光面爆破技術(shù)在鳳凰包隧道工程中的應(yīng)用

李本松 周興均

（1.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041；2.四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著我國交通建設(shè)迅速發(fā)展，西部山區(qū)公路隧道和鐵路隧道的數(shù)量越來越多，山嶺隧道的施工技術(shù)也有了很大進(jìn)步。雖然隧道施工有鉆爆法、盾構(gòu)法、人工配合機(jī)械掘進(jìn)等多種施工方法，但從適應(yīng)的地質(zhì)條件范圍、成本控制、便利程度等多方面考慮，鉆爆法還是目前修建山嶺隧道的主要方法。

鉆爆法施工中超欠挖現(xiàn)象不可避免，采用光面爆破能有效控制隧道超欠挖、降低隧道建設(shè)成本以及提高開挖效率。本文以沿江高速鳳凰包隧道工程為例，對光面爆破技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 工程概述

鳳凰包隧道全長3169m，為分離式隧道，進(jìn)出口為淺埋小凈距段，洞門形式均為端墻式。主洞建筑限界凈寬為11m，緊急停車帶限界凈寬為14m，建筑限界凈高為5m，采用復(fù)合式襯砌。鳳凰包隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中山，山脊較渾厚。區(qū)內(nèi)構(gòu)造條件簡單，以褶皺為主，無斷裂構(gòu)造通過；圍巖巖性較單一，為侏羅系沙溪廟組（J2s）粉砂質(zhì)泥巖和砂巖互層，巖層為單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀總體傾向E，傾角較緩（10°～16°）。隧道所在區(qū)域水文地質(zhì)條件總體較好，主要為洞口段第四系松散孔隙水和洞內(nèi)基巖風(fēng)化裂隙水，地下水對混凝土無腐蝕性。隧道洞口段圍巖以V級圍巖為主，洞內(nèi)以IV級圍巖為主，IV級圍巖整體長度占隧道全長的98.8%。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 爆破方式的選擇

為保證爆破后斷面成形規(guī)整，減少超欠挖量，同時(shí)結(jié)合鳳凰包隧道的工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場工程實(shí)際情況，選擇光面爆破。鳳凰包隧道圍巖較軟，采用光面爆破對斷面輪廓的控制效果更為明顯，也能最大限度地使開挖面符合設(shè)計(jì)輪廓線，同時(shí)減輕對圍巖的擾動。

2.2 掏槽方案的選擇

根據(jù)不同圍巖類別選擇不同的掏槽方案是“新奧法”動態(tài)施工、動態(tài)設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)。鳳凰包隧道Ⅴ級圍巖中有3類襯砌方式，Ⅳ級圍巖中有4類襯砌方式，每類襯砌方式中鋼拱架每榀的間距不同。首先根據(jù)工程地質(zhì)條件和圍巖情況確定單次循環(huán)進(jìn)尺，合理的單循環(huán)進(jìn)尺在保證圍巖和掌子面穩(wěn)定的前提下，能夠充分發(fā)揮鉆孔機(jī)具的鉆進(jìn)效率，獲得良好爆破效果并有效控制爆破危害，同時(shí)也能減少整座隧道爆破循環(huán)次數(shù)。

本文以IV級圍巖較好段落為例，支護(hù)參數(shù)采用Z4c時(shí)，單次循環(huán)進(jìn)尺控制在3m，每個(gè)循環(huán)立鋼拱架3榀，研究光面爆破的應(yīng)用效果。根據(jù)以往其他工程施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)掏槽深度大于2.6m時(shí)，需采用復(fù)式掏槽，如圖1所示。掏槽孔有一定的外插角，為控制超欠挖，方便架設(shè)鉆機(jī)，掏槽孔一般比掘進(jìn)孔深約0.2m，為3.3～3.4m；輔助掏槽孔孔深（擴(kuò)槽孔）一般與掏槽孔相同；其他炮孔深度控制在3.2～3.3m。所有炮孔的孔底應(yīng)位于與隧道軸線垂直的同一個(gè)平面內(nèi)，這是保證掌子面平整的前提。

圖1 上臺階底板復(fù)式掏槽

2.3 光面爆破參數(shù)的選擇

光面爆破參數(shù)的選擇首先與圍巖情況有關(guān)，通過圍巖地質(zhì)情況判斷合理進(jìn)尺，確定孔深與布孔方式，同時(shí)地質(zhì)條件決定了開挖斷面的大小與方式；其次是受炸藥的品種與性能、裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方法的影響。要實(shí)現(xiàn)光面爆破，選擇合適的炮孔間距和數(shù)目以及密集系數(shù)、最小抵抗線、裝藥線密度、起爆順序和起爆時(shí)差等參數(shù)非常關(guān)鍵[1]，尤其是要控制好周邊眼裝藥量和線裝藥密度，并采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)。光面爆破宜使用低爆速炸藥和小直徑炸藥卷，采用軸向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)爆索起爆。

2.3.1 周邊孔間距

周邊孔間距與炮孔直徑、巖性和裝藥量等參數(shù)有關(guān)。一般可按經(jīng)驗(yàn)公式確定：a=（10～15）d，d為炮孔直徑。鳳凰包隧道圍巖為粉砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化砂巖，取12.5倍炮孔直徑，周邊孔間距a取0.5m[2]。

2.3.2 密集系數(shù)與光爆層厚度

周邊孔密集系數(shù)和光爆層厚度是光面爆破的重要參數(shù)，兩者影響了光面爆破后斷面邊壁的光滑平整度和殘孔率，決定了超欠挖量。密集系數(shù)過大，爆破后可能在光爆孔間留下巖埂，造成欠挖，反之則可能出現(xiàn)超挖[3]。實(shí)踐中密集系數(shù)k多取0.5～0.8，根據(jù)鳳凰包隧道圍巖情況，周邊孔密集系數(shù)k取0.6，光爆層厚度（周邊孔最小抵抗線）w=a∕k=0.83m。

2.3.3 周邊眼線裝藥密度

周邊眼線裝藥密度是指單位長度炮孔內(nèi)的裝藥量，可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

式中：

q——單位體積耗藥量，kg∕m3），本工程中實(shí)際單位體積耗藥量q取0.5kg∕m3；

a——周邊孔間距，取0.5m；

w——光爆層厚度，取0.83m。

計(jì)算出線裝藥密度Q約為0.2kg∕m[4]。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)動態(tài)調(diào)整Q，隧道采用的普通2號巖石乳化炸藥，Q一般取0.15～0.25kg∕m。

2.3.4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)一般采用軸向空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在軸向上分段布置炸藥，藥卷直徑小于炮孔直徑，使每段藥卷之間形成空氣間隔層，增加不耦合系數(shù)。空氣間隔層對爆破產(chǎn)生的沖擊波起到緩沖作用，延長爆生氣體在孔內(nèi)的作用時(shí)間[5]。根據(jù)光爆孔深度和線裝藥密度Q（0.2kg∕m），3.4m深的光爆孔中需放3段0.2kg的乳化炸藥藥包，用泡泥堵塞好孔口，堵塞長度不小于0.3m；再用導(dǎo)爆索串聯(lián)所有光爆孔，形成起爆網(wǎng)絡(luò)（見圖3），用同一段毫秒雷管（13段）起爆，各炮眼裝藥量如圖4所示。

圖2 周邊眼間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)

圖3 光面爆破炮孔布置及起爆網(wǎng)絡(luò)圖

圖4 各炮眼雷管段數(shù)及裝藥量

2.3.5 光面爆破的分區(qū)起爆順序

鳳凰包隧道采用一次分段延期起爆法，釆用簇聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，用導(dǎo)爆索一次同時(shí)起爆各炮孔的炸藥，達(dá)到最好的爆破效果。起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼→周邊眼→底板眼。經(jīng)過試驗(yàn)，周邊孔在最后起爆，且相鄰兩周邊孔的起爆時(shí)差小于10ms時(shí)光爆效果最好。

3 施工方法及技術(shù)控制要點(diǎn)

光面爆破效果與施工期間的測量布孔、鉆孔、裝藥、封堵、起爆連線、爆破順序等諸多環(huán)節(jié)有很大關(guān)系。

3.1 測量布孔

鉆孔前，測量人員用全站儀測量出隧道中心線和拱頂高程，用激光斷面儀測量出隧道開挖輪廓線，用紅油漆畫出隧道開挖輪廓線，并標(biāo)出炮孔位置，其誤差不得超過5cm。

3.2 鉆孔要求

按照測量放點(diǎn)標(biāo)注的孔位進(jìn)行鉆孔，鉆周邊孔時(shí)一般以2°～3°的角度外插，并根據(jù)炮孔深度來調(diào)整外插角度，保證孔底不超過設(shè)計(jì)的開挖輪廓線10cm，以控制超挖范圍，并力求孔底在同一垂直面上，確保爆破后形成較為光滑平整的掌子面，有利于掌子面的安全。其他各類炮眼深度、角度按設(shè)計(jì)施工，并控制誤差均不大于10cm。鉆眼過程中先鉆掏槽眼，再鉆其他輔助眼，掏槽眼應(yīng)比其他眼加深20cm。為有利于起爆和方便出渣，鉆孔方向應(yīng)盡量垂直于巖體層理或節(jié)理面。

為合理控制超欠挖區(qū)域，上一個(gè)循環(huán)初期支護(hù)末端應(yīng)與掌子面留有一段距離，以便鉆機(jī)架設(shè)，同時(shí)保證鉆桿的外插角度。若上一循環(huán)初期支護(hù)末端與掌子面距離過短，則會造成外插角過大，從而造成超挖增大，單次循環(huán)進(jìn)尺越大，超挖越嚴(yán)重。

3.3 裝藥及封堵要求

裝藥前要用高壓風(fēng)管進(jìn)行清孔處理，防止炸藥和雷管塞不進(jìn)去；各類孔內(nèi)裝藥量和雷管段數(shù)需要與設(shè)計(jì)方案對應(yīng)，不得混裝。為防止爆炸能量過早地泄漏到炮孔外導(dǎo)致爆破效果降低，所有炮孔均用炮泥堵塞。孔口封堵長度L0一般按L0=（0.2～0.5）W計(jì)算求出，也可按經(jīng)驗(yàn)封堵，一般堵塞長度不小于30cm，嚴(yán)禁不堵孔爆破。

3.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及起爆方法

按照設(shè)計(jì)好的簇聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，按照掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼的起爆順序連接，導(dǎo)爆索連接采用扭接方式，且搭接長度不小于15cm。起爆網(wǎng)絡(luò)連好后需經(jīng)專人負(fù)責(zé)檢查，起爆前清除洞內(nèi)作業(yè)人員至安全警戒線范圍外，再由起爆人員利用起爆器實(shí)施爆破，爆破完成30min后再進(jìn)入爆破區(qū)檢查，確認(rèn)無盲炮后方可解除警戒，再進(jìn)行下一步工序。如果檢查發(fā)現(xiàn)盲炮，必須由專職爆破員進(jìn)行處理。

4 光面爆破實(shí)施效果與經(jīng)濟(jì)效益

4.1 光爆效果

鳳凰包隧道光爆效果明顯，炮孔的殘留率在90%以上（見圖5所示）。經(jīng)過斷面測量，超挖控制在15cm以內(nèi)，欠挖率控制在8%以內(nèi)，最大欠挖不超過10cm，開挖后實(shí)測斷面輪廓如圖6所示。爆破后隧道周邊形成一個(gè)光滑平整的邊壁，從而保證了圍巖的相對完整性和自身承載能力，增加了巖壁的穩(wěn)定性，有效降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 光面爆破效果

圖6 開挖斷面實(shí)測圖

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)省時(shí)間：雖然光面爆破比普通爆破在鉆眼及裝藥環(huán)節(jié)延長了近半小時(shí)，但后期減少了欠挖補(bǔ)炮、排除危巖、裝渣出渣、初噴混凝土等環(huán)節(jié)所需的時(shí)間，可節(jié)省約1.5h。

（2）保證工程質(zhì)量：實(shí)施光爆后輪廓光滑平整，初噴混凝土后拱頂后不容易出現(xiàn)空洞，初噴混凝土平順，后續(xù)掛土工布、防水板施工更方便，也更平整，不容易在初期支護(hù)與防水板之間出現(xiàn)空洞，減少處置質(zhì)量通病的時(shí)間與成本[6]。

（3）節(jié)省材料：經(jīng)過與非光面爆破的對比分析，光面爆破比非光面爆破減少超挖量15%，超噴率平均減少76%，具體統(tǒng)計(jì)如表1；同時(shí)也節(jié)省了補(bǔ)炮消耗的炸材和額外的系統(tǒng)錨桿、超前錨桿等。

表1 光面爆破與非光面爆破初噴混凝土對比表

5 結(jié)束語

光面爆破不管是在爆破效果、殘眼率、超欠挖控制、開挖耗時(shí)、噴混凝土用量、初噴混凝土質(zhì)量等方面都比普通爆破法具有優(yōu)勢。但在光面爆破施工中，需注意以下幾個(gè)問題：

（1）要對圍巖的工程地質(zhì)條件有一個(gè)較為準(zhǔn)確的認(rèn)識，根據(jù)圍巖類別進(jìn)行動態(tài)調(diào)整循環(huán)進(jìn)尺和爆破參數(shù)；

（2）加強(qiáng)對開挖班組的培訓(xùn)與技術(shù)交底，使他們充分掌握光面爆破的施工注意事項(xiàng)和一些有效可行的施工方法，提高操作熟悉程度；

（3）提高鉆孔精度，能有效地減少超欠挖。