西南地區軟硬互層巖隧洞爆破參數優化研究

王晨浩， 李濤， 林作章， 李曉超

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.云南建投第一水利水電建設有限公司，昆明 650599）

0 引言

隧洞施工根據開挖方式可分為鉆爆法、盾構法和掘進機法。鉆爆法施工工序簡單、開挖成本低、對圍巖條件適應性強，因而成為當前國內外最為常見的隧洞施工方法。鉆爆法隧洞爆破是以鉆孔、爆破工序為主，配以裝運機械出碴，完成隧洞施工的方法，應用于各類軟硬圍巖隧洞施工中，尤其是長度較短、斷面較小的水工隧洞施工。鉆爆法隧洞爆破通過參數優化達到保障圍巖穩定、控制圍巖超欠挖及提高施工速度的目的。

文中以分析西南地區軟硬互層圍巖的水工隧洞鉆爆破法爆破設計試驗實例為切入點，調整對比優化爆破設計參數，總結軟硬互層沉積巖爆破設計經驗，為類似爆破工程設計、爆破參數優化、施工管理、成本控制提供有價值的參考，展望爆破發展趨勢與方向。

1 隧洞爆破基礎

1.1 隧洞爆破簡介

調整掏槽孔、輔助孔和周邊孔是光面爆破設計優化重要一環。掏槽孔是后續爆破效果能好的基礎，直接影響隧道爆破的循環進尺和掘進效果，決定輔助孔的自由面；輔助孔在爆破隧洞圍巖中起到擴大掏槽效果的作用，決定后續爆破新的自由面；周邊孔是決定隧洞超挖、欠挖大小和原始圍巖損害程度的關鍵因素[1，2]。

炮孔方向可以與作業面垂直或傾斜，在有明顯的裂縫或層理時，炮孔應與巖石裂縫或層理垂直或斜交，盡量避免平行層理和鉆入裂隙，掏槽可利用裂縫、層理[3]。

1.2 爆破參數

炮孔爆破參數設計是決定隧洞爆破效果、質量的重要參數，涉及掏槽方式，掏槽孔斜率，炮孔深度、數目、孔距及直徑，裝藥直徑，單位巖體炸藥用量、單孔裝藥線系數，周邊孔裝藥不耦合系數，起爆段差、聯結網絡設置等。

誘變育種是目前最常用的藻種獲取手段，包括物理誘變和化學誘變。物理誘變常用的誘變輻射源包括紫外線、半導體激光等各種射線、微波或激光；常用的化學誘變劑種類有烷化劑、核酸堿基類似物等[8]。研究者們已將誘變育種用于培育高脂質含量的藻種，并取得了一定的效果[9]。誘變育種操作可以方便、快捷地篩選到具有優良性狀的藻株，但優良性狀的誘變機理尚不明確，表現型不穩定。

根據現場掘進條件（圍巖情況、斷面情況等）及爆破參數相互關系，結合實際炮孔利用率、四壁超欠挖效果、破碎圍巖塊度等情況，為達到更優、更適宜爆破效果及質量，從而達到優化調整爆破參數的目的[4]。

隧洞爆破后還需考慮：爆破后圍巖面應圓順平整，超挖量控制在10cm以內并不欠挖；無破壞圍巖原始結構和產生明顯裂縫，無較大浮石，炮孔利用率達到90%以上；炮孔殘留痕跡需均勻分布在開挖面上并有一定的痕跡保留率（硬巖≥90%，中硬巖≥70%，軟巖≥50%）；相鄰兩孔間需保持巖面平整，孔壁無明顯裂隙，臺階形出現誤差≤150mm。

我國在GB 6722-2014《爆破安全規程》中，對周邊建筑物安全采用安全允許振動速度進行爆破安全評價[5，6]，見表1、表2。

表1 部分建筑物爆破振動安全允許標準

表2 新澆大面積混凝土（C20）爆破振動安全允許標準

爆破振動采用質點振動速度測點進行監測，每個測點布置豎直向、水平徑向和水平切向（垂直于水平徑向）3個方向的傳感器。

1.3 爆破試驗概況

工程隧洞為4.5m×5m城門洞型，隧洞圍巖為互層狀微風化砂巖、頁巖，頁巖單軸飽和抗壓強度為9.83～13.4MPa，屬較軟巖，砂巖單軸飽和抗壓強度為37.64～42.6MPa，產狀NE70°，NW∠40°，洞向為NE230°，與隧洞斜交，夾角為40°，圍巖自穩定時間短，屬不穩定，判定為Ⅳ類圍巖，如隧洞圍巖應力見圖1。

圖1 隧洞圍巖應力

2 爆破試驗布置

根據炮孔布置圖，由測量人員在開挖掌子面上將各炮孔位置做好標記，鉆孔采用4臺TY-28手風鉆鉆進，鉆孔過程中隨時對鉆孔深度和斜率進行檢測，嚴格控制炮孔的深度和角度，以便及時糾偏。爆破試驗采用“光面鉆孔-人工裝藥-非電微差雷管起爆-裝載機裝車-自卸車出渣外運-錨桿錨固-掛鋼筋網后噴混凝土支護”的流程進行。

根據每次爆破完成后的效果及時調整炮孔的間距和裝藥量；出渣完成后，根據開挖輪廓線規則程度、巖面平整度及超欠挖情況、殘孔率調整周邊光爆孔的間距和裝藥量、裝藥起爆形式；根據底板超欠挖情況來調整底孔間距和裝藥量及預留量。

每次爆破時，在距離掌子面20m處左側洞壁、底板、右側洞壁中部等3處混凝土，布置質點振動速度測點（即監測測點1～3），監測爆破振動效果。

2.1 第1次爆破試驗

（1）爆破基本參數：孔徑D=42mm；炮孔深度：掏槽孔L=2.5m，八字型掏槽，傾角32°～35°；崩塌孔L=2.2m，輔助孔L=2.2m，周邊孔L=2m；藥卷直徑d=32mm；周邊孔不耦合系數з=1.31（炮眼直徑與藥包直徑的比值）；周邊眼孔距a=50cm；最小抵抗線（光爆層厚度）W=0.8～1m；線裝藥密度：掏槽孔QL=0.2kg/m；崩塌孔QL=0.2kg/m；輔助孔QL=0.2kg/m，周邊孔QL=0.225kg/m，爆破試驗炮孔布置見圖2、圖3。

圖2 第1次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

圖3 爆破試驗掏槽孔、周邊孔布置圖（單位：m）

（2）鉆孔布置：炮孔設掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔19～32號、周邊孔33～60號、底孔61～64號。掏槽眼比其他炮眼加深50cm，周邊孔孔口間距50cm，掏槽孔向內稍斜（32°～35°），周邊孔的孔口在斷面設計輪廓線內5cm處；輔助孔間距300～900mm，上稀下密，中部均勻分布。

（3）裝藥：裝填炸藥藥卷直徑均為32mm。掏槽眼單孔裝藥量1.2kg，共計8孔，共裝藥9.6kg；崩落孔單孔裝藥量0.6kg，共計10孔,共裝藥6kg；輔助孔單孔裝藥量0.6kg，共計14孔，共裝藥8.4kg；周邊孔采用軸向不耦合裝藥，單孔裝藥量0.45kg，共計25孔，共裝藥11.25kg；底眼單孔裝藥量0.9kg，共計4孔，共裝藥3.6kg。累計裝藥量：38.85kg。雷管選擇：采用四序起爆，掏槽眼1～8號選用1段非電雷管；輔助孔（崩落孔）9～18號選用3段非電雷管；輔助孔（崩落孔）19～32號選用5段非電雷管；周邊孔和底孔33～61號選用7段非電雷管。各孔采用導爆管并聯，并與起爆雷管串聯。起爆雷管采用兩枚即發電雷管。起爆聯結線路，如圖4所示。

圖4 起爆聯接線路

（4）爆破效果：圍巖巖體穩定條件較差，巖體節理裂隙較發育、破碎、局部夾泥，層間結合差；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱及左上方塌方較多，殘孔率5%左右，洞渣最遠拋擲距離35m見圖5；周邊混凝土監測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.21、0.29、0.57cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構）筑物和設備產生破壞性影響。

圖5 第1次爆破后隧洞成型

2.2 第2次爆破試驗（與第1次爆破試驗相比）

（1）爆破基本設計參數和第1次爆破試驗相同。

（2）鉆孔周邊孔孔距a=50cm調整為40cm，底孔僅布置在兩側，對中部進行一部分預留，即掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔19～32號、周邊孔33～64號、底孔65～68號。調整后爆破試驗炮孔布置見圖6。

圖6 第2次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

（3）單孔裝藥量不變，根據實際炮孔進行裝藥，即周邊孔由25孔變為32孔，裝藥量由11.25kg調整為14.4kg。累計裝藥量為42kg。雷管選擇：采用四序起爆（僅周邊孔和底孔33～68號選用7段非電雷管，其余均與第1次爆破試驗一樣）。

（4）爆破效果：圍巖巖體穩定條件較差，巖體節理裂隙較發育，破碎，局部夾泥，層間結合差；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱及左上方存在30cm厚掉塊，右側有少量超挖，殘孔率約8%，洞渣最遠拋擲距離32m，爆堆塊度普遍直徑20～40cm，適宜扒渣機裝渣見圖7。周邊混凝土監測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.32、0.25、0.47cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構）筑物和設備產生破壞性影響。

圖7 第2次爆破后隧洞成型圖

2.3 第3次爆破試驗（與第1次爆破試驗相比）

（1）爆破基本參數僅周邊孔線裝藥密度QL=0.225kg/m調整為0.15kg/m。

（2）鉆孔周邊孔孔距a=50cm調整為40cm；底孔僅布置在兩側，對中部進行一部分預留，掏槽孔間距由1.88m調整為1.28m，即掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔 19～32號、周邊孔 33～64號、底孔 65～68號。調整后爆破試驗炮孔布置如圖8。

圖8 第3次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

（3）單孔裝藥量不變，根據實際炮孔進行裝藥，即周邊孔由25孔變為32孔，單孔裝藥量0.45kg變為0.3kg，裝藥量由11.25kg調整為9.6kg。累計裝藥量：37.2kg。雷管選擇：采用四序起爆（僅周邊孔和底孔33～68號選用7段非電雷管，其余均與第1次爆破試驗一樣）。

（4）爆破效果：圍巖巖體穩定條件較差，巖體節理裂隙較發育、局部夾泥、層間結合差，拱頂右側有煤線層；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱右側存在20cm厚掉塊，右側邊墻局部超挖0.1～0.2m超挖，邊墻呈鋸齒狀，殘孔率10%左右，洞渣最遠拋擲距離30m，爆堆塊度普遍直徑約20～40cm，適宜扒渣機裝渣見圖9。周邊混凝土監測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.36、0.45、0.41cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構）筑物和設備產生破壞性影響，地表無新增裂隙，表明爆破對周圍建（構）筑物影響極小。

圖9 第3次爆破后隧洞成型圖

3 試驗分析

（1）隧洞采用全斷面開挖形式，周邊成型采用光面爆破施工，每循環控制在2m范圍內，巖層破碎或自穩性差時隨挖隨襯；巖層條件較好時在排危后作隨機錨桿簡易支護，掘進2循環后一并初期支護。

（2）受制于巖層結構面導致各向異性，洞臉徑向成型較差，鉆孔作業時鉆桿角度與洞軸線、圍巖層面存在較大夾角。鉆孔過程應在相鄰已成孔內插入外露導向桿，作為炮孔作業的方向參照。

（3）光面爆破周邊孔經驗值0.4m已滿足成型要求，但光面殘孔率低，個別部位存在欠挖巖坎。主要原因是起爆未采用導爆索起爆，裝藥間隔過大，炮孔堵塞嚴重不足。

（4）底孔造孔位于設計開挖線上，爆破時對隧洞底板造成震動破壞，雨季洞內存在滲水，加上施工遺水，重載車輛反復碾壓，造成底板超挖，經濟成本提高。后續底板開挖時應預留0.2m作為保護層，模筑襯砌前采用機械對個別欠挖部分鑿除。

（5）軟硬互層圍巖通過試驗表明，爆破參數應選第3次爆破試驗參數，最佳單次藥量37.2kg。

（6）有水地段爆破炸藥應采用乳化炸藥，其他段應采用銷銨炸藥，雷管類別可選電雷管、毫秒管（奇數段1～7段，嚴格控制最大一段的裝藥量）、導爆索，起爆形式應選各序孔并聯，起爆電雷管串聯，導爆管起爆。

4 應用展望

（1）調整掏槽孔間距、輔助孔及周邊孔間距是控制圍巖爆破效果有效方式，軟硬互層狀圍巖需根據實際情況適時縮小各孔間距。

（2）城門洞型斷面的側壁和頂拱是爆破活動中的較為薄弱段，軟硬互層圍巖爆破應根據側壁和頂拱爆破效果進行調整，同時應在隧洞底部布置一定的保護層預留。

（3）軟弱互層圍巖的層面在爆破設計中應予以考慮，隧洞洞向為順層面方向時洞頂易形成凌空導致超挖，垂直層面且與層面呈大角度相交時，易產生不可預見性掉塊。

（4）人工智能、大數據是近些年發展的重點，隧洞爆破過程中應適時加入智能監測和大數據預測，施工過程中可根據實際的圍巖情況、爆破效果及炸藥性能等監測成果，及時不斷完善調整爆破參數，進而達到提高爆破質量、控制施工成本等目的。

5 結語

（1）走出高質量發展是新時代的進擊之路，倡導各行各業、各個領域高質量發展是大趨勢、大方向，視情況隨時調整爆破參數優化是隧洞工程建設高質量發展的重要一環。

（2）西南地區軟硬互層巖隧洞爆破參數優化，總結實踐經驗，為類似爆破工程設計、爆破參數優化、施工管理、成本控制提供有價值的參考。