錨碇隧道開挖爆破施工技術研究

張磊

（四川路橋華東建設有限責任公司，成都 610000）

1 引言

懸索橋具有跨度大、適應性強、節省材料等特點，在山區高速公路中常采用大跨度橋梁結構來跨越山溝及大河。錨碇結構是懸索橋中主要承受纜索拉力的結構。錨碇隧道對橋址區巖體要求高，施工工藝復雜，無法得到廣泛運用，而鉆眼爆破法具有適應性強、成本低、施工進度快等優點，在山嶺隧道施工中運用得較為廣泛。錨碇隧道爆破施工是一個反復作用的過程，使錨碇隧道圍巖損傷不斷增加，影響隧道圍巖的穩定性，直接關系著懸索橋的運營安全及使用周期[1-4]。錨碇隧道常采用光面爆破施工，根據錨碇隧道設計斷面的輪廓線布置光爆孔，確定光爆孔的裝藥系數和裝藥結構，形成平整、光滑的隧道周壁，減小爆破施工對圍巖的擾動，有利于保證錨碇隧道圍巖的穩定性。錨碇隧道采用光面爆破技術可有效控制超欠挖，以減少爆破施工對圍巖的損傷，加快施工進度，節約施工成本，給建設單位帶來巨大的經濟效益和社會效益。

2 工程概況

雅安側錨錠為隧道錨，分左右兩側，錨洞洞室整體為喇叭形，斷面由洞口向洞內逐漸變大。根據結構受力特點，隧道錨可分為錨塞體、散索鞍支墩、錨室、錨洞4部分。左右洞隧道錨軸線總長度為159 m，其中，軸室軸線長度為74.8 m，錨塞體軸線長度為39.2 m，錨洞軸線長度為45 m。錨洞凈斷面為6.4 m（寬）×6.6 m（高），拱頂半徑為3.2 m，底板反拱，半徑為4.64 m；錨塞體后錨面斷面尺寸為17.1 m（寬）×18.37 m（高），拱頂半徑為8.55 m，地面反拱，半徑為12.4 m。左右洞隧道錨間最小凈距為9.3 m，隧道錨與瀘定隧道最小凈距為26.42 m，大于2倍的單洞隧道寬度。錨碇隧道圍巖為閃長巖和蝕變二長花崗巖，巖體中存在節理裂隙，且受后期卸荷影響，前期構造產生的部分節理裂隙產生張裂縫。

3 錨碇隧道施工難點分析

1）由于錨碇隧道的結構特點及隧址區域復雜的工程地質條件，隧道單次開挖進尺小，循環爆破對圍巖的擾動次數將不可避免地增加。

2）錨碇隧道的錨塞體位置處，中夾巖墻厚度小于2倍隧道跨度，為小凈距段施工。同時，懸索橋錨碇隧道和瀘定隧道的相對距離較小，為小凈距隧道。錨碇隧道開挖爆破施工需要嚴格控制爆破振動強度才能避免對鄰近隧洞和洞室的穩定性與安全性帶來影響。

3）由于錨碇隧道特定的結構形式，在不斷進行錨碇隧道的開挖爆破施工時，錨洞開挖斷面逐漸增大，需不斷對開挖爆破孔網參數進行調整，以適應設計斷面尺寸。

4）隨著錨碇隧道斷面不斷增大，為了破碎拋擲巖石，需加大炸藥用量，其引起的振動越來越強烈，但隨著錨碇隧道的不斷掘進，中夾巖墻的厚度不斷減小，中夾巖墻的振動控制越苛刻，如何控制振動強度與單循環進尺的總炸藥量是本工程的重大難點。

4 錨碇隧道控制爆破方案

4.1 錨碇隧道控制爆破技術方案

1）控制錨碇隧道每一循環的開挖進尺可以有效控制爆破振動強度，單循環進尺直接關系著單次爆破開挖方量，影響著施工進尺。因此，確定合理的隧道上臺階單次爆破掘進進尺，可以達到控制爆破振動的要求，還可以提高施工效率。根據本工程地質條件和爆破振動控制標準，錨碇隧道上臺階單次爆破掘進進尺確定為1.8 m，并對施工過程中爆破振動強度進行監測，當振動強度遠小于振動控制標準時，可以適當增加單次爆破掘進進尺。

2）錨碇隧道施工過程中，受開挖爆破自由面條件的限制，雖然掏槽孔單段起爆藥量不是最大的，但在掘進和爆破的所有炮孔中，掏槽孔開挖爆破所受的夾制作用最大，因此，在錨碇隧道掘進爆破引起的振動強度中，掏槽孔最為強烈。為充分利用掌子面有限的自由面，減少掏槽孔的夾制作用，降低爆破振動強度，在進行錨碇隧道設計時，應盡量減小掏槽孔軸線與掌子面的夾角，錨碇隧道在單次掘進爆破進尺為1.8 m時，掏槽角選取為50°~65°，隨著隧道開挖寬度不斷增加（8~17.7 m），掏槽角越來越小，掏槽爆破的振動明顯減弱。

3）錨碇隧道掘進爆破的炮孔數量較多，為了控制爆破振動強度，必須采用毫秒微差延遲起爆技術控制隧道掘進爆破單次起爆藥量。因此，為了減少各段炮孔引起的地震波相互疊加，每段炮孔之間或同類炮孔中不同圈層炮孔之間的起爆時差應控制在50 ms以上。同時，對實時監測的監測結果進行判讀和分析，確保各段爆破的振動速度不形成50%以上的疊加，作為起爆延時時間的依據。

4）為了減弱開挖爆破對錨洞圍巖的擾動破壞，同時，使爆破開挖形成平整的輪廓線，并有效地控制隧道的超挖和欠挖，隧道開挖邊界上的周邊孔采用光面爆破。根據錨碇隧道圍巖情況，光面爆破的炮孔間距選為40~50 cm，現場鉆孔時根據實際情況對炮孔間距進行調整，周邊孔采用的線裝藥密度不小于0.2~0.3 kg/m。周邊孔采用光面爆破藥卷，炸藥爆速最好控制在約2 200 m/s，藥卷直徑控制在20~25 mm，并且采用徑軸向不耦合裝藥結構，減弱光面炸藥起爆引起的應力波對孔壁圍巖的沖擊，避免在隧道周壁產生粉碎圈，縮小爆破對圍巖的擾動范圍。

4.2 錨碇隧道控制爆破設計

錨碇隧道鉆眼爆破的炮孔直徑為40 mm。

4.2.1 錨碇隧道爆破參數設計

1）單循環爆破進尺。根據錨碇隧道區域的地質條件、隧道施工進度、小凈距隧道及鄰近隧道的振動控制要求，錨碇隧道單次掘進爆破施工進尺為1.8 m，考慮到隧道爆破炮孔利用率為0.9，故本次爆破方案炮孔深度設計為2 m。

2）炸藥單耗。依據錨碇隧道的開挖斷面尺寸、隧道圍巖強度及巖石的完整度，并結合相關工程開挖爆破經驗，爆破施工采用2#巖石乳化炸藥，本工程開挖爆破設計采用的炸藥單耗為q=1.0~1.2 kg/m3。

3）單次開挖爆破的炸藥量。每次開挖爆破所需要的炸藥量根據錨碇隧道斷面尺寸、隧道單次開挖爆破進尺和巖石炸藥單耗確定。由于錨碇隧道每次開挖的斷面尺寸都不相同，故每次爆破所需要的炸藥量各不相同，每次根據爆破的振動及巖石爆破破碎效果對單次爆破所使用的炸藥量進行調整。單次開挖爆破所需的炸藥量計算式如下：

式中，q為炸藥單耗，kg/m3；s為隧道掘進斷面面積，m2；L為掌子面上炮孔的平均深度，m；η為炮孔利用率，一般在0.85~0.95，設計按照0.90計算。得到前錨室段單循環爆破的炸藥耗量為Q=43~58 kg。

4）炮孔堵塞長度。炮孔堵塞長度一般可根據炮孔直徑確定：

式中，l堵為堵塞長度，m；d為炮孔直徑，m。經計算，對于光面爆破孔的堵塞長度應不小于0.4 m，其他炮孔的堵塞長度為0.8~1.0 m（掏槽孔可取小值）。

4.2.2 錨碇隧道爆破施工設計

1）炮孔設計。錨碇隧道上臺階開挖爆破中掏槽孔和輔助掏槽孔均按矩形布置設計，炮孔深度均為2.2 m，掏槽孔的排距為0.5 m，孔口距為2.6 m，并根據隧道開挖寬度做相應調整，掏槽孔與掌子面夾角約為61°；輔助掏槽孔排距為0.65 m，孔口距為3.2 m，同時，按隧道開挖寬度做出相應調整。隧道開挖掘進孔按半圓弧形布置，炮孔深度為2 m，各圈掘進孔的孔距約為1.0~1.2 m，排距為0.9~1.0 m。周邊光面爆破孔沿著錨碇隧道開挖輪廓線進行布置，炮孔設置1°~2°的外插角，為下一循環爆破留有鉆孔作業空間，還能有效控制超欠挖。上述設計參數是根據隧道斷面尺寸為標準斷面B時進行設計的，施工時掘進炮孔的位置允許在5~10 cm范圍內，其余的調整間距則不能大于5 cm。標準斷面B上臺階掘進爆破炮孔布置剖面及裝藥結構圖如圖1所示。

圖1 標準斷面B上臺階掘進爆破炮孔布置剖面及裝藥結構圖（單位：cm）

2）裝藥結構。錨碇隧道掏槽孔、輔助掏槽孔和掘進孔設計采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長度為200 mm；周邊孔采用光面爆破專用炸藥，藥卷直徑為25 mm，長度為200 mm。除周邊光面爆破孔，其他炮孔均采用連續裝藥結構，周邊光面炮孔采用間隔裝藥結構。掏槽孔設計裝藥量為7卷；輔助掏槽孔設計裝藥量為6卷；掘進孔設計裝藥量均為5卷；光爆孔裝藥量為3卷。為使爆破效果提高，所有炮孔均采用反向起爆方法引爆孔內炸藥，即在炮孔底部放置起爆藥卷。周邊光面爆破孔全部采用導爆索，使周邊光面爆破孔同時起爆，以獲得更好的光面爆破效果。周邊光面爆破孔裝藥結構如圖2所示。

圖2 周邊光面爆破孔裝藥結構

3）起爆網路。錨碇隧道開挖爆破采用毫秒延時微差爆破，起爆順序為：掏槽孔、輔助掏槽孔、掘進孔、周邊孔。各段炮孔起爆間隔時間為50 ms，周邊光面孔與最后一圈掘進孔的起爆時間差應大于100 ms，以保證光面爆破效果。

5 錨碇隧道爆破振動分析

標準斷面A掏槽孔爆破開挖引起中隔墻的振速峰值為11.87 cm/s，標準斷面B掏槽孔爆破開挖引起中隔墻的振速峰值為9.12 cm/s。根據相關研究表明，錨碇隧道不同區段開挖爆破的振動控制標準為：錨碇隧道上段振動速度閾值為20 m/s，錨碇隧道中段振動速度閾值為15 m/s，錨碇隧道下段振動速度閾值為11 m/s。這2個斷面的爆破振動峰值均小于錨碇隧道不同區段開挖爆破的振動控制標準。因此，該爆破設計可以確保錨碇隧道掘進爆破施工安全，并能有效加快施工進度。

6 結語

1）由于錨碇隧道自身結構的特殊性，在隧道掘進爆破過程中需要根據不同的斷面形式采用合理的爆破設計方案。

2）隨著錨碇隧道開挖深度不斷增大，隧道間間距也不斷減小，屬于小凈距隧道；而錨碇隧道鄰近存在既有的二郎山隧道，故掘進爆破施工時需要考慮爆破振動對鄰近結構的影響。

3）錨碇隧道掘進爆破中，掏槽孔爆破引起的爆破振速最大，在對中隔墻振動速度進行監測時，主要監測上臺階開挖爆破施工。