硬度存在明顯變化，同時在其中糜棱巖構造巖發育區域，可發現很明顯巖體破碎現象，巖塊的結合力不強，洞身穿越此段過程中可能產生涌水、掉塊相關問題。

根據地質條件和施工條件，觀濤站—科技館站礦山法施工段區間隧道采用臺階法施工。爆破施工過程中應該適當的控制裝藥量和進尺，及時做好臨時支護，同時加強監測。觀濤區間隧道爆破施工時存在以下難點：

1)區間隧道多次穿越圍巖破碎地帶，圍巖破碎帶隧道支護困難，處理不當會導致塌方等事故。

2)區間隧道側居民社區，邊線距離社區最小凈距為20 m，爆破施工時應該嚴格控制爆破振動，根據施工要求爆破振動控制在1.0 cm/s以內。

3 隧道爆破施工技術

按照施工設計，區間隧道有SⅤ2-B，SⅣ2，SⅢ2-A，SⅢ2-B，SⅢ2五種斷面，以SⅢ2斷面方案為例。

在夏季爆破參數確定時綜合應用了理論分析，工程類比與試爆相關方法，在確保爆破振動速度控制基礎上，適當的提升開挖成型質量和速度。

1)炸藥單耗的選取。

根據圍巖狀況以及類似工程經驗，確定出其SⅢ2斷面上臺階和下臺階的炸藥單耗為1.3 kg/m3，0.5 kg/m3。

2)炮眼深度與循環進尺。

根據圍巖等級相關的參數進行分析，設置上臺階循環進尺取0.75 m，炮眼深度區間為0.85 m～1.3 m。掏槽炮眼的長度設置為1.3 m，輔助眼和周邊炮眼深度都設置為0.85 m，外插角3°～5°；下臺階循環進尺綜合分析設置為1.5 m，輔助眼和對應周邊眼深度都設置為1.6 m。

3)炮眼直徑。

本設計選擇的風動鑿巖機型號為YT-28，設置的炮眼直徑d=42 mm。

4)炮眼布置。

a.掏槽眼。

本設計采用斜眼掏槽形式，如圖1所示。

b.周邊眼。

周邊眼在布置過程中選擇沿隧道開挖輪廓線布置模式，具體炮孔間距根據經驗公式和工程類比確定。周邊眼間距E與光爆層厚度W相關性主要是基于密集系數K進行描述，存在關系式，K=E/W。實踐表明，K=0.8左右較為適宜。根據工程經驗，對于本設計，取周邊眼間距E=500 mm,W=600 mm,K=0.83。

c.輔助眼。

輔助眼的間距a、排距b應該高于前者的最小抵抗線W，這兩個參數取值主要是基于炮眼的單孔裝藥量進行分析而確定出，本設計取a=500 mm～600 mm,b=600 mm～700 mm。

掌子面炮眼布置如圖2所示，斷面爆破參數見表1。

表1 區間斷面SⅢ2爆破參數

5)單孔裝藥量。

a.掏槽眼。

此參數取值時應滿足的要求為，爆破振速滿足要求基礎上應達到爆破效果。在設計過程中根據相應的經驗類比，且考慮到爆破振動情況進行綜合分析，而設置掏槽眼單孔裝藥量0.9 kg。

b.周邊眼。

周邊眼的裝藥量在設計過程中應該分析炮眼間距、裝藥集中度相關的參數而得到，在設計時根據經驗且綜合分析開挖圍巖情況而確定出其單孔裝藥量為0.2 kg。

c.輔助眼。

其裝藥量的主要影響因素為圍炸藥單耗、炮眼長度和圍巖的硬度以及間距等，在分析時主要是基于如下表達式確定出其單孔裝藥量。

q=τ·γ·L

(1)

其中，q為輔助眼的單孔裝藥量，kg；τ為裝藥系數。主要和圍巖的硬度存在相關性；γ為單位長度的藥卷的炸藥質量。可根據設計資料而確定出；L為炮眼長度，m。在長度為0.85 m條件下，計算得q=0.35×1×0.85=0.297 kg，取q=0.3 kg。

根據爆破設計炮孔數量，具體裝藥情況如下：

上臺階：

12個掏槽眼單孔裝藥0.9 kg；58個輔助眼的為0.3 kg；26個周邊眼的為0.2 kg。根據如下的表達式代入參數而得到其中每循環進尺總裝藥量：

Q=12×0.9+58×0.3+26×0.2=25.1 kg。

炸藥單耗q單耗=Q/V=1.34 kg/m3，其中，V=24.8 m3。

下臺階：

47個輔助眼和20個周邊眼的單孔裝藥都為0.3 kg。每循環進尺的總裝藥量為：

Q=47×0.3+20×0.3=20.1 kg。

炸藥單耗q單耗=Q/V=0.54 kg/m3，其中,V=24.4 m3。

4 爆破效果對比、分析

整體爆破效果良好，爆破振速控制較好。爆渣整體塊度均勻,掌子面輪廓較完整,未出現明顯的鋸齒形輪廓，基本不存在超欠挖。爆破前網路連接如圖3所示，爆破后效果如圖4所示。

5 結語

對于巖石硬度不大相對破碎的區間隧道爆破施工，隧道輪廓控制難度較大。為達到輪廓完整性的效果，降低超欠挖，打眼施工中要嚴格控制周邊眼的間距及單孔裝藥量。本次試驗裝藥連線總計用時約1 h，爆破后隧道輪廓線完整，未出現鋸齒形超挖，未出現補炮等問題。本次試驗同樣得到了業內同行的認可，但是炸藥單耗可進一步優化。通過多循環試驗，認為本設計方法可在施工隊鉆孔及裝藥水平較高，同級別圍巖地質下推廣。