超大跨度公路隧道光面爆破方案研究

高景明，焦有智，侯文明，屈長發

1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471000

2.長安大學，陜西 西安 710000

21世紀是地下空間資源開發和利用的世紀，隧道作為地下空間利用的基本形式，在交通網中發揮著越來越重要的作用，目前我國已是世界上隧道工程規模最大、數量最多、修建速度最快的國家[1]。近年來，隨著國內各地公路改擴建工程建設，雙洞八車道超大跨度公路隧道工程越來越多。由于超大跨度公路隧道具有跨度大、扁平、開挖工序復雜等特點[2-6]，其結構受力較兩車道、三車道公路隧道更加復雜，掌子面及附近圍巖更容易失穩[7]，并且國內尚沒有成熟的超大跨度公路隧道配套修建技術，因此超大跨度公路隧道建設過程中施工質量與施工安全更難控制[8]。

光面爆破是隧道與地下工程施工的關鍵環節，合理的爆破方案能夠極大減少隧道掘進過程中對圍巖的擾動，有利于保持圍巖完整性及承載能力，爆破后的輪廓規整，可有效避免超挖、欠挖，節約工程成本[9-10]。王展望[11]以大常山隧道為工程依托，對光面爆破在高速公路隧道建設中的應用現狀進行研究。顧義磊等[12-13]在理論分析基礎上對光面爆破合理參數進行了研究；羅敏[14]基于新建張家口至唐山重載鐵路隧道光面爆破施工，開展了光面爆破多種關鍵技術研究；張繼春等[15]以濟南漿水泉隧道為工程背景，提出了一套適合漿水泉隧道的光面爆破方案；劉光武等[16-17]針對光面爆破在公路隧道中的適用性展開相關研究；此外還有許多學者對光面爆破技術在隧道開挖中的應用進行了研究[18-23]，取得了豐碩的成果，為光面爆破在工程中的應用、研究提供了一定的理論指導。但從整體來看，關于光面爆破的研究中尚沒有普遍適用于各種隧道開挖的參考公式，理論仍滯后于工程建設需求，關于超大跨度隧道中光面爆破的實踐經驗與研究則更少。因此，對超大跨度公路隧道中的光面爆破進行研究十分必要。

文章依托連霍高速（G30）新疆境內小草湖至烏魯木齊段改擴建項目XWGJ-3標段杏花村1號隧道下行線，對超大跨度公路隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖段采用的光面爆破方案、爆破效果及爆破對支護結構的影響等進行研究，以期為超大跨度隧道光面爆破理論研究提供一定參考。

1 工程概況

杏花村1號隧道位于新疆烏魯木齊市達坂城區白楊河右岸，與連霍高速緊鄰，為雙洞八車道高速公路隧道，其下行線隧道起訖里程為XK3494+731～XK3495+922，全長1191.0m。其中，Ⅳ級圍巖段開挖長度為554m，Ⅲ級圍巖段開挖長度為280m，Ⅲ、Ⅳ級圍巖段開挖長度占隧道全長的70%。

杏花村1號隧道下行線沿線山體基巖裸露，石炭系中統巴音溝第三亞組（C2bc），巖性主要為凝灰巖、凝灰質砂巖、凝灰質灰巖等，凝灰巖呈灰黃色、灰綠色、紫紅色等，表層風化嚴重，層薄層呈撓曲狀。凝灰質砂巖、灰巖呈灰黃色，表層5m左右強風化，下伏中風化-微風化巖層，呈厚層構造，構造節理不發育，巖石細小劈理較密集，易風化。

杏花村1號隧道Ⅲ級圍巖段采用上下臺階法開挖，其開挖與支護施工順序如圖1所示，具體順序為上臺階開挖1→上臺階初期支護Ⅰ→下臺階邊墻開挖2、3→下臺階邊墻初期支護Ⅰ→下臺階仰拱開挖4→仰拱填充Ⅱ→二襯施作Ⅲ。

圖1 上下臺階法開挖工序示意圖

杏花村1號隧道Ⅳ級圍巖段采用上臺階CD法開挖，其開挖與支護施工順序如圖2所示，具體順序為上臺階先導洞開挖1→先導洞初期支護Ⅰ、臨時支護Ⅱ→上臺階后導洞開挖2→后導洞初期支護Ⅲ、拆除臨時支護Ⅱ→下臺階邊墻開挖3、4→初期支護Ⅰ、Ⅲ→仰拱開挖5→仰拱填充Ⅳ→二襯施作V。

圖2 上臺階CD法開挖工序示意圖

隧道全線采用鉆爆法開挖施工，且采用光面爆破技術，以期達到避免隧道掘進時超挖、欠挖和減輕爆破對隧道圍巖的擾動等目的。

2 爆破方案

由于國內外超大跨度公路隧道的建設數量相對較少，配套的光面爆破技術還不成熟。杏花村1號隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖爆破方案是根據現場的爆破效果及時進行調整、優化最終確定下來的。

2.1 Ⅲ級圍巖爆破參數

（1）爆破參數選擇。Ⅲ級圍巖掘進鉆孔采用YT28型氣腿式鑿巖機，鉆孔直徑d=40mm，采用普通2號巖石乳化炸藥。考慮到Ⅲ級巖層的穩固性和支護拱架間距，確定控制一次爆破進尺L=3m，炮眼利用率為85%，具體的爆破參數如表1所示。

表1 Ⅲ級圍巖光面爆破方案參數表

（2）炮孔布置。Ⅲ級圍巖上下臺階法施工分步開挖爆破方案炮孔布置如圖3所示。輔助孔間距取值0.8m，周邊孔間距取值0.5m，底孔間距一般為0.9m，孔口比隧道底板高出0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。

圖3 Ⅲ級圍巖上臺階CD法爆破方案炮孔布置

（3）掏槽類型。Ⅲ級圍巖段采用上下臺階法掘進，上臺階一次全斷面開挖，爆破面積較大，為形成更大面積的自由面，保證爆破效果，采用多級復式楔形掏槽，掏槽具體布置如圖4所示。其中，內掏槽孔傾角為28°，主掏槽孔傾角為43°，輔助掏槽孔傾角由中心向外依次增大，分別為49°、56°、65°、75°和86°。

圖4 Ⅲ級圍巖爆破方案多級復式楔形掏槽（單位：m）

2.2 Ⅳ級圍巖爆破方案

（1）爆破參數選擇。Ⅳ級圍巖掘進鉆孔采用YT28型氣腿鑿巖機，鉆孔直徑d=40mm。采用普通2號巖石乳化炸藥。根據Ⅳ級圍巖的穩固性和鋼架間距，一次爆破進尺取L=2.4m，假定炮孔利用率為85%，具體的爆破參數如表2所示。

表2 Ⅳ級圍巖光面爆破方案參數表

（2）炮孔布置。Ⅳ級圍巖上臺階CD法施工分步開挖爆破方案炮孔布置如圖5所示。周邊孔間距取值0.75m，輔助孔間距取值1.05m，底孔間距一般為0.9m，孔口比隧道底板高出0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。

圖5 Ⅳ級圍巖上臺階CD法爆破方案炮孔布置

（3）掏槽類型。Ⅳ級圍巖上臺階CD法施工時，先行導洞掌子面與后行導洞掌子面均采用二級復式楔形掏槽，其具體布置如圖6所示，內掏槽孔傾角為66°，外掏槽孔傾角為73°。

圖6 Ⅳ級圍巖爆破方案二級復式楔形掏槽（單位：m）

2.3 爆破震速監測

爆破震動是爆破危害的主要構成部分，通常用爆破震速來衡量爆破是否對會構筑物造成危害。杏花村隧道開挖施工時，現場采用L20型智能爆破測震儀對Ⅲ、Ⅳ級圍巖段爆破震速進行監測，如圖7所示。

圖7 L20型爆破震速測試儀現場震速監測

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

周邊眼在爆破方案中所有炮眼的最外側位置，最接近隧道設計輪廓線，合理的周邊眼間距是保證爆破后輪廓平整、減小圍巖擾動的關鍵因素。基于上文所述光面爆破方案，杏花村1號隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖爆破后炮孔痕跡如圖8所示。由圖8可知，Ⅲ、Ⅳ級圍巖光面爆破后炮孔痕跡保留較完整，炮孔殘留痕跡之間巖石較為平整，即光面爆破時圍巖沿相鄰周邊眼連線破裂。經現場統計炮孔殘存率在80%以上，說明光面爆破方案中周邊眼的裝藥量、炮孔間距布置較為合理，有效避免了隧道開挖時的超挖、欠挖現象。由此可見，杏花村1號隧道Ⅲ級圍巖爆破方案中周邊眼間距取0.5m，孔深取3.0m，孔徑取40mm，裝藥0.45kg；Ⅳ級圍巖爆破方案中周邊眼孔距取0.75m，孔深取2.4m，孔徑取40mm，裝藥0.45kg是合理的。

圖8 光面爆破后炮孔痕跡

爆破方案的掏槽是否合理直接影響隧道的掘進速度。杏花村隧道Ⅳ級圍巖爆破采用二級復式楔形掏槽，循環進尺2.4m；Ⅲ圍巖采用多級復式楔形掏槽，循環進尺3.0m。爆破后掌子沒有出現較大的凸起或凹進，掌子面附近圍巖穩定，沒有出現坍塌、冒頂現象，如圖9所示。

圖9 光面爆破方案效果

3.2 爆破震速分析

通過對上述波形圖進行頻譜分析，得出Ⅳ級圍巖和Ⅲ級圍巖質點的主頻率與峰值震速，結果如表3、表4所示。

由表3可知，Ⅳ級圍巖爆破時震波在X、Y、Z三個方向的主頻率分別是260.4Hz、99.7Hz、156.2Hz，質點峰值震速分別是0.275cm/s、0.253cm/s、0.482cm/s；由表4可知，Ⅲ級圍巖爆破時震波在X、Y、Z三個方向的主頻率分別是68.9Hz、66.0Hz、41.1Hz，質點峰值震速分別是0.046cm/s、0.034cm/s、0.036cm/s。

表3 Ⅳ級圍巖XK3495+120斷面爆破震速監測結果

表4 Ⅲ級圍巖XK3495+260斷面爆破震速監測結果

通過對現場爆破震速進行監測，得到Ⅳ級圍巖和Ⅲ級圍巖的地震波波形圖，分別如圖10、11所示。

由圖10可知，Ⅳ級圍巖爆破時震波在徑向（X方向）、切向（Y方向）、垂向（Z方向）的峰值震速發生的時刻分別在0.159s、0.218s、0.156s，震波波幅在0.913s之后基本趨近于零；由圖11可知，Ⅲ級圍巖爆破時震波在徑向（X方向）、切向（Y方向）、垂向（Z方向）的峰值震速發生的時刻分別在0.109s、0.007s、0.002s，震波波幅在0.821s之后基本趨近于零。

圖10 Ⅳ級圍巖地震波波形圖

圖11 Ⅲ級圍巖地震波波形圖

綜上可知，Ⅳ圍巖和Ⅲ圍巖爆破方案的爆破震動的震速遠小于結構安全震動控制標準速度，且震動持續時間較短，不會對爆破附近的支護結構等造成損害性的影響，能夠滿足工程要求。

4 結論

（1）超大跨度公路隧道Ⅲ級圍巖光面爆破方案中周邊眼間距取0.5m，孔深取3.0m，孔徑取40mm，裝藥0.45kg；Ⅳ級圍巖爆破方案中周邊眼孔距取0.75m，孔深取2.4m，孔徑取40mm，裝藥0.45kg使爆破后炮孔殘存率在80%以上，輪廓平整，能有效避免超挖、欠挖現象。

（2）超大跨度公路隧道Ⅲ級圍巖采用多級復式楔形掏槽，內掏槽孔傾角28°，主掏槽孔傾角43°，輔助掏槽孔傾角由中心向外依次分別為49°、56°、65°、75°和86°；Ⅳ級圍巖爆破方案采用二級復式楔形掏槽，內掏槽孔傾角66°，外掏槽孔傾角73°，單循環進尺2.4m，能較好地發揮掏槽作用，是確保光面爆破效果的關鍵。

（3）超大跨度公路隧道Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖的光面爆破方案造成的爆破震速在安全范圍內，且震動持續時間均不超過1s，不會對支護結構造成損壞，滿足工程要求。

通過現場施工，該工程中的爆破方案滿足工程要求，并取得了良好的經濟效益和社會效益，為國內類似超大跨度隧道爆破施工提供了參考依據，對我國以后超大跨度公路隧道規范制訂具有一定參考意義。