白竹山隧道爆破超挖原因分析與控制研究

田興朝，陶鐵軍，婁乾星，劉榮欣，劉春舵，陳 航

(1.貴州大學土木工程學院，貴陽 550025；2.貴州大學礦業學院，貴陽 550025；3.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；4.貴陽學院城鄉規劃與建筑工程學院，貴陽 550005)

鉆爆法具有高效經濟的優點，是我國隧道開挖的主要方法，在隧道鉆爆法施工中，超欠挖問題一直都是亟待解決卻始終沒有很好解決的技術難題。超欠挖不僅影響爆破質量，還會增加作業成本，降低施工進度，因此，探明隧道爆破超欠挖的根本原因，提出應對措施，對隧道高效安全經濟爆破具有重要意義。

超欠挖一直是隧道爆破的研究熱點，大量專家學者對此進行了諸多研究：郝廣偉等[1]基于蟠龍山隧道工程，開展了不同循環進尺大小的掘進爆破試驗，對比分析了不同循環進尺下隧道超挖值及圍巖成型效果。袁樹成[2]結合甘河隧道工程中特殊的水平薄層狀巖層易導致超欠挖的特征，提出了將信息化施工與新爆破技術相結合的“三組一新”控制超欠挖方法。張運良等[3]對周邊孔的外插角、裝藥參數、內移距離及裝藥結構等進行優化，減少了水平層狀圍巖光面爆破造成的超欠挖。楊玉銀等[4]提出從施工技術、爆破技術等方面減小超挖的方法，得出了控制單循環進尺可有效減少超挖的結論。王海亮等[5]提出的周邊孔采用“長短眼”布孔方式，克服了鋼拱架對周邊孔鉆鑿的限制，有效控制了超欠挖，同時降低了周邊孔的爆破振動。鄧顯平[6]提出“在影響隧道超欠挖的諸因素中，鉆孔精度和爆破技術對超欠挖的影響最大，分別為44. 2%和20. 3% ”。馮海暴等[7]以九瑞高速隧道建設為工程背景開展現場試驗，分析了影響超欠挖和造價耗費的主要因素，表明鉆孔偏差是造成超欠挖的主要原因。張運良等[8]以大林隧道為背景分析了影響光面爆破效果的主要因素, 總結了一套水平層狀圍巖光面爆破的施工技術。王承山[9]闡述了鉆爆法隧道開挖時超欠挖產生的原因, 提出了強化現場施工管理是減少超欠挖的根本措施。劉冬等[10]分析了影響隧道超欠挖產生的主要因素，并從提高周邊孔鉆孔精度和測量放線精度、加強現場管理等角度提出了一些控制措施。

上述研究對隧道爆破超欠挖的原因進行了詳細分析，提出了應對策略，成果頗豐，但似乎都停留在理論層面，鮮有對現場炮孔布設的實地測量，周邊孔實測傾斜角度對超欠挖影響規律以及影響機理未見相關報道。本文在前人研究的基礎之上，以貴州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道為工程依托，對現場爆破參數進行了數據采集，討論了當前爆破工藝下導致隧道超欠挖的主要原因，并提出了應對措施，為現場爆破施工提供指導。

1 工程概況

白竹山隧道為分離式特長隧道，右幅隧道長4 404 m，最大埋深323 m，左幅隧道長4 358 m，最大埋深318 m，隧道左右幅測設線間距為16～41 m。數據采集段為左幅隧道ZK19+984～ZK19+954區段，圍巖為中風化薄～中厚層狀凝灰質板巖，節理裂隙發育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結構，隧道自穩能力差，無支護時受震動易產生松動變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現象。本段巖體Kv=0.58，[BQ]=290，按Ⅳ級圍巖進行襯砌支護。

對現場爆破進行了9個循環的數據采集，超欠挖情況如表1所示，現場爆破基本都為超挖，基本無欠挖，超挖平均值在20 cm以上，最大超挖平均值為51.8 cm，最大超挖值為91.9 cm，遠超過規范[11]規定的最大允許超挖值150 mm，超挖嚴重，且每循環爆破由于超挖增加的混凝土成本約為2萬元，嚴重增加了施工成本。因此，迫切需要分析導致現場爆破超欠挖嚴重的原因，提出應對措施，改善爆破效果，降低超挖。

表1 超欠挖情況統計

2 超欠挖產生的原因分析

鄧顯平[6]、馮海暴等[7]經過對隧道拱部超挖因素的分析，認為造成隧道爆破超挖的主要因素有6個，即裝藥量與鉆孔精度、孔網布設、施工管理、測量放線、地質變化以及其他因素，如圖2所示，其中裝藥量與鉆孔精度、爆破技術、施工管理分別占比44.2%、20.3%、17.7%，對隧道爆破超欠挖的影響最大，現對以上3因素對超欠挖的影響規律做進一步分析。

圖1 超欠挖影響因素統計分析[6]

根據9次數據采集資料，每循環所采用的爆破技術基本相同，現場爆破人員都是持證上崗，并有爆破專家對爆破人員進行培訓，且每循環上臺階爆破均為同一班工人開展，但超挖值卻有較大變化，說明孔網布設及施工管理不是導致白竹山隧道超挖嚴重的主要原因。

3 裝藥量及鉆孔角度對超欠挖影響規律

雖然每循環爆破均為同一班工人開展，但現場并未進行相應的測驗工作，如打孔位置、鉆孔角度以及單孔裝藥量等，本文在對現場進行的9次爆破參數采集中，均對上述參數進行了詳細采集。

3.1 裝藥量對超欠挖影響規律

對每個炮孔的裝藥量進行數據采集，如表2所示。每個炮孔的裝藥量都是固定的，但超挖值卻有較大變化，說明裝藥量不是導致白竹山隧道超挖嚴重的主要原因。

表2 炮孔裝藥量統計

3.2 周邊孔孔口位置對超欠挖影響規律

以6～9次現場測試數據為例，對周邊孔孔口布設位置進行準確標定，將周邊孔孔口布設輪廓線與超欠挖輪廓線進行對比，如圖2所示?，F場技術人員在進行周邊孔鉆孔時，往往以上一循環初支混凝土表面為參照，初支混凝土表面的凹凸不平以及人工鉆孔時的不可控因素，使得周邊孔孔口位置布設不整齊，距離隧道輪廓線的距離不統一，同時周邊孔的間距不均勻。由圖2b)分析可知，周邊孔孔口位置不是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因，然而，由h=a+tanθ(h為隧道超欠挖，a周邊孔開口位置，θ為周邊孔外斜角度)可知，周邊孔開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

圖2 周邊孔孔口布設輪廓線與超欠挖輪廓線

3.3 鉆孔角度對超欠挖影響規律

1)鉆孔角度對超欠挖的影響規律。對現場爆破工藝進行現場檢測時發現，由于受到開挖臺車結構構造、鉆孔設備以及技術人員作業空間的制約，使得周邊孔鉆孔時都會向外傾斜一定角度，當外斜角度過大，周邊孔爆破時將會對保留巖體產生類似楔形掏槽孔的作用效應，如圖3所示，保留巖體損傷嚴重。

圖3 周邊孔三維模型

鉆孔完成后，對每個周邊孔的角度進行準確測量，定義周邊孔的傾斜角度為90°與現場測量角度的差值，正值代表周邊孔外斜，負值代表周邊孔內斜。限于篇幅，此處僅對第7、8、9次現場測試數據進行分析，如圖4所示(注：個別炮孔為淺孔裝藥，未進行角度測量，導致周邊孔傾斜角度曲線不連續)。由圖可知，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內斜角度的增大，超挖值逐漸減小，說明周邊孔的傾斜角度是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因。

圖4 超欠挖與周邊孔傾斜角度關系

2)鉆孔角度導致超挖原因分析。現場圍巖為層狀板巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結構，隧道自穩能力差，在應力波與爆生氣體共同作用下，巖體易脫落，造成超挖。

粉碎區半徑可按下式進行計算[12]：

(1)

式中：R0為粉碎區半徑；rb為炮孔半徑；ρ0為炸藥密度；ρm為巖石密度；D為炸藥爆速；Cp為巖石縱波波速；K為不耦合裝藥系數。

選用2號巖石乳化炸藥進行計算，密度ρ0=1.24 g/cm3，爆速D=4 200 m/s，炮孔半徑rb=2.1 cm，依據式(1)進行粉碎區半徑計算，炮孔直徑為42 mm，藥卷直徑為32 mm，不耦合裝藥系數K=1.30，計算得出粉碎區半徑R0=2.02 cm。

裂隙區半徑可按下式進行計算[13]：

(2)

式中：RL為裂隙區半徑；σtd為巖石抗拉強度；D*為損傷因子；λ為側壓力系數，λ=μd/(1-μd)，μd為巖石的動態泊松比，μd=0.8μ；α為應力波衰減系數，α=1-λ。

(3)

現場板巖的抗拉強度σtd=10.3 MPa，泊松比μ=0.22，可得A=5.16，α=1.78，不同不耦合裝藥系數條件下，裂隙區半徑RL與損傷因子D*關系如圖5所示。

圖5 裂隙區半徑RL與損傷因子D*關系

由圖5可知，不同不耦合裝藥系數條件下，裂隙區半徑RL與損傷因子D*關系的變化規律基本相同，隨著損傷因子的逐漸增加，裂隙區半徑逐漸增大，當損傷因子達到0.5時，裂隙區半徑達到極值，損傷因子繼續增加時，裂隙區半徑逐漸減小，這是由于隨著損傷因子的增大，巖石中的裂隙不斷增多，裂隙的發育消耗了應力波的大部分能量，因此裂隙區半徑會逐漸減小。本文現場爆破的不耦合裝藥系數K=1.30，取損傷因子D*=0.5，計算得出裂隙區半徑RL=78.93 cm。

分析周邊孔傾斜角度造成超欠挖的原因：由圖5可知，現場板巖爆破時產生的裂隙區半徑RL為78.93 cm，每個周邊孔爆破都將產生一個類似圓柱體的裂隙損傷區域，此裂隙損傷區域以周邊孔底部中心為圓心，半徑為裂隙區半徑RL，高為裝藥長度，如圖6所示。ZK19+984～ZK19+954數據采集區段，圍巖為中風化薄～中厚層狀凝灰質板巖，Rc=25 MPa，屬于較軟巖，Kv=0.58，[BQ]=290，節理裂隙發育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結構，隧道自穩能力差，無支護時受震動易產生松動變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現象。依據此區段板巖性質，輔助孔爆破為周邊孔爆破提供了臨空面，同時對周邊圍巖產生了“卸載”作用，裂隙的發育使本來破碎的板巖更加不穩定，周邊巖體在爆破振動作用、自重應力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，形成超挖區域。

圖6 周邊孔爆破形成的裂隙損傷區域

4 應對措施

由上述分析可知，周邊孔的布設對隧道超欠挖的影響較大，合理的周邊孔布設參數能夠較好的控制超欠挖。

1)周邊孔孔口布設在距離設計輪廓線15 cm位置，與輔助孔的間距控制在60 cm，周邊孔間距為50 cm，孔深控制在3.5 m，確保布孔整齊均勻。

2)為了控制超欠挖，同時便于鉆孔操作，在開挖臺車上安裝鉆孔定位裝置，使周邊孔控制在以3°的斜率向斷面外傾斜。

3)周邊孔采用不耦合裝藥和空氣間隔裝藥，裝藥量為4條/孔，確保炸藥爆炸時能量在巖體中均勻分布，如圖7所示。

圖7 周邊孔裝藥結構

爆破參數優化后，超挖厚度控制在15 cm以內，噴混超耗率控制在90%以內，超欠挖控制效果較好，如圖8所示。

圖8 參數優化后的爆破效果

5 結語

1)周邊孔的外斜角度過大是造成白竹山隧道爆破超挖嚴重的主要原因，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內斜角度的增大，超挖值逐漸減小，周邊孔孔口位置雖然對超欠挖的影響較小，但其開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

2)不耦合裝藥系數為1.30時，2號巖石乳化炸藥在板巖中爆破形成的粉碎區半徑為2.02 cm，裂隙區半徑為78.93 cm，周邊孔爆破時會形成一個類似圓柱體的裂隙損傷區域，周邊巖體在爆破振動作用、自重應力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，周邊孔的外斜角度越大，超挖越嚴重。

3)白竹山隧道爆破降低超挖量的核心是嚴格控制周邊孔的外斜角度，將周邊孔孔口布設在距離設計輪廓線內15 cm位置，在開挖臺車上安裝鉆孔定位裝置，以≤3°的斜率向斷面外傾斜，能夠將超挖厚度控制在15 cm以內，爆破效果較好。