粉砂質頁巖段隧道光面爆破周邊孔間距試驗研究

張建國，楊 文，拜曉亮，趙海欽，蔣 歡，李家宏，段 聰，劉振江，王紅云

(中交第二公路工程局有限公司隧道工程公司， 西安 710000)

從20世紀50年代瑞典學者Hagthorpe 和 Dahlborg[1]發明光面爆破技術以來，經多國專家學者和技術人員研究改進后已成為鉆爆法隧道開挖掘進施工常用的方法。光面爆破開挖中鉆爆參數選取作為光面爆破施工的核心技術，國內外專家學者基于理論模型、工程實踐開展了大量研究[2-4]。劉殿書等[5]指出，光面爆破中相鄰周邊孔間裂隙的形成及貫通主要是由于應力波疊加、爆生高壓氣體準靜壓力共同作用的結果。馬芹永[6]根據周邊孔爆破機理，推導出光爆層厚度及周邊孔間距的理論計算方法，為周邊孔爆破參數設計奠定了理論基礎。胡紅利等[7]為使光面爆破達到較為理想的效果，提出在施工中應如何合理的選擇周邊孔間距等鉆爆參數。毛建安[8]通過對向莆鐵路青云特長隧道不同圍巖等級光爆參數進行總結，認為適當加密周邊孔、確定合理光爆層厚度、采用小直徑藥卷、不耦合裝藥結構、保證周邊孔同時起爆是光爆技術成功應用的關鍵。宗琦等[9]根據光面爆破理論，提出了空氣墊層裝藥結構軸向不耦合系數的計算公式，并在淮南花家湖礦豎井片麻巖段進行了爆破試驗，取得了較好的爆破效果。滿軻等[10]對Ⅱ級和Ⅲ級花崗巖圍巖進行了爆破設計及試驗，獲得了較為理想的爆破參數。韓亮等[11]通過有限元動力分析軟件對超深豎井不同的光爆參數進行了對比分析，根據模擬結果確定最佳爆破參數并進行爆破參數應用，結果表明數值方法確定爆破參數更符合實際情況，根據爆破經驗進行爆破作業適應性較差。陳玉等[12]針對大斷面隧道爆破存在的超欠挖、圍巖損傷嚴重等問題，依托工程實例，利用正交方法設計了考慮延時、孔間距、裝藥量、孔徑在內的16組隧道Ⅳ級砂巖段爆破方案，并利用LS-DYNA對大跨公路隧道穿越砂巖進行了模擬，最終篩選出隧道Ⅳ級砂巖段爆破優化方案。

由于工程地質復雜性，在實際隧道施工難免出現超欠挖問題。因此，根據具體圍巖條件擬定合適的周邊孔間距，并通過工程試驗動態優化調整，分析具體圍巖條件下周邊孔間距調整對爆破效果的影響，指導工程項目鉆爆法隧道光面爆破開挖施工具有重要意義。本文針對渝湘復線巴彭路項目武隆隧道進口鉆爆法開挖施工現場工況，確定合適的鉆爆方案，開展了不同周邊孔間距、距輪廓面不同內縮距離條件下的爆破試驗，采用三維激光掃描儀檢測超欠挖量并評估周邊孔間距對爆破效果的影響。

1 工程概況

渝湘復線巴彭路項目武隆隧道位于重慶市武隆區境內，隧址區屬構造溶蝕、剝蝕中山地貌區。武隆隧道為雙向六車道分離式隧道，隧道全長6 615 m，隧道凈空14.00×5.0 m2，最大埋深為738 m。武隆隧道進口右洞光面爆破試驗段屬于IV級圍巖，主要為粉砂質頁巖，飽和極限抗壓強度Rc=15.4 MPa，屬于軟巖。襯砌斷面如圖1所示，圍巖物理力學參數如表1所示。

圖1 隧道斷面Fig.1 Tunnel section

表1 隧道圍巖物理力學參數

2 方案設計

在施工現場地質調查的基礎上，結合超前地質預報及隧道地質圍巖勘探，采用工程類比法和現場爆破實驗確定武隆隧道右洞粉砂質頁巖段采用上、下兩臺階開挖工法，三臂鑿巖臺車機械鉆孔，上臺階開挖斷面面積為93 m2，采用光面爆破技術進行開挖作業。

目前大多數學者認為：光面爆破技術主要基于應力波與氣體壓力共同作用理論。該理論認為周邊孔起爆后，周邊孔應力波在炮孔周圍產生一些初始徑向裂縫，隨后，爆炸高壓氣體準靜態應力的作用使初始徑向裂縫進一步擴展。當相鄰兩個周邊孔同時起爆時，不論是同時起爆還是存在不同的起爆時差，由于應力集中，沿炮孔的連心線方向首先出現裂縫，并且也發展最快。在爆生氣體壓力作用下，由于最長的徑向裂隙擴展所需能量最小，所以該處裂縫將優先擴展。因此，周邊孔連心線方向也就成了裂縫繼續擴展的優先方向，而其他方向的裂縫發展甚微，從而保證裂縫連著連心線將巖體裂開，形成光滑平面。根據光面爆破技術原理，爆破方案進行如下設計。

2.1 整體爆破方案

武隆隧道Ⅳ級圍巖上臺階炮孔布置如圖2所示，上臺階炮孔立面如圖3所示，剖面如圖4所示，整體爆破參數如表2所示。

圖2 武隆隧道IV級圍巖上臺階炮孔布置Fig.2 Layout of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

圖3 武隆隧道IV級圍巖上臺階炮孔立面Fig.3 Elevation of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

圖4 武隆隧道IV級圍巖上臺階炮孔剖面Fig.4 Section of upper bench blast holes in class IV surrounding rock of Wulong Tunnel

表2 Ⅳ級圍巖上臺階鉆爆參數

2.2 周邊孔爆破參數設計

1)固定參數。①不耦合系數K=d/φ，武隆隧道光面爆破鉆爆法施工中炮孔直徑d=50 mm，藥卷直徑φ=32 mm，不耦合系數K為1.56；②裝藥集中度q，采用乳化炸藥時周邊孔裝藥集中度換算值為q=0.08～0.17 kg/m，根據武隆隧道右洞圍巖條件取q=0.16 kg/m。

2)可調參數。①周邊孔間距E，結合武隆隧道試驗段具體圍巖條件，設計孔間距E=35、40、45、50、55、60 cm；②開挖輪廓線內縮5、8、10 cm。

2.3 周邊孔裝藥結構

武隆隧道右洞光面爆破周邊孔采用空氣間隔不耦合裝藥結構，施工中使用內徑φ=32 mm，長度為3.2 m的PVC管間隔固定分節藥卷。裝藥時提前在PVC管上按50 cm距離等間距切出裝藥卡槽，先將導爆索通長穿入PVC管中并插入孔底藥卷內布設，然后將切割分節的藥卷壓入卡槽與導爆索密接，最后整體裝入周邊孔內，上臺階周邊孔裝藥結構如圖5所示。

圖5 武隆隧道IV級圍巖上臺階周邊孔裝藥結構Fig.5 Charging structure of the surrounding holes of the upper bench of the IV surrounding rock of Wulong Tunnel

2.4 爆破器材與起爆網路

武隆隧道爆破采用非電導爆管雷管進行反向起爆，周邊孔采用非電毫秒雷管起爆，導爆索進行傳爆。

爆破網路采用孔內延時、孔外簇聯的方式聯接。起爆順序為掏槽孔→輔助孔→底板孔→周邊孔，孔內延時利用毫秒雷管跳段起爆，孔外簇聯每個聯結點安裝2發同段毫秒雷管保證可靠起爆，起爆網路如圖6所示。

圖6 武隆隧道IV級圍巖上臺階起爆網路Fig.6 Firing of npper bench of class IV durrounding rock of Wulong Tunnel

3 爆破試驗

3.1 周邊孔間距調整試驗

光面爆破中周邊孔相鄰兩孔炸藥爆炸時，沿兩炮孔連心線方向受應力集中作用首先出現初始徑向裂縫。在爆生氣體準靜態壓力作用下，炮孔連心線方向的初始徑向裂縫擴展所需能量最小，巖體最易沿連心線裂開。在周邊孔炮孔裝藥量一定的條件下，連心線長短(即周邊孔間距)影響著貫通裂縫的形成質量，即周邊孔間距大小影響光面爆破開挖輪廓面的效果。

施工中根據鉆爆施工方案鉆爆參數組織施工。試驗時先取定50 cm周邊孔間距開展爆破試驗，分析評估現場爆破效果。然后維持其他鉆爆參數不變，單一調整周邊孔間距，依次進行35、40、45、55、60 cm不同間距的爆破試驗 ，根據周邊孔不同間距對應的爆破效果，分析總結周邊孔間距對爆破效果試驗，不同周邊孔間距開挖輪廓面爆破效果及超欠挖掃描分別如圖7～圖12所示。

圖7 周邊孔50 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.7 On-site blasting effect of 50 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖8 周邊孔35 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.8 On-site blasting effect of 35 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖9 周邊孔40 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.9 On-site blasting effect of 40 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖10 周邊孔45 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.10 On-site blasting effect of 45 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

圖11 周邊孔55 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.11 On-site blasting effect of 55 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over and under excavation

圖12 周邊孔60 cm開挖輪廓面現場爆破效果及超欠挖掃描Fig.12 On-site blasting effect of 60 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

綜合以上現場爆破試驗結果，不同周邊孔間距下的平均線性超欠挖值如表3所示，周邊孔間距與平均線性超挖關系如圖13所示。

表3 不同周邊孔間距試驗平均線性超欠挖值

圖13 周邊孔間距與平均線性超挖關系Fig.13 Relationship between peripheral hole spacing and average linear over-excavation

從圖13可以看出：周邊孔間距在35～45 cm范圍時，開挖輪廓面平均線性超挖在20 cm以上；當周邊孔間距超過50～60 cm時，開挖輪廓面平均線性超挖在20 cm以下，周邊孔間距為60 cm時，雖然平均線性超挖最小為16.6 cm，但由于周邊孔間距過大，兩炮孔間會形成楔形體，導致開挖輪廓面局部會出現欠挖現象，最大欠挖9.6 cm，影響立架施工。由此可見，在粉砂質頁巖條件下兩相鄰周邊孔間距在50～55 cm范圍內時，相鄰周邊孔在應力波及爆生氣體的共同作用下易形成貫穿裂縫，實現“切割”圍巖，形成平順規整的開挖圍巖面?？紤]鉆孔時間影響，周邊孔間距較小時炮孔數量增加，引起鉆孔作業時間延長。炮孔間距調大后炮孔數量減少，作業時長相縮短，但是周邊孔間距過大時又會產生局部欠挖現象，最大欠挖量達9.6 cm，不符合施工規范要求。因此，在兼顧效益和效率的前提下，粉砂質頁巖條件下兩相鄰周邊孔間距控制在55 cm左右較為合理，既能控制圍巖平均線性超欠挖量，又不會耗費過多作業時間。

3.2 周邊孔開孔位置調整試驗

為進一步減小隧道超挖量，控制周邊孔間距為55 cm的同時調整周邊孔與設計輪廓線的距離，分別試驗開孔位置沿設計開挖輪廓線徑向內縮5、8、10 cm時對隧道超欠挖影響。作業工人嚴格按照放樣點進行鉆孔，其余爆破參數不發生改變?，F場效果統計分析如圖14所示。周邊孔炮孔殘留率90%。采用三維激光掃描儀掃描開挖輪廓面超欠挖情況，結果顯示：開孔位置內縮5 cm時開挖輪廓面較設計斷面平均線性超挖為12.1 cm(見圖15)；開孔位置內縮8 cm時，開挖輪廓面較設計斷面平均線性超挖為10.6 cm(見圖16)；開孔位置內縮10 cm時開挖輪廓面較設計斷面平均線性超挖為6.86 cm，但是開挖輪廓面左側存在欠挖現象，最大欠挖量為6.1 cm(見圖17)。

圖15 開孔位置內縮5 cm現場掃描Fig.15 On-site scanning of the opening position retracted by 5 cm

圖16 開孔位置內縮8 cm現場掃描Fig.16 On-site scan of the opening position retracted by 8 cm

圖17 開孔位置內縮10 cm現場掃描Fig.17 On-site scan of the opening position retracted by 10 cm

表4 不同周邊孔間距試驗平均線性超欠挖值

圖18 開孔位置內縮距離與超挖量關系Fig.18 Relation between the opening position retracted distance and over excavation

通過現場試驗，隧道爆破周邊孔開孔位置沿設計開挖輪廓線徑向內縮8 cm時，隧道圍巖超欠挖控制能達到最好效果。

4 結論

1)光面爆破鉆爆開挖施工中，相鄰周邊孔間距控制在55 cm時周邊孔炮孔殘留率93%，能夠取得較好光面爆破效果，超挖現象能得到有效控制。

2)當周邊孔間距在35～45 cm之間時，兩炮孔間更容易形成貫穿裂縫，但炸藥能量集中，導致周邊孔炮孔殘留率較小，開挖輪廓面不平整度較大，平均線性超挖量較大；當周邊孔間距為60 cm時，隧道平均線性超挖最小，但兩炮孔間可能會形成突出的楔形體，出現局部欠挖現象。

3)通過現場試驗，隧道爆破周邊孔開孔位置沿設計開挖輪廓線徑向內縮8 cm時，隧道超欠挖控制能達到最好效果。