某隧道控制爆破參數設計與應用研究

羅世云，韓孟微

近年來，全國各地都在紛紛興建高等級公路，其中包括許多山區高等級公路，如四川成渝高速公路、山西太舊高速公路北京八達嶺高速公路、貴州貴新高等級公路等。隨著西部大開發戰略的實施，山區高等級公路工程在近期將激增。山區高等級公路多位于山嶺重丘區，受地形、地質條件限制較大，為了獲得較高的道路技術標準，必須增設大量橋梁，隧道、深挖高填路基等工程，這樣石方工程量大大增加，目前石方工程主要依賴爆破方法開挖，但石方開挖工程受地形、地質條件、爆破技術力量制約，難以進行全面優質、快速施工，因而成為制約工期和質量的重要因素。因此如何利用現代控制爆破技術進行山區高等級公路各類石方工程的快速、優質安全開挖是我國公路工程施工技術中亟待解決的問題。隨著高速公路建設的快速發展和城市化進程的不斷推進，為了節約土地資源，許多地區的公路越來越密集，新建公路隧道時，往往有立交橋、地下通道，與現有道路平行或相鄰條件。 隧道施工一般采用爆破開挖，而爆破過程會產生振動、飛石、沖擊波等有害效應，無疑對現有公路的隧道運營安全構成極大威脅。 因此，在施工過程中采取有效措施，確保現有公路的安全尤為重要。本文針對某公路隧道工程爆破參數進行設計和優化，并提出了爆破有害效應的防護措施。

1 工程概況

某跨海公路通道工程全線路采用高速公路標準化建設，主線路線全長5.6945km。起點YK7+285.5在山腰附近，路線往西方向前進，沿線主要構筑物有大溪邊大橋、隧道。橋梁全長1825m/9座，占路線長度的32%，其中大橋1620m/5座，中橋205m/4座，涵洞16道；隧道全長1118.5m/1座（按左右線平均長度計），占路線長度的19.6%。本路段的橋隧合計長度所占路線長度的比例為51.6%。互通式立體交叉1處，通道2道。隧道施工由大里程向小里程方向單頭掘進。

2 爆破方案確定

根據沿線地形、地質情況，以及所處的地理位置和周邊環境，結合具體情況考慮，該隧道采取由大里程向小里程方向單頭掘進，Ⅴ級圍巖段按雙側壁導坑法及上下臺階預留核心土法組織施工，采用人工鉆爆法風鉆鉆孔，光面控制爆破技術，分多個斷面立體交叉施工；同時邊開挖邊支護，確保安全無事故。對于地質條件較差的地段或區域以機械施工為主，局部用風鎬破除，難度較大的，小范圍采用控制松動爆破法施工。根據圍巖類別及開挖部位不同，采用不同的炸藥單耗，對于軟巖采取松動爆破技術，爆破施工中根據實施爆破效果進行調整。特別是在隧道施工過程中，須根據掘進過程中巖石的類型、走向、地質結構、地下水、施工進度等各種因素來制定具體的施工方案。

施工中應遵循“短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則，嚴格控制進尺，減少大藥量爆破施工對圍巖的強擾動，確保結構穩定和施工安全，并及時對開挖后的巖面進行支護、襯砌，充分保護和利用圍巖的自穩能力。

3 隧道爆破參數設計

3.1 設計原則

降低爆破地震、噪聲、沖擊波和飛石等有害效應，減少對非開挖區（圍巖）的介質擾動；在滿足爆破效果的前提下，盡可能降低炸藥單耗，提高單位循環進尺，以獲取得最佳經濟效益。

3.2 隧道V級圍巖爆破設計參數

炮孔直徑：由所使用鉆機的鉆頭直徑決定d=42mm；

炮孔深度：炮孔深度受開挖面大小的影響，炮孔過深，周邊巖石的夾制作用較大，故炮孔深度不宜過大，在保證圍巖穩定前提下盡可能加大循環進尺。根據循環進尺的設計要求，炮孔深度如下：

循環進尺為0.7m時，炮孔深度為0.8m；

三臺階開挖施工爆破設計及炮孔孔網參數（圖1）

第一步：上臺階施工

由于上臺階需要保留核心土，第一步開挖的斷面形狀比較復雜，且沒有自由面，在斷面底部采用三對炮孔進行楔形掏槽。掘進孔參數孔距在70～80cm 左右，排距在70cm左右（具體參見圖1）。底孔對爆破的要求不高，采用普通爆破技術。周邊孔要求較高，采用光面爆破技術。

圖1 三臺階炮孔布置及起爆順序示意圖

孔網參數：

掏槽孔：孔距100cm；排距45cm,布置6個炮孔。

掘進孔：孔距在70～80cm，排距在70cm左右,布置26個炮孔。

底孔：孔距在72～80cm，布置20個炮孔。

周邊孔：孔距40cm，布置46個炮孔。

第二步：核心土開挖

由于核心土上方和側面的圍巖已經開挖，形成了很好的自由面

。采用抬炮進行爆破施工，可以適當增加炮孔間距和排距。

孔網參數：

第一排排距108cm，孔距113cm，布置5個炮孔；

第二排排距90cm，孔距102cm，布置7個炮孔；

第三步：中臺階左開挖

中臺階上方的上臺階已經開挖，形成了兩個自由面，與核心土部分開挖比較，圍巖的夾制力增加，同時為減少爆破對開挖輪廓的破壞，提高圍巖的穩固性，周邊孔采用光爆技術。

孔網參數：

第一排排距80cm，孔距81cm，布置10個炮孔；

第二排排距80cm，孔距77cm，布置11個炮孔；

第三排排距70cm，孔距78cm，布置11個炮孔；

第四排排距70cm，孔距79cm，布置11個炮孔；

周邊孔孔距 40cm，布置8個炮孔。

第四步：中臺階右開挖

由于中臺階左部分已經開挖，中臺階的右部分爆破條件比左邊得到改善，可以充分利用這一條件，適當加大孔距。周邊孔采用光爆技術保證周邊輪廓的光滑平整。

孔網參數：

第一排排距80cm，孔距90cm，布置8個炮孔；

第二排排距80cm，孔距94cm，布置8個炮孔；

第三排排距70cm，孔距86cm，布置9個炮孔；

第四排排距70cm，孔距86cm，布置9個炮孔；

周邊孔孔距 40cm，布置8個炮孔。

第五步：下臺階左開挖

下臺階左部分開挖同中臺階左部分開挖技術雷同，技術要求一致。

孔網參數：

第一排排距90cm，孔距78cm，布置11個炮孔；

第二排排距90cm，孔距77cm，布置11個炮孔；

第三排排距121cm，孔距74cm，布置11個炮孔；

周邊孔孔距 42cm，布置7個炮孔。

第六步：下臺階右開挖

下臺階右部分開挖同中臺階右部分開挖技術雷同，技術要求一致。

孔網參數：

第一排排距106cm，孔距86cm，布置9個炮孔；

第二排排距100cm，孔距84cm，布置9個炮孔；

第三排排距110cm，孔距8cm，布置8個炮孔；

周邊孔孔距 41cm，布置8個炮孔。

第七步：仰拱開挖

考慮施工和鉆孔方便，仰拱采用向下鉆垂直孔的方法進行爆破開挖。炮孔的孔深根據仰拱的輪廓進行調整（具體參見圖1）。進尺為0.7m時布置一排孔，進尺為1.4m時布置兩排孔。為提高爆破效果，起爆順序采用楔形起爆（參見圖1）。

孔網參數：

孔距：100cm。

排距：布置兩排時，排距100cm左右。

炮孔布置參數及起爆順序參見圖1。

炸藥單耗q

炮孔深度為0.8m時取q為0.85Kg/m3。

炮孔深度為1.6m時取q為0.8Kg/m3。

3.3 孔網參數和裝藥量

（1）設炮孔孔深為0.8m，炮孔利用率為0.86

理論總裝藥量為：

其中：q為單位炸藥消耗量，本設計取0.85kg/m3；S為開挖斷面面積，S為160m2；L為炮孔深度；η為炮孔利用率。

理論炮孔數目N為：

其中Q0=αLG/h=0.5×0.8×0.2/0.2=0.4kg（α-炮孔平均裝藥系數，取0.5；h-每個藥包長度為0.2m，G-每個藥包重量為0.2kg）。

實際施工過程中考慮操作和管理方便，掘進孔和周邊孔裝都裝2條藥，掏槽孔多裝1條藥。不同之處是周邊孔采用隔孔裝藥，兩個裝藥孔之間的那個炮孔起定向作用。

實際炮孔數296個，裝藥炮孔個數為258個（周邊孔隔孔裝藥）104.4kg。

（2）循環進尺為1.4m時

設炮眼眼深為1.55m，炮眼利用率為0.9。

理論總裝藥量為：

其中：S約為160m2。

理論炮眼數目N為：

實際施工過程中考慮操作和管理方便，掘進眼和周邊眼裝都裝2條藥，掏槽眼多裝1條藥，不同之處是周邊眼采用隔眼裝藥，兩個裝藥眼之間的炮眼起定向作用。

實際炮眼數296個，裝藥炮眼個數為258個（周邊眼隔孔裝藥），與理論計算值比較炮眼數略多于理論值，裝藥量吻合較好。

4 裝藥填塞和起爆網路及其注意事項

4.1 裝藥填塞

4.1.1 裝藥

合理分配炮孔底部裝藥。爆破對于底部巖石的充分破碎應是整個爆破的重點，一旦殘留根底，勢必給清運工作帶來很大的麻煩。只有底部巖石得到充分的破碎。則上部巖石即使沒有完全破裂，也會隨著底巖的松散而塌落或相互錯位產生裂縫，清運十分便利。合理分配底部炮孔孔底部藥量，即在所計算的單孔藥量不變的前提下，底部藥量比常規情況應有所增加，據實爆經驗，底部藥量以占單孔藥量的60%～80%為宜，當數孔同時起爆時，靠近側向臨空面的炮孔系數取小值，反正取大值。

4.1.2 填塞

確保填塞長度。填塞長度常為藥孔深度的1/3，而對于夾制性較大巖石的爆破需要加大單孔藥量或需要嚴格控制爆破飛石時，則填塞長度取炮孔深度的2/5較為穩妥，這樣既能防止飛石減少沖炮的發生。

4.2 起爆網路

隧道爆破網路設計，采用導爆管毫秒雷管孔內延期起爆網路，孔內按掏槽孔、輔助孔、周邊孔、底孔的起爆順序，再按周邊被保護物的允許振速和與爆點的實際距離計算出的最大允許単響藥量嚴格進行分段后，再將各段別的延時導爆管雷管裝入孔內，采用“一把抓”連接方式，即連接時將露出孔外的導爆管綁扎在起爆雷管上，達到從低段位到高段位逐段起爆的目的。先掏槽再擴槽，輔助孔次于擴槽孔起爆，周邊孔次于輔助孔起爆，底孔最后起爆。

4.3 施工注意事項

（1）適當降低循環進尺和炮孔深度

為最大化減小爆破震動的影響，需要減少爆破總藥量，所以需降低循環進尺和炮孔的深度。鉆孔時炮孔傾斜角范圍一般在4°以內。

（2）加強對中隔墻的防護

在對左、右線主洞進行施工時，需要對中隔墻進行全方位、全封閉的保護，將鋼管架和竹板全面封閉起來，降低爆破沖擊波和飛石損害。

（3）鉆爆作業要求

鉆爆作業必須按照鉆爆設計進行鉆眼、裝藥、接線和引爆；鉆眼前應定出挖面中線、水平、斷面輪廓，標出炮眼位置，經檢查符合設計要求后方可鉆眼。炮眼的深度、角度、間距應按設計要求確定，并符合下列精度要求：掏槽眼：眼口間距誤差不得大于5cm;輔助眼：眼口排距、行距誤差均不得大于5cm；周邊眼：沿隧洞斷面輪廓線上的間距誤差不得大于5cm，炮眼方向可以3%～5%的斜率外插，眼底不得超出開挖斷面輪廓線10㎝，最大不得超過15㎝。

爆破均采用不耦合裝藥。炮孔應按設計圖紙鉆鑿在一個布孔面上，鉆孔偏斜誤差不超過1。；裝藥前應對作業場地、爆破器材堆放場地進行清理，裝藥人員應對準備裝藥的全部炮孔進行檢查；裝藥前應將炮眼內泥漿、石屑吹洗干凈，已裝藥的炮眼應及時用炮泥填塞，周邊眼的填塞不宜小于30cm;地下水較多的地方，應采用具有防水性能的爆破材料，敷設爆破網絡時接頭不得浸在水中；進行爆破時，所有人員應撤離至安全地點，爆破后必須待有害氣體排出后方可至開挖面工作，并用水噴灑爆堆；應加強洞內車輛調度，統一管理，安排好每個工序的施工作業時間，機械運轉時，非操作人員應退至安全地點，發現情況異常應立即停機撤離；鉆眼、出渣、爆破等施工人員進入隧道后對拱部進行檢查，確認無浮石，無冒頂危險時方可開始作業；通往爆破區的路口應設置安全警戒標志。

（4）嚴格控制單響藥量和段間延期時差

通過減少爆破單發裝藥，可以有效控制爆破振動速度，最大限度地減少爆破擾動和對圍巖破壞。為此，雷管的不同段別也用于相同的分層炮孔中，以減少單發裝藥。 相鄰段之間的延時時間的選擇非常重要。 使用非電毫秒雷管的相鄰段的延遲時間應超過50 ms，可以使用連續段來滿足要求。 通過合理設置雷管段，可以避免爆破震動波疊加，減少單次裝藥，達到降低爆破振動影響的目的。

（5）光爆孔全部采用導爆索裝藥

為了順利爆破，周邊孔必須同時起爆。所以導爆索應該鋪設在所有周邊孔里，以增加爆炸的威力。 各孔導爆索接出孔外后，先由主導爆索連接，再接分段導爆索延時雷管。

（6）有序裝藥，適當堵塞

在裝藥前應檢查炮孔質量并用高壓風吹干。 裝藥時，將雷管段別預先分開，按設計順序裝藥，固定放置并分組，保證裝藥作業有序，防止雷管段別混亂，影響爆破效果。 裝藥后，用炮泥堵塞20cm。 裝藥和堵塞質量高可以增強爆破效果，減少爆破振動。

（7）爆破飛石控制

爆破抵抗線朝向空地方向，避免飛石飛向有人群或建筑的地方。選擇合理單耗裝藥量是控制飛石的關鍵，單孔裝藥量過大，必然造成大量飛石過遠等現象，必須選擇合理的單耗。處理好有水孔，加強堵塞，保證良好的堵塞質量。堵塞長度不夠或堵塞質量不好，特別是有水炮孔，勢必造成沖炮，出現大量飛石。為了防止個別飛石濺出造成傷害，針對隧道口正面部位進行搭建雙層排架，對隧洞口進行遮擋式覆蓋。洞口施工用變壓器，在爆破時采取臨時斷電或近體覆蓋措施。

5 結論

（1）隧道的爆破開挖是一項復雜的工程，特別是不同級別圍巖的情況下，需要根據不同的圍巖特點采取合適的施工方法，并結合施工加強監控量測，不斷優化控制爆破參數。

（2）光面爆破設計時應采取周邊孔少裝藥，裝藥結構為不耦合裝藥。能夠降低圍巖損傷和減小爆破震動的效果，對周邊輪廓成型、減少超欠挖、減少成本具有很大意義。

（3）不同循環進尺的爆破方案不盡相同，應根據實際工況采取不同的爆破方案。

（4） 通過保證各炮孔的裝藥和堵塞質量，特別是周邊孔的布置，同時控制各炮孔間的起爆時間，采用合理的延時，能夠得到比較理想的爆破效果。