特大斷面公路隧道的光面爆破技術研究

韓東山　張梓松　龔海波

摘要：光面爆破是減少圍巖超欠挖和破裂損傷的關鍵技術。以京滬高速濟南連接線漿水泉特大斷面隧道為工程背景，在總結分析原常規爆破方案存在的主要問題基礎上，經過多次現場光面爆破試驗與爆破參數優化，進而提出了一套適合于漿水泉隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖的光面爆破方案。應用結果表明：光面爆破技術可有效地控制圍巖超欠挖及爆破損傷，將平均線性超挖量由原來的0.20～0.25m降低到0.07～0.12m，保證開挖輪廓的光滑平順，有利于圍巖穩定。

關鍵詞：特大斷面;隧道掘進;光面爆破;超欠挖;爆破損傷

前言

現今我國關于大斷面隧道開挖的方法總結歸納起來主要有兩種：第一種是近幾年來從國外引進的TBM掘進機，TBM掘進機施工進度快，但在山嶺隧道施工中，由于其成本高，且易受到地質條件的限制，有時具有很大的局限性;第二種就是鉆爆法施工，鉆爆法由于其靈活多變、適應較強、成本較低等特點在我國山嶺隧道中得到了廣泛的應用。本文以蘭渝線關子嶺隧道爆破開挖為例，對采用的兩種不同爆破方案與開挖方案進行對比分析，為其他類似工程提供借鑒和參考。

1工程概況

漿水泉特長隧道是濟南二環南路東延工程的控制性工程，采用分離式結構、雙向八車道設計，左線全長3101m，右線全長3085.4m，凈跨度16.7m，是目前全國最長的雙向八車道山嶺公路隧道，被稱為“山東第一隧”。洞身穿越地層為上更新統粉質黏土，奧陶系和寒武系灰巖、白云質灰巖及生物碎屑灰巖，多屬Ⅲ級、Ⅳ級圍巖，局部區段Ⅴ級圍巖，巖石單軸抗壓強度60～100MPa。隧道周邊200m范圍內無建（構）筑物和地下管線。

2公路施工中的隧道光面爆破技術應用

2.1測量及鉆眼中的應用

公路隧道施工中的關鍵環節是測量放樣，該環節是爆破技術的基礎性工作，需滿足光面暴露的施工標準。測量放樣時利用全站儀處理相關問題，保證隧道中心線與拱頂高程的準確性，放樣測量工作所需標準隧道施工的輪廓線，利用特殊標記明確鉆孔位置，保證鉆孔布設滿足技術要求，測量放樣工作的開展能及時調整爆破參數，從而有利于提升光面爆破技術的應用效果。在鉆眼布置時，針對公路隧道的施工標準進行分析，保證鉆眼后的爆破工作有效開展，鉆眼布置需注重方向與隧道地質垂直，槽眼深度大于普通鉆孔20cm。硬巖施工時，眼口設置在輪廓線10cm以內的距離。

2.2清孔作業的應用

公路隧道施工時，針對挖掘面的不平衡現狀，可利用光面爆破技術調整鉆眼位置，保證鉆眼深度的統一性，在同一平面下達到處理面平整的目標。鉆眼施工需保證設備及地面處于垂直狀態，控制鉆眼直徑及深度，滿足設計標準。爆破轉眼施工后，檢測其深度，與公路隧道設計標準一致后，展開后續的爆破工作。鉆眼施工后，需對鉆眼進行清理，觀察鉆孔沉渣是否達到預定標準，若沉渣量較大需完成清孔作業。

2.3爆破施工的應用

根據設計圖紙對鉆眼進行分組后，自上而下裝配炸藥，避免雷管發生混淆。為防止不耦合系數對爆破參數產生影響，可利用小劑量的導爆索。炸藥安裝后根據鉆眼位置確定泡泥，一般情況下，堵塞周圍鉆眼的長度應當在20cm及40cm。光面爆破施工技術為達到預期的標準，在各個鉆眼爆破的同時，可利用分段并聯法連接炸藥，滿足起爆標準。爆破施工中觀察導爆索是否發生超前破壞。為保證炸藥同時爆炸，也可采取高端延遲雷管進行爆破。

3隧道開挖方案數值分析對比研究

3.1隧道開挖的有限元理論

3.1.1有限元分析的步驟

有限元的分析步驟概括起來，可以分為以下幾步：

（1）連續體的離散化。離散化即是將給定的連續體分割成等價的有限單元組合系統，在地下結構分析中，要模型化的巖土介質連續體的范圍一般是不能明顯確定的，可能要考察在水平和垂直方向上都是無限大或非常大的巖土底層介質。由于實踐上的限制，通常引入考察并將其離散化的只是處理這種大連續體中與地下結構物相鄰近的有意義的部分圍巖;對應力波在地層中傳播問題的有限元解析中，因為有復雜的邊界效應，而建議人為地設置邊界阻尼等處理方法;

（2）選擇場變量模型（位移模式）;

（3）按變分法（或虛功原理）推導單元剛度矩陣，形成平衡方程;

（4）綜合整個離散化連續體的代數方程式組：

[K]{δ}={R}并引入幾何邊界條件，在結構的邊界處位移是給定的。并按此適當修改上述方程;

（5）解算結點場變量矢量（單元結點的未知位移）;

（6）由結點場變量幅度矢（結點位移）計算單元合量（單元的應變和應力）。

3.1.2模擬隧洞開挖的荷載釋放法

隧洞開挖過程中，隧洞開挖面的空間幾何效應在縱斷面上表現為“半圓穹”約束，在橫斷面上則表現為“環形”約束，這兩種約束方式的聯合作用使得開挖面附近一定范圍內的圍巖體在無支護的情形下得以穩定。開挖面的環向約束效應在某種程度上受縱斷面方向的“虛擬”支撐力影響，在橫斷面上使洞周圍巖以及與支護結構共同構成的承載拱效應得以加強。隨著開挖面的不斷推進，開挖面的支撐效應會不斷地減小，在二維平面中，利用洞壁徑向位移釋放系數來反映開挖面徑向的“虛擬支撐力”的變化。

4結語

（1）隧道位移隨時間演化的過程是一個受多方面因素影響的復雜過程，其影響因素與位移之間存在極其復雜的非線性關系。雙曲函數不僅可以很好地擬和圍巖開挖后的初期變形，還可預估圍巖的最終變形量，且相關系數高。

（2）根據所選定的雙曲函數由極限公式可得到最終總位移量和沉降量為4.608m、10.101m，實測值達到預測總量的80的時間分別為50d和45d，根據求導公式得出第50d的位移速率和第45d的沉降速率分別為0.02m/d、0.04m/d，由此可綜合判斷圍巖在開挖45d后周邊位移及拱頂沉降均已穩定，可進行二次襯砌施工。

（3）根據以上分析結果可以看出拱頂沉降量約為周邊位移的2倍，拱頂沉降變化速度穩定，較周邊位移快。

參考文獻

[1]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2021，86（3）：465-744