層狀圍巖隧道施工爆破與錨固研究

畢征

（廣東龍浩公路橋梁工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在施工過(guò)程中，遇到層狀圍巖需要進(jìn)行爆破，并在爆破后進(jìn)行錨固。主要步驟是：首先，利用現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)爆破位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估分析，通過(guò)數(shù)據(jù)推算出圍巖能夠承受的最大數(shù)值，從而得出爆破可能造成的后果和可能產(chǎn)生的影響；其次，在爆破前，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r與具體數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)谋品绞剑蛔詈螅趯?shí)際施工中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整爆破參數(shù)以指導(dǎo)爆破施工。除此之外，還需要對(duì)錨固長(zhǎng)度以及間距進(jìn)行確定。

1 層狀圍巖的含義

圍巖就是在隧道等地下工程施工過(guò)程中，較為容易受到影響導(dǎo)致其應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)變化的巖石。層狀圍巖并非某一塊巖石的名稱，而是具有一定范圍的巖石。圍巖是洞室四周圍繞的巖石，洞室可以是人工開(kāi)鑿的，如各種隧道、地下倉(cāng)庫(kù)等，也可以是天然形成的，如山洞、溶洞等。在地下工程開(kāi)挖時(shí)，層狀圍巖往往不易被打成拱形或圓形，爆破后頂面經(jīng)常呈平板狀，如不加支護(hù)，就常發(fā)生彎曲張開(kāi)，然后逐漸坍塌。因此，對(duì)于此類圍巖，應(yīng)以錨桿為主要的支護(hù)手段。

2 層狀圍巖隧道施工爆破

對(duì)層狀圍巖隧道進(jìn)行施工爆破時(shí)，需要先對(duì)爆破數(shù)值進(jìn)行模擬，隨后根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行爆破相關(guān)理論分析。在此過(guò)程中，施工人員需要根據(jù)以往的爆破經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合層狀圍巖的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考量后，實(shí)施爆破試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，可以獲得所需要的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到爆破項(xiàng)目中。在應(yīng)用時(shí)，需要注意根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保其對(duì)爆破工作的指導(dǎo)作用。

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬過(guò)程能夠?qū)Ρ瓶赡馨l(fā)生的情況進(jìn)行模擬和計(jì)算，通過(guò)模擬找出爆破過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，并有效解決，避免在實(shí)際爆破過(guò)程中出現(xiàn)相同類型的情況，以此提升實(shí)際爆破過(guò)程的安全性、可靠性與科學(xué)性，確保爆破工作能夠正常進(jìn)行。數(shù)值模擬技術(shù)的地位和作用之所以不斷上升，主要是數(shù)值模擬技術(shù)的計(jì)算精度和可靠性都較高，其計(jì)算結(jié)果已經(jīng)成為爆破工程進(jìn)行問(wèn)題分析的主要依據(jù)。數(shù)值模擬能夠把計(jì)算力學(xué)的理論成果、算法轉(zhuǎn)換為工程實(shí)際問(wèn)題，綜合應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工具、算法以及工程知識(shí)。數(shù)值模擬的主要作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，數(shù)據(jù)模擬相對(duì)于試驗(yàn)和理論而言更加真實(shí)可靠。試驗(yàn)與理論只能依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)爆破可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行評(píng)估，而數(shù)據(jù)模擬可以將爆破過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)直接展示出來(lái)[1]。

第二，數(shù)值模擬可以更直觀地顯示目前還不容易被觀測(cè)到的情況，便于相關(guān)人員進(jìn)行分析，還可以顯示任何試驗(yàn)都無(wú)法看到的情況以及可能會(huì)發(fā)生的情況。除此之外，部分爆破由于危險(xiǎn)性較高或需要花費(fèi)大量資金導(dǎo)致難以進(jìn)行試驗(yàn)，而數(shù)據(jù)模擬可以有效代替這部分試驗(yàn)內(nèi)容。

第三，數(shù)據(jù)模擬對(duì)相關(guān)試驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展存在推動(dòng)作用，為爆破制定科學(xué)合理的方案，確定爆破的具體過(guò)程與最佳位置，為爆破提供了可靠的理論指導(dǎo)。

第四，在實(shí)際爆破試驗(yàn)中進(jìn)行數(shù)值測(cè)試需要消耗大量的資金和資源，并且存在較大的危險(xiǎn)性。因此，需要進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 爆破作用分析

在爆破過(guò)程中，炸藥爆炸會(huì)對(duì)周圍的圍巖產(chǎn)生一定的影響，其穩(wěn)定性會(huì)下降，影響的大小與爆破開(kāi)挖的程度有直接的聯(lián)系。因此，在進(jìn)行爆破時(shí)，需要結(jié)合數(shù)值模擬的情況，選擇適當(dāng)?shù)谋品椒ǎ_保在不嚴(yán)重破壞圍巖穩(wěn)定性的前提下完成爆破工作。影響炸藥的爆破作用的因素很多，主要有以下幾種：

第一，炸藥性能。炸藥的裝藥密度、爆速、炸藥波阻抗、爆轟壓力、爆炸壓力、爆炸氣體體積以及爆炸能量利用率等因素都會(huì)對(duì)爆破作用產(chǎn)生影響。爆炸壓力的大小與爆炸氣體的破巖能力直接相關(guān)。爆炸應(yīng)力波在巖體中造成的初始裂紋為爆炸氣體的氣楔作用創(chuàng)造了條件[2]。

第二，巖體特性。巖體特性對(duì)爆破作用的影響可以從兩個(gè)方面來(lái)理解，一是巖體特性對(duì)爆炸荷載性質(zhì)的影響，如巖體特性對(duì)爆炸荷載的傳遞效率以及傳遞速度的影響，對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響，對(duì)爆炸氣體壓力作用方式的影響等；二是巖體本身的強(qiáng)度和變形特點(diǎn)對(duì)爆破作用的影響。

第三，炸藥與巖石的匹配關(guān)系。在耦合裝藥條件下，炸藥與巖石緊密接觸，設(shè)爆轟波垂直入射到藥室壁面，則在藥室壁面處產(chǎn)生反射波和透射波，透射波進(jìn)入巖石，反射波返回藥室中的爆轟產(chǎn)物。如果把入射爆轟波當(dāng)作壓縮波處理，即采用所謂沖擊波聲學(xué)近似假設(shè)，則公式為：

當(dāng)巖石的聲阻抗等于炸藥的聲阻抗時(shí)，沒(méi)有反射波，稱為阻抗匹配。這表明炸藥傳遞給巖石的能量最多。從應(yīng)力波觀點(diǎn)看，炸藥的波阻抗應(yīng)盡可能與所爆破巖石的波阻抗相匹配。因此，波阻抗比R 成為選擇炸藥的重要依據(jù)。由于一般工業(yè)炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相差較大，要完全匹配是很困難的或不經(jīng)濟(jì)的，而且并非對(duì)所有巖石都需要強(qiáng)的應(yīng)力波。

2.3 爆破參數(shù)確定

確定爆破參數(shù)需要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行：第一，炮眼的大小。炮眼的大小會(huì)對(duì)所用炸藥的數(shù)量、能夠爆破的范圍以及爆破后巖石的平整情況造成一定的干擾。因此，在選擇炮眼的大小時(shí)，需要結(jié)合爆破位置的實(shí)際數(shù)據(jù)。第二，炮眼的長(zhǎng)度。炮眼的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)爆破造成一定的干擾。在確定炮眼的長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)依據(jù)所需爆破位置巖石的性質(zhì)、巖石斷面的面積、所使用作業(yè)機(jī)械的種類、所使用炸藥威力的大小以及操作工人的能力水平等諸多因素。現(xiàn)階段在進(jìn)行爆破時(shí)，一般會(huì)選擇較大的炮眼長(zhǎng)度，但也要根據(jù)上述內(nèi)容并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行選擇，確保能夠高質(zhì)高效的完成作業(yè)[3]。第三，炮眼的個(gè)數(shù)。炮眼數(shù)也會(huì)對(duì)層狀圍巖爆破參數(shù)的確定造成干擾。需要考慮到所爆破位置巖石的實(shí)際狀況、斷面的大小以及炸藥威力大小等諸多內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)呐谘蹅€(gè)數(shù)，以保障爆破的質(zhì)量。在確定炮眼的個(gè)數(shù)時(shí)，需要先對(duì)巖石的實(shí)際狀況和斷面的大小進(jìn)行評(píng)估，從而初步得出炮眼個(gè)數(shù)的大概數(shù)值，通過(guò)數(shù)據(jù)評(píng)估，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步精確化，不斷結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。炮眼的個(gè)數(shù)也可以按照下列公式進(jìn)行確定，公式為：

式（3）中：N 為炮眼個(gè)數(shù)；q 為所用炸藥情況，kg/m3；S為巷道掘進(jìn)的大小；m 為一個(gè)炸藥的具體長(zhǎng)度值；η 為炮眼的實(shí)際利用情況；a 為裝入的炸藥系數(shù)情況；P 為一卷炸藥實(shí)際的質(zhì)量情況。第四，炸藥的使用情況。這里所說(shuō)的炸藥的使用情況并非完成整個(gè)爆破所需的炸藥總數(shù)，而是1m3范圍所使用的炸藥數(shù)量。計(jì)算炸藥數(shù)量也有一個(gè)公式：

炸藥的使用情況會(huì)對(duì)爆破所需應(yīng)用的資金數(shù)量、爆破后圍巖的穩(wěn)定情況、炮眼的利用情況以及整體爆破的效果等諸多內(nèi)容造成一定的影響。

2.4 爆破參數(shù)的調(diào)整

在爆破的過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注鉆入的部位、鉆入的深度、使用炸藥的情況等數(shù)據(jù)的控制。即便進(jìn)行了精準(zhǔn)控制，也存在較多的易變性，層狀圍巖的實(shí)際情況會(huì)隨著施工的進(jìn)行出現(xiàn)細(xì)微變化。因此，在爆破時(shí)，需要結(jié)合隧道內(nèi)層狀圍巖的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整，以確保爆破效果不受影響[4]。

2.5 爆破過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)

在爆破過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：第一，裝填炸藥和鉆孔工作不應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，盡管同時(shí)進(jìn)行能夠有效減少工作時(shí)長(zhǎng)，但會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患，為避免出現(xiàn)安全事故應(yīng)按照正常步驟進(jìn)行。第二，爆破設(shè)備處理場(chǎng)所的問(wèn)題。首先，爆破設(shè)備處理場(chǎng)所應(yīng)該設(shè)置在洞外，不應(yīng)為了方便設(shè)置在洞內(nèi)，且需要距離洞口至少50m。其次，不能在爆破設(shè)備處理場(chǎng)所之外的地方進(jìn)行處理作業(yè)。最后，爆破器材加工房必須符合國(guó)家有關(guān)安全規(guī)范的規(guī)定。第三，相關(guān)工作人員不能穿化纖材質(zhì)的衣物或使用化纖材質(zhì)的日常用品。第四，在爆破的過(guò)程中，應(yīng)確保工作人員都不在爆破范圍內(nèi)，避免對(duì)工作人員的生命安全造成威脅。第五，不能在放炮之后立刻裝填炸藥，放炮的次數(shù)需要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定。第六，在裝填炸藥之前，需要對(duì)周圍支護(hù)情況進(jìn)行檢查，確保其較穩(wěn)定后再裝填炸藥。第七，爆破點(diǎn)在洞中時(shí)，不能使用黑色火藥，以確保爆破的安全性。

3 層狀圍巖隧道施工錨固

3.1 層狀圍巖中錨固的原理

3.1.1 懸吊

懸吊就是將不穩(wěn)定的部分懸吊在穩(wěn)定的部分上，尤其是在直接頂較薄，老頂相對(duì)牢固的情況下，需要使用錨桿。錨桿能夠?qū)⑽r或軟巖部分的重量分?jǐn)偟阶约荷砩希瑥亩_保其穩(wěn)定，避免出現(xiàn)坍塌或其他安全事故。錨桿懸吊也存在一定的弊端，主要表現(xiàn)為沒(méi)有考慮到圍巖的自承能力，并且被錨固體與原巖體是分開(kāi)的。

3.1.2 組合梁

組合梁是為解決懸吊的弊端而提出的。組合梁能夠在沒(méi)有穩(wěn)定巖層的情況下使用，主要通過(guò)應(yīng)用錨桿的拉力將層狀地層組合起來(lái)，形成組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。錨桿存在一定抵抗剪切破壞的能力，利用錨桿的這項(xiàng)能力保障巖層的層間不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)的情況，以組合的形式，有效提升頂板的穩(wěn)定性。

3.1.3 減跨

將不穩(wěn)定的頂板巖層看成支撐在兩幫的疊合梁，將懸吊在老頂上的錨桿作為支點(diǎn)，安裝錨桿就等同于在頂板上設(shè)置了一個(gè)支點(diǎn)，有效減小頂板的跨度，使頂板巖層的彎曲應(yīng)力和撓度得到降低，維持了頂板與巖石的穩(wěn)定性，避免巖石由于各種力的作用出現(xiàn)變形或損壞的情況，提升施工過(guò)程的安全性。

3.1.4 圍巖松動(dòng)圈理論

從國(guó)內(nèi)外大量的測(cè)試結(jié)果中能夠分析得出，圍巖松動(dòng)圈在隧道中是普遍存在的。在試驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)中，通過(guò)更改圍巖強(qiáng)度和應(yīng)力之間互相作用的情況，能夠制造出大小各異的圍巖松動(dòng)圈，圍巖的狀態(tài)特征如大小、強(qiáng)度、性質(zhì)等能夠影響支護(hù)的情況。處于彈塑性狀態(tài)的圍巖可以自己保持穩(wěn)定，但在圍巖出現(xiàn)破碎的情況時(shí)，會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的影響。圍巖松動(dòng)圈并非瞬間造成的，想要形成圍巖松動(dòng)圈需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，其主要過(guò)程有兩個(gè)階段：

第一階段，形成即時(shí)松動(dòng)圈。即時(shí)松動(dòng)圈是圍巖中集中應(yīng)力超過(guò)圍巖瞬時(shí)強(qiáng)度形成的，巖石硬時(shí)即時(shí)松動(dòng)圈數(shù)值高，巖石軟則數(shù)值低。

第二階段，這種圍巖松動(dòng)圈一般出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，由于強(qiáng)度下降，導(dǎo)致松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)最后長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度狀況下的較為穩(wěn)定的松動(dòng)圈數(shù)值。

3.2 錨桿參數(shù)的確定

3.2.1 長(zhǎng)度值

錨桿的長(zhǎng)度值是錨固長(zhǎng)度值+自由段長(zhǎng)度值+外錨段長(zhǎng)度值，并應(yīng)滿足下列要求：

第一，自由段長(zhǎng)度值及錨桿錨固段長(zhǎng)度應(yīng)按規(guī)定計(jì)算。

第二，巖石錨桿相關(guān)錨固段的長(zhǎng)度值需大于3m，小于45D 和6.5m，或55D 和8m。

第三，位于軟質(zhì)巖中的預(yù)應(yīng)力錨索，可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定最大錨固長(zhǎng)度。當(dāng)計(jì)算錨固段長(zhǎng)度超過(guò)上述數(shù)值時(shí)，應(yīng)采取改善錨固段的巖體質(zhì)量、改變錨頭構(gòu)造或擴(kuò)大錨固段直徑等技術(shù)措施，提高錨固力。

3.2.2 錨桿平均間距確定

一般按照規(guī)范的規(guī)定和已有的工程經(jīng)驗(yàn)確定錨桿的間距范圍，再通過(guò)計(jì)算確定。比如，錨桿擋墻按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2002）的規(guī)定，錨桿垂直間距不宜小于2.5m，水平間距不宜小于2m，可以設(shè)定垂直間距為4m，水平間距為3m 試算，計(jì)算通過(guò)，間距即可確定。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在層狀圍巖隧道爆破時(shí)，需要結(jié)合隧道的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬、爆破作用分析、爆破參數(shù)確定等工作，確保爆破能夠正常且有效進(jìn)行。在錨固過(guò)程中，可以采用組合梁的原理進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)。由此可知，無(wú)論是爆破還是錨固，都需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)谋苹蝈^固方式，從而提升施工過(guò)程的安全系數(shù)，確保施工能夠正常進(jìn)行。