東起隧道爆破施工技術研究

丁龍DING Long

（中交四公局第十工程有限公司，南寧 530000）

0 引言

目前，隨著我國基礎建設工程的深入推進，“交通強國”戰略的進一步落實，我國偏遠地區的道路修建正在蓬勃發展，伴隨著的便是隧道建設的迅速發展，隧道長度不斷創下新紀錄，總體規模越來越大。據統計，截至2019 年我國公路隧道數量為19067 座，隧道總長1896.66 萬米，鐵路隧道共有16798 座，總長約19630km[1]。我國的隧道建設項目通常采用鉆爆法開挖，相較于其他開挖方式鉆爆法具有更強的地質適應性，因此被廣泛采用[2]。但是鉆爆法相較于其他開挖方法而言對隧道圍巖的擾動更大，存在一定的安全風險，因此在對隧道進行鉆爆法開挖時必須進行精心設計、精心施工，以確保施工項目順利完成。下面以施工環境較為復雜的東起隧道為例，研究該隧道的爆破施工技術。

1 工程概況

桂林至柳城高速公路路線起于桂林市臨桂區柳南高速與包茂高速相交池頭互通處，路線由東向西經臨桂、永福、融安三縣區，終點在融安縣潭頭鄉紅嶺村與三江至柳州高速公路相接。該標段里程為K80+000-K96+649.198，全長約16.649 公里，按雙向四車道高速公路標準設計，設計速度100 公里/小時，整體式路基寬度26m，分離式路基寬度為2×13m。本標段共設橋梁13 座，其中大橋4 座，中橋2 座，立交橋3 座，匝道橋3 座，高架橋1 座；隧道共4座，合計7482m，其中三睦隧道1969m，東起隧道3333m，年洞隧道1184m，紅嶺隧道996m；互通2 處，分別為湖洞互通和紅嶺樞紐互通；連接線1 條，采用雙車道二級公路標準，路基寬度10m。隧道出口位于大良鎮湖洞村，隧道為分離式隧道。

2 開挖方式

經地質勘察，該隧道多為Ⅴ級圍巖且處于斷層帶，圍巖較為破碎。隧道洞身部位結合不同級別的圍巖條件，在保證安全、施工進度和質量的條件下，采取相應的爆破方法施工，以滿足工程要求。鉆爆設計施工遵循“短進尺、弱爆破、多打眼、少裝藥”的原則[3]。本隧道洞身圍巖級為V 級，根據設計要求，涉及的開挖方法包括CRD 法、三臺階法[4]。

爆破開挖設計原則：

①選用低密度低爆速、低猛度的炸藥，本標段隧道采用乳化炸藥。

②根據地質條件靈活采用掏槽方法，并考慮輔助孔的布置均勻。輔助孔是以槽腔為自由面層層布置，交錯均勻地分布在被爆巖體上，并根據斷面大小和形狀調整好最小抵抗線和炮孔密集系數。輔助孔與周邊孔孔底在同一垂直面上。

③采用毫秒微差有序起爆。起爆時以能逐次增加自由面，充分發揮各炮孔的爆破作用，提高爆破效果為準。通常按掏槽、輔助、周邊孔的順序起爆。周邊孔又按側墻、頂部、底部孔的順序進行起爆。

3 爆破設計

隧道掘進中的爆破參數與多種因數有關，如巖石條件、斷面大小、爆破材料質量、鑿巖爆破的技術水平等等，要根據客觀條件選取最適宜的爆破參數，取得該條件下的最佳爆破效果。

每次爆破后檢查爆破效果，分析原因及時修正爆破參數，提高爆破效果，改善技術經濟指標。如根據巖層節理裂隙發育、巖性軟硬情況，修正眼距，用藥量，特別是周邊眼；根據爆破后石砟的塊度大小修正裝藥參數；根據開挖面凹凸情況修正鉆孔深度等。

3.1 CRD 法爆破參數設計

炮孔布置依據開挖斷面圖尺寸，按照已設計好的掏槽眼、周邊眼及其它輔助眼的參數，在斷面圖上進行布眼，以隧中線為軸心對稱布置，先布置掏槽眼，然后由里向外弧形布置，同時布置周邊眼和拱內圈眼由外向里弧形布置，再布置底板眼，最后適當調整間距。斷面圖上炮孔布置盡量均勻，圖上布置好的炮孔數量應與公式計算的大致吻合，并標明尺寸。現場布置炮孔可對圖上布置進行微調。

3.1.1 炮孔深度（L）

爆破設計的炮孔深度主要受爆破振動強度控制，設計炮孔深度根據爆破部位不同進行調整，該隧道圍巖環境較差同時還存在涌水情況，因此根據初次襯砌鋼架縱向間距為0.6m，上臺階設計開挖一榀支護一榀，故將上臺階爆破進尺設計為0.6m，炮孔長度為0.7～0.8m，中下臺階一次循環進尺為0.6~1.2m，炮孔長度為0.7～1.5m。

3.1.2 掏槽孔布置

為了加大掏槽深度，CRD 法施工爆破采用二層共四排楔形掏槽孔，每對掏槽孔呈完全對稱形或近似對稱形。每對掏槽孔由淺變深，與工作面的夾角（θ=60°～80°）則由小變大，為保證復式楔形掏槽取得良好的爆破效果，應盡量減小鉆孔的偏差。掏槽孔距離隧道地板0.8～1.0m。

3.1.3 周邊孔和輔助孔布置

周邊孔布置在距開挖斷而邊緣0.1～0.2m 位置，周邊孔的孔底要朝隧道輪廓線方向傾斜，當隧道穿過的巖體堅硬時，孔底可達到或稍稍超出輪廓線位置；巖體中等堅固時，孔底距輪廓線約0.1～0.2m；在松軟巖體中，炮孔不必傾斜，孔底距輪廓線的距離與孔口處相同。周邊孔之間的距離約為0.4～0.6m，拱形隧道的轉角處，炮孔要密一些，孔間距取小值。

圖1 CRD 法爆破開挖施工工序斷面圖

圖2 CRD 法爆破開挖施工工序縱斷面圖

圖3 CRD 法爆破開挖炮孔布置示意圖

輔助孔均勻地布置在掏槽孔與周邊孔之間的范圍內，鉆孔方向則垂直于隧道開挖面。崩落孔布置在輔助孔與周邊孔之間，孔深和孔網參數與輔助孔相同。

經計算CRD 法掘進爆破綜合炸藥單耗為0.96kg/ m3。最大單響藥量控制在3.3kg 以內（見表1），單次起爆總藥量：左上、下斷面控制在36.6kg 以內，右上、下斷面控制在38.4kg 以內，仰拱控制在13.2kg 以內。數碼雷管時間設置如表1。

表1 CRD 法爆破參數表

以上爆破參數經試爆后，根據現場實際情況進行適當調整，以達到最佳爆破效果。

3.2 三臺階分步法爆破參數設計

3.2.1 炮孔深度（L）

三臺階分步法主要使用于圍巖等級較差的情況下采用，爆破設計的炮孔深度受爆破振動強度控制，設計炮孔深度根據爆破部位不同進行調整，上臺階設計每循環進尺為0.6m，中、下臺階及仰拱進尺為1.2m，取L=0.7～1.5m。

3.2.2 掏槽孔布置

三臺階法施工爆破采用三層楔形掏槽孔，每對掏槽孔呈對稱形或近似對稱形。每對掏槽孔由淺變深，與工作面的夾角（θ=60°～80°）則由小變大，為保證復式楔形掏槽取得良好的爆破效果，應盡量減小鉆孔的偏差。掏槽孔布置在上部臺階底部中間部位，掏槽孔孔距a 取0.5～0.6m。

圖4 三臺階法爆破開挖掏槽孔布置示意圖

3.2.3 周邊孔和輔助孔布置

周邊孔布置在距開挖斷而邊緣0.1～0.2m 位置，周邊孔的孔底要朝隧道輪廓線方向傾斜，當隧道穿過的巖體堅硬時，孔底可達到或稍稍超出輪廓線位置；巖體中等堅固時，孔底距輪廓線約0.1～0.2m；在松軟巖體中，炮孔不必傾斜，孔底距輪廓線的距離與孔口處相同。周邊孔之間的距離約為0.45～0.6m，拱形隧道的轉角處，炮孔要密一些，孔間距取小值，輔助孔間距a 取0.7～0.8m。

圖5 三臺階法爆破開挖順序示意圖

圖6 三臺階法爆破開挖剖面順序示意圖

3.2.4 單位炸藥消耗量q

取q=0.7～1.1kg/m3。

3.2.5 炮孔裝藥量計算

上部臺階炮孔裝藥量計算。

每個炮孔的裝藥量可按下式計算，即：Q=r·n·L

式中：n——炮孔裝藥系數，n=0.58；

L——孔深，取L=1.2m；

r——每米長度炸藥量，r=1.0kg。

經計算三臺階法掘進爆破綜合炸藥單耗為0.81kg/m3。最大單響藥量控制在3.6kg 以內（見表2），單次起爆總藥量：上臺階控制在20.7kg 以內，左、右中臺階分別控制在24.6kg 以內，左、右下臺階分別控制在20.7kg 以內，仰拱控制在21.9kg 以內。

表2 三臺階法爆破參數表

以上爆破參數經試爆后，根據現場實際情況進行適當調整，以達到最佳爆破效果。

根據地勘資料，該隧道中存在一段巖性以泥質砂巖為主，巖石堅固性較弱，可適當減少周邊眼的間距，使用機械輔助控制爆破形式開挖，減少輔助眼的密度，欠挖位置采用機械開挖，減小爆破規模，控制最大同段藥量在2.9kg以內。

圖7 三臺階法爆破開挖炮孔布置示意圖

4 隧道突水處理

但因隧道地質環境較差，大部分區域屬可溶性碳酸鹽巖區，溶蝕現象較發育。在施工過程中產生突水、涌水現象，經水文地質專項調查采用入滲法預測隧道正常涌水量為28701m3/d，日最大用水量為1382000m3/d，日極端涌水量為2904411m3/d，因此造成施工困難，工期增加。

為解決隧道涌水問題，進行了專項調查，根據調查結果，該隧道突水主要來源于隧道高位洼地，地表徑流補給。根據巖溶區地下水宜排不宜堵的原則，截流外導相結合，結合該隧道的地形和水文地質特征，采用泄水洞方案進行排水處理。結合現場地形地貌及洞內溶洞位置，泄水洞初步擬定長度為546m，縱坡采用-0.5%，出口標高約為261.86m；洞口接路基改溝引排。泄水洞斷面建筑限界凈寬3.2m，凈高3.5m；襯砌內輪廓設計為單心圓直邊墻結構，上半圓半徑為160cm。考慮施工便利性，泄水洞內每隔70m 設置一處錯車帶，用于洞內施工車輛會車使用，提高施工效率。根據計算該泄水洞排水能力為4072983.609m3/d，能滿足最大和極端情況下的排水需求。經處置過后，隧道內可正常進行爆破施工作業。

5 爆破施工效果

在爆破設計中，仔細考慮了該隧道的地質特點進行了精心設計，在現場施工中爆破技術人員與鉆孔施工隊伍通力合作精心施工，因此該隧道在爆破施工環節完成順利，施工效果良好隧道安全順利貫通。

6 結論

以爆破作為技術手段的隧道開挖，在地質環境適應性上相較于其他掘進方法具有顯著優勢，但是鉆爆法在隧道施工中具有較強的專業性，需要從設計到施工到管理上的綜合考量。對于圍巖較差的隧道，爆破技術設計應當充分考慮圍巖特性及不良地質環境的影響，鉆孔施工應該嚴格按照設計要求精心施工，注意安全防護。2021 年東起隧道順利完工并通過各項驗收，證明該隧道的施工經驗可以為后續類似工程提供一定參考。