水平砂泥巖隧道爆破成型控制技術研究

呂瑞虎

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458）

1 概述

鉆爆法開挖水平砂泥巖隧道，受水平方向層理、節理、軟弱夾層等因素影響，光面爆破效果難以得到有效控制，易產生較為嚴重的超欠挖現象，致使工程量、成本增加，工期延長，工效降低，對后續工序影響較大；嚴重的還將造成防水板破裂，使隧道的防排水體系失效，引起運營期間襯砌滲水現象；另外，依據新奧法觀點，隧道超欠挖現象對圍巖穩定也將產生不良影響。針對段家坪水平巖層隧道鉆爆法施工超欠挖問題，為達到優化爆破參數、降低造價、滿足隧道圍巖與支護安全與穩定的目標，研究開發出新型聚能裝藥結構，對鉆爆參數開展現場調試應用研究，有效控制了水平巖層的超欠挖，為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

段家坪隧道位于陜西省宜川縣境內，隧道全長10722.98m（進口里程DK446 ＋664.2，出口里程DK457＋387），隧道最大埋深約450m（DK452+980），走向為121°27′12″。

段家坪隧道洞身圍巖以三疊系上統厚層砂巖、粉砂巖，夾薄層泥巖為主，巖層產狀272°∠2°，砂巖、粉砂巖節理裂隙較發育—很發育。優勢節理裂隙主要有兩組，產狀分別為190°∠90°和78°∠89°，地表調查測量，節理間距25～50cm，一般為密閉節理，地表局部地段節理呈張開狀，巖體較破碎，泥巖為軟弱夾層，呈薄層狀，豎向節理裂隙很發育。拱部、邊墻局部及底板底部偶夾少量薄層泥巖。

3 水平砂泥巖隧道爆破成型情況及超欠挖原因分析

3.1 水平砂泥巖隧道爆破成型情況

段家坪隧道進口DK447+510 至DK448+050 段圍巖級別為Ⅳ級，采用三臺階法開挖，每循環進尺約2m。鉆眼采用風動鑿巖機配合開挖臺架施工，鉆眼直徑42mm，炸藥采用巖石硝銨炸藥，藥卷直徑為32mm。周邊眼間距取50cm，上臺階周邊眼每孔裝藥量0.6kg，中臺階周邊眼每孔裝藥量0.8kg，下臺階周邊眼每孔裝藥量1kg。掏槽眼和底眼連續裝藥，周邊眼采用間隔不耦合裝藥結構，炮泥封口。詳細爆破參數見表1。

表1 原開挖爆破參數表

Ⅳ級圍巖段超欠挖情況特別嚴重，尤其是拱肩與拱頂部位，幾乎無炮痕殘存，拱頂巖層在爆破后沿著節理面脫落，形成矩形門洞形式，有的部位甚至形成高達1m 多高的超挖空間。欠挖則主要集中在拱腳和墻腳位置，補炮現象非常嚴重。這在很大程度上影響了后續支護施工，增加了施工成本，拖延了工期，甚至造成連續幾天的停工返工。

圖1 隧道開挖斷面掃描輪廓圖

段家坪水平巖層隧道Ⅳ級圍巖段在三臺階鉆爆施工過程中，其拱頂及拱肩超挖情況特別嚴重。由開挖斷面的輪廓圖可以看到，拱頂到拱肩區域超挖量很大，最大達到了108.4cm，右邊墻欠挖嚴重，左邊墻也存在少量欠挖，隧道拱部超挖量都在50cm 以上，有的斷面拱部掉塊現象極為嚴重，出現典型的矩形門洞形狀。

3.2 水平砂泥巖隧道超欠挖原因分析

（1）爆破參數設置不合理。水平砂泥巖的層理、節理對隧道的超欠挖影響較大，在水平巖層中，水平炮孔的最小抵抗線方向垂直于水平巖層，其爆轟波直接壓碎炮孔的巖層，其應力波還向外繼續傳播。因為巖體抗壓能力遠大于抗拉能力，于是在兩個層理之間的巖體就被反射波拉伸波拉下來，形成平頂超挖現象。爆破參數不合理極易導致隧道超欠挖嚴重。

（2）周邊眼裝藥量偏大，藥量過于集中。段家坪隧道Ⅳ級圍巖段為薄層層狀砂巖，較破碎，層狀結構明顯，節理裂隙發育，周邊眼裝藥量大且集中，對周邊破碎圍巖沖擊力大，極易造成周邊產生超挖。

（3）鉆爆施工管理不嚴格，鉆眼的位置及方向控制較差。受現場施工管理不力的原因，鉆孔放線定位不準，鉆孔位置往往太靠近開挖輪廓線，或者鉆孔外插角太大，周邊炮孔甚至直接破碎周邊巖體，同時爆破反射拉伸波對隧道開挖輪廓線外水平巖層的拉伸破壞，也會造成巖層產生較大的超挖。需要控制鉆孔位置及精度，同時考慮將鉆研位置適當向內側偏移一部分。

4 現場爆破方案的優化及爆破效果

4.1 爆破方案優化

針對段家坪水平巖層隧道Ⅳ級圍巖段前期爆破開挖超欠挖嚴重的問題，通過對造成其嚴重超欠挖原因的分析，從現場施工技術把控以及爆破參數兩方面對原方案做出相應調整。

（1）控制周邊眼鉆孔精度。在每次測量放線時先對上次爆破斷面進行檢查，根據爆破效果及時調整參數。周邊眼要沿隧道開挖輪廓線布置，保證開挖斷面符合要求。輔助炮眼交錯均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，力求爆破出的石塊塊度適合裝渣的需要。鉆眼前，用紅鉛油準確地繪出開挖斷面的中線和輪廓線，標出炮眼位置，其誤差不得超過5cm，按炮眼布置正確鉆孔，掏槽眼和周邊眼的鉆孔精度要高，開眼誤差控制在3cm和5cm以內，眼底不得超出開挖斷面輪廓線15cm，并不得欠挖。

（2）規范周邊眼裝藥結構。從前期爆破效果分析，靠近掌子面1m 處超挖量明顯要大于后1m 處，主要原因在于裝藥過于集中，單孔藥量大，裝藥過于集中，炮孔內炸藥主要靠沖擊波對巖體做拋擲功，反射拉伸波所起作用甚微。對周邊眼采用導爆索分散炮孔內藥量，減少炸藥的集中度，防止能量集中形成爆破漏斗而在炮眼底部造成超挖，周邊眼裝藥結構見圖2。

圖2 周邊眼裝藥結構

（3）周邊眼及輔助眼參數調整。在拱頂和拱腰位置，周邊眼位置向開挖輪廓線內側偏移5～10cm，起到超挖保護層的作用，同時減少周邊眼爆破對周邊破碎圍巖的擾動。增加周邊眼的數量，將周邊眼間距從原來的50cm 調整到40cm，減少周邊眼及外層輔助眼的裝藥量。上臺階輔助眼裝量調整為0.25kg/m，周邊眼裝藥量調整為0.3kg/m；中臺階輔助眼裝量調整為0.25kg/m，周邊眼裝藥量調整為0.3kg/m；下臺階輔助眼裝量調整為0.5kg/m，周邊眼裝藥量調整為0.4kg/m。

1.3.1 生活質量變化情況評價指標 該院通過應用SF-36生活質量評價量表，評價患者治療后的生活質量。

4.2 爆破方案優化后的效果

優化后的爆破方案在現場選取多個循環斷面進行試驗。

開挖輪廓面的平整度較前期爆破效果有較大的提升，最大點超挖值為56.2cm，平均線超挖22～30cm 左右，拱腳處出現局部欠挖現象。爆破方案優化后，隧道爆破開挖成型效果明顯好轉，但仍不能滿足現場施工需求，特別是拱部超挖量仍較大。

爆破參數調整后增加鉆孔數量，每個斷面周邊眼數量增加13個，鉆孔量增加了7%，耗藥量從149.2kg減少4kg，減少了2.9%。炸藥使用量減少較少的情況下增加了較多的鉆孔量。從爆破效果來看，修改優化后的爆破開挖方法仍不能完全滿足開挖成型及光面爆破需求。

5 聚能裝藥結構開發及應用

單純的調整爆破參數不能取得較好的超欠挖控制效果，針對性開發了一種新型的聚能裝藥結構并進行現場試驗。

5.1 采用聚能裝藥結構的方案試驗

將PVC 管加工成圖3，帶有兩個對稱扇形凹槽的異形PVC，可以得到兩個聚能穴結構。將乳化炸藥卷加工成與異形PVC管相匹配的形狀，裝入帶有炸藥聚能穴結構的炸藥外殼中，形成一種帶有雙向聚能穴的裝藥結構。通過PVC連接管，可以方便聯接在異形炸藥柱的兩個聚能穴旁，再通過數個PVC導向連接管將數個異形炸藥柱串接起來，見圖4。

圖3 帶有炸藥聚能穴結構的炸藥藥柱剖面圖

圖4 連接好的帶有炸藥聚能穴結構的間隔裝藥炸藥藥柱示意圖

裝入周邊炮眼后，可以通過PVC 導向連接管方便調節間隔炸藥柱單元，使聚能穴位置正對周邊眼連心輪廓線。爆破時可加大周邊眼連心輪廓線方向裂紋的發展并減少非周邊眼連心輪廓線方向產生的隨機裂紋，減少了非周邊眼連心線位置的圍巖破壞程度，提高周邊炮眼的利用率。可以適當增大周邊炮眼間距，減少了周邊眼鉆眼工程量，縮短了工序時間。

5.2 采用聚能裝藥結構的現場試驗

在周邊眼中采用了帶有雙向聚能穴的聚能裝藥結構，增強了開挖輪廓線方向裂紋發展，并減少非開挖輪廓線方向產生的隨機裂紋，減少了非開挖輪廓線位置的圍巖破壞深度，提高周邊眼利用率。采用聚能爆破技術，周邊眼在原來的基礎上可以減少數量，增加周邊眼的距離，同時可以減少周邊眼的裝藥量。根據聚能爆破的原理，針對Ⅳ級圍巖段進行了爆破參數調整的試驗。

由于聚能裝藥結構增強了開挖輪廓線方向裂紋發展，周邊眼采用聚能裝藥結構后，設置周邊眼間距60cm、70cm、80cm三種情況，周邊眼裝藥密度0.2kg/m、0.25kg/m、0.3kg/m 三種情況，并靈活使用。在周邊眼間距增大情況下，試驗發現拱腰部分爆破效果變差，分析原因是在中臺階位置，周邊眼連心線方向與水平巖層層理結構基本垂直，爆破效果減弱，在試驗過程中適當減小了中臺階處周邊眼間距。

根據不同參數爆破效果對比，針對段家坪隧道水平砂泥巖情況，Ⅳ級圍巖三臺階爆破開挖，參數宜設置為：上臺階周邊眼間距70cm，周邊眼裝藥量0.2kg/m；中臺階周邊眼間距60cm，下臺階周邊眼間距70cm，周邊眼裝藥量0.3kg/m，具體參數詳見表2。

表2 Ⅳ級圍巖優化開挖爆破參數表

此方案總鉆孔數量為166 個，較初始方案的183個，減少了9.3%；炸藥量較初始爆破方案149.2kg 減少到119.2kg，炸藥使用量減少了16%。

5.3 試驗數據分析

按照表2 爆破參數現場取進行多個循環斷面進行了試驗。

從圖5試驗段的典型超欠挖數據可以看出，試驗段的超欠挖情況已經控制在了一個合理的范圍，除了拱頂局部和右拱腰、右拱腳平均線性超挖達到了15～20cm左右，其他部位的超欠挖都在10cm左右。

現場試驗爆破后圍巖成型效果很好，炮痕殘存基本完整，清晰可見。

在段家坪水平巖層全斷面鉆爆中，對爆破參數調整以及對周邊眼采用聚能裝藥結構后，通過現場爆破實況圖以及斷面輪廓掃描圖可以看出，水平巖層隧道拱部超挖控制起到了很好的改善，平均線性超挖基本控制在10cm 左右，較初始爆破方案超挖量減少了約60%，聚能裝藥結構試爆效果明顯。

6 結論

（1）僅通過改進爆破開挖方法、調整爆破參數并不能從根本上解決水平砂泥巖地層開挖成型問題。

（2）開發的雙向聚能穴裝藥結構在水平砂巖層隧道爆破開挖中的應用效果明顯，平均線性超挖基本控制在10cm 左右，較初始爆破方案超挖量減少了約60%，隧道拱部超欠挖得到有效控制。