PVC管聚能爆破法在水平砂泥巖隧道中的應用

種玉配，齊燕軍，劉書奎

(1. 中鐵隧道局集團有限公司 勘察設計研究院，廣東 廣州 511400；2. 中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

水平巖層是目前隧道施工作業經常遇到的一種地質構造。隧道光面爆破若處理不好，會導致隧道拱頂出現大面積平頂、落石、塌頂等現象，不僅直接影響隧道的光面爆破效果，還會影響隧道圍巖穩定性、初支支護數量及二襯混凝土工程量，增加工程投資[1-4]。

房玉中等[5]在小相嶺隧道中對單位耗藥量、周邊眼間距和最小抵抗線進行優化，平均線性超欠挖降低了57.69%；王飛等[6]分析得出：水平巖層隧道的超挖與爆破作業擾動、開挖應力釋放、地下水影響均有關系；王安[7]通過在楔形孔中間布置中孔，減少了掏槽深度與藥量，減少了拱頂圍巖拉伸破壞；袁樹成[8]在甘河隧道水平巖層段通過合理設置隆芯1號電子雷管，隧道拱部平均線性超挖控制在10 cm左右，炮眼痕跡保存率大于90%；孫臣生[9]在五指山隧道中將周邊眼間距從70 cm調整為40 cm，減小軟弱圍巖循環進出，隧道平均超挖量控制在10 cm以內，炮眼痕跡率大于84%；申洪雨[10]通過精細計算光爆層厚度、周邊眼密集系數、裝藥量，提高了光面爆破效果，超挖量減少了15%。

筆者針對段家坪水平砂泥巖隧道，設計了一種PVC管聚能結構，提出了一種PVC管聚能爆破方法，從而提高水平巖層隧道光面爆破效果，減少隧道爆破開挖超欠挖量，加快施工進度，降低成本。

1 工程概況

段家坪隧道全長為10 722.98 m，為單洞雙線隧道，最大埋深為450 m，兩處淺埋處最小覆土分別為3.5、14 m。段家坪隧道隧址通過地層含有三疊系砂泥巖，該巖層為水平巖層，發育2～3組節理。

段家坪隧道在前期鉆爆開挖過程中，盡管采用了周邊眼光面爆破技術，但爆破后隧道拱部出現某一層理面整體剝落，出現了隧道拱部平拱現象。此時隧道拱頂以板或梁的形式承受著上部巖體重力，這種力學結構屬于梁或板式平衡結構[11]。在隧道拱頂部位，最大超挖量達到了108.4 cm，拱部超挖量基本在50 cm以上，這給后續工序造成了極大影響，同時為了處理大范圍的超挖，會增加工程造價。

2 PVC管聚能爆破方法

2.1 PVC管聚能結構

采用的PVC管聚能裝藥結構如圖1[12]。將Φ32藥卷沿著藥卷縱向剖分成兩半，將其中一半塞入帶有聚能結構PVG管中，然后采用膠帶對帶有聚能結構PVG管進行加固，然后放入周邊眼中。

圖1 PVC管加工成型效果

圖2為現場加工聚能結構及裝藥過程。在裝藥過程中，通過調整結構位置，保證裝藥結構中凹槽中心的連線平行于隧道斷面設計輪廓線。

圖2 聚能結構加工及裝藥過程示意

2.2 試驗要求

1)PVC管要求：現場炮孔直徑為42 mm，按照周邊眼不耦合裝藥結構，PVC管直徑為32 mm。

2)炸藥要求：必須采用乳化炸藥，炸藥卷直徑為32 mm。

3)測量放線：加密斷面測點標注，點間距約為60 cm，以便于工人控制周邊眼間距。斷面完成后，檢查前一循環超欠挖，在欠挖部位用紅油漆標注。

4)炸藥間隔要求：使用細木棍往PVC管聚能結構內塞入炸藥，嚴格按照間隔裝藥要求，控制炸藥卷之間距離在10～16 mm范圍內。

5)鉆孔要求：周邊眼眼距控制在60～70 cm，二圈眼眼距控制在80 cm，周邊眼與二圈眼眼距控制在60～80 cm，鉆孔過程中每層臺架之間安裝導向鉗，便于兩邊能夠對稱鉆孔。

6)填塞要求：現場采用塑料袋和軟紙殼進行填塞，填塞斷面形狀與PVC管聚能結構斷面相同，填塞長度不少于20 cm。圖3為周邊眼間隔裝藥結構示意。

圖3 周邊眼裝藥示意

3 現場試驗

3.1 現場爆破參數

在理論上PVC管聚能結構能增強聚能結構方向上的裂紋發展，周邊眼采用PVC管聚能結構后，設置周邊眼間距分別為60、 70 cm，線裝藥密度分別為0.2、0.25 kg/m，隧道爆破輪廓外觀效果統計如表1。

由表1可知：在周邊眼間距增大情況下，發現隧道拱腰部分爆破效果變差，其原因是在隧道拱腰位置，PVC管聚能結構方向與水平巖層層理結構基本垂直，爆破效果相對減弱，因此可在隧道拱腰位置上，周邊眼間距控制為60 cm，其余位置上周邊眼間距控制為70 cm。

全斷面開挖爆破參數如表2。炮眼布置如圖4。

表1 周邊眼參數及爆破效果

表2 全斷面開挖爆破參數

圖4 全斷面開挖炮眼布置(單位:cm)

3.2 輔助爆破措施

1)在拱頂位置，將周邊眼位置向設計輪廓線適當內移，少裝藥。在水平層狀圍巖中，隧道爆破后，拱部振動以豎向振速為主，由于巖層較薄，當藥量較大，且巖石保護層不夠時，拱部巖層很容易受較大的豎向振速影響，導致巖體拉斷破壞產生超挖。

2)在拱腰位置，減小周邊眼間距，確保裂隙向著利于輪廓成型方向發展，同時減小裝藥量，因為過大的爆破沖擊作用可能順夾層深入圍巖深處，造成層間松動，產生掉塊，并利用空孔導向來控制水平層理對斷面形成的影響。

3)在邊墻位置，因單個炮眼在豎直方向的作用范圍有限，應保證周邊眼間距小于層間厚度，要求周邊眼間距適當減小，同時在每個周邊眼之間增加淺眼，其鉆孔深度約為周邊眼深度的一半左右。

4)起爆總體順序是由內向外逐層起爆，先掏槽，而后輔助眼、周邊眼光面爆破，最后底板眼。或是先掏槽，而后輔助眼、底板眼，最后周邊眼光面爆破。其中掏槽眼起爆為隧道中線左右側呈“Z”字螺旋形交替起爆。

5)為降低爆炸沖擊擾動水平巖層層間結構，對周邊眼每個炮眼裝填一發電子毫秒電雷管，將周邊眼設置為2～3孔齊響，自隧道拱頂向下成組左右交替起爆。隧道電子毫秒電雷管總延期設置在700 ms以內，掏槽微差爆破時間3～5 ms，每批次炮排內炮眼間延期間隔為2～3 ms，每批次炮排間延期間隔在60 ms以內。

3.3 聚能爆破效果

圖5為試驗段隧道開挖斷面輪廓。從圖5可看出：采用PVC管聚能裝藥結構后，隧爆破開挖超欠挖值控制在較為合理范圍，試驗段DK452+088.7斷面和DK452+109.1斷面的超欠挖值基本上控制在15 m以內，除個別部位的超挖值超過20 cm，且相對初始爆破方案下的最大超挖量減少了78.8%。段家坪隧道爆破超欠挖情況得到了改善。

圖5 試驗段隧道開挖斷面輪廓(單位：cm)

4 現場存在問題及改進措施

4.1 現場存在問題

PVC管聚能爆破法在水平砂泥巖隧道施工過程中達到了光面爆破隧道成型控制效果，但仍然存在如下問題：

1)PVC管聚能結構是在現場通過切割機切割而成的PVC管，然后用膠帶按照設計的聚能結構進行綁扎。由于PVC管直徑過小，現場切割、綁扎較困難，PVC管消耗較多，同時工效也較低；

2)炮孔深度為4～5 m，當炮孔深度較大時，由于對PVC管進行切割綁扎，使得PVC管聚能結構整體柔性過大。在相鄰兩個周邊眼中聚能結構凹槽進行互相對中時，旋轉柔性太大的PVC管聚能結構比較困難，容易發生整體扭曲，不僅會影響工作效率，同時還會因聚能結構凹槽偏移影響光面爆破效果；

3)現場裝填PVC管聚能結構時，PVC管接觸炮眼壁，不能達到周邊眼不耦合裝藥效果。

4.2 改進措施

1)擬通過在工廠對PVC管進行加工成如圖6中的斷面形狀PVC管聚能結構。工廠加工可成規模化，方便省時，耗材低。同時該結構作為一個整體，不存在切割斷面，整體穩定性得以提高，可更好保證聚能結構凹槽的對中效果。

圖6 PVC管聚能結構示意

2)擬通過在PVC管壁外側，從PVC管底部開始每隔50 cm設置一個定位圓環，外徑與炮眼直徑相同，內徑與PVC管外徑相同，以達到PVC管聚能結構在炮眼內臨空效果。

5 結 論

通過現場PVC管聚能爆破試驗，可知PVC管聚能爆破方法能保證在水平砂泥巖隧道爆破掘進過程中隧道斷面成型的控制效果，結論如下：

1)PVC管聚能裝藥結構，能很好控制隧道爆破開挖成型效果，隧道爆破超挖值基本控制在15 cm以內，相對原始爆破方案下的最大超挖值減少了78.8%；

2)在隧道拱腰設置中，因水平砂泥巖層理結構和PVC管聚能結構方向基本垂直，爆破效果相對減弱，拱腰位置上周邊眼間距應適當小于其他位置處周邊眼間距；

3)PVC管聚能爆破方法可顯著提高水平砂泥巖隧道光面爆破效果，可節省因超欠挖而增加二次處理工程量，可縮短工期；

4)PVC管來源廣泛，同時工程規模化加工成型較為成熟，省時省材，相比現場加工，顯著提高工作效率。