淺談軟弱圍巖隧道爆破開挖關鍵技術及安全管控

張恩增 ZHANG En-zeng；張英才 ZHANG Ying-cai

（河南理工大學土木工程學院，焦作 454000）

1 工程概況

新疆奎屯河是新疆天山北坡經濟帶西緣的一條主要河流，承擔著近200 萬畝農田的灌溉、供水任務，新疆奎屯河引水工程施工區地勢南高北低，海拔500～4800m。引水工程隧道總長11.5km，南部依連哈比爾尕山為構造剝蝕高山—中山區，北部準噶爾盆地南緣為構造剝蝕低山區和向北傾斜的沖洪積平原區，且山區引水系統位于6.5級潛在震源區，因此，隧道幾乎是在Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖中的。

其中，Ⅳ類圍巖隧道開挖最大直徑6.2m，高6.25m，直墻高3.15m，頂拱開挖半徑為3.1m，襯砌厚0.5m；Ⅴ類圍巖，開挖最大直徑6.4m，高6.45m，直墻高3.25m，頂拱半徑為3.2m，襯砌厚0.6m；洞身采用鋼筋混凝土襯砌。

2 軟弱圍巖地質特點及潛在危害

①地質特點。首先，軟弱圍巖通常巖體破碎，使得粘結力較弱，再加之該類圍巖多由土層、風化層組成，因此，隧道洞身在開挖后，僅憑借微弱的膠結與顆粒摩擦作用成拱，極不穩定，特別是淺埋地段，極易發生坍塌；其次，軟弱巖體通常多為片巖、泥巖、頁巖、炭質巖等軟質巖，這使得隧道圍巖質地較軟，強度較低，且這種質地遇水極易軟化，穩定性不高，這樣開挖后，隧道洞身極易變形，向內擠壓，特別是在深埋地段；第三，被切割分解后的塊狀軟弱巖體，抗壓度低、抗拉應力和粘性力都較低，再加上質地較軟，因此，隧道洞身開挖后，極易滑塌，保留圍巖也較易產生變形。

②潛在危害。首先，由于軟弱圍巖自身滲水性能較差，采用注漿加固方法來處理變形的時候，其固結的速度是極為緩慢的，因此，較易發生還沒有達到固結強度就滑塌的情況，這就使得隧道結構的工程整體穩定性和安全性受到威脅。其次，軟弱圍巖使得隧道洞身開挖后保留體在隧道施工過程中引起支護變形的可能性也較大，這種情況主要出現在淺埋地段，如果沒有有效的后續鞏固措施就難以進行防護，出現局部塌方。還有，斷層破碎是軟弱圍巖開挖風險程度最大的地分，自身的穩定性嚴重不足不說，該區域還會伴存著大量的地下水，極易出現塌方和透水事故。

3 爆破開挖對軟弱圍巖巖體穩定性的影響分析

軟弱巖體中的隧道開挖后，會在巖體中形成新的自由面，這樣，原本處于高應力作用下的軟弱圍巖，就會向新的自由空間變形或移動，使得軟弱圍巖的自穩能力不斷減弱。

目前，隧道的開挖仍較多的采用鉆爆法。因此，在反復爆破開挖過程中，爆破應力波的多次疊加擾動影響下，圍巖向開挖形成的洞身變形的速度會進一步加快，巖體的損傷也進一步加強，最終輕則會造成超挖和欠挖、重則可能會導致塌方和冒頂。

3.1 巖石爆破開挖作用理論分析

想要研究施工過程中爆破對圍巖及周邊設施產生的振動損傷，就要了解巖石在爆破作用下的破碎本質。由于炸藥的爆炸過程表現出高溫、高壓且快速的特點，所以，巖石在炸藥爆破作用下的破碎過程十分短暫，并且受到各種復雜地質及施工因素的影響，巖石在炸藥爆破作用下的破碎過程復雜多變，因此，想要研究巖體在炸藥爆破作用下的破碎機理是十分困難的。經過無數學者的探討和研究，出現了一些理論體系、計算模型，雖尚未有統一的炸藥爆破作用下的巖石破碎理論，但形成的以爆炸沖擊應力波反射拉伸作用、爆生氣體膨脹壓力作用、爆炸沖擊應力波和爆生氣體共同作用為主的三種理論，基本反映了炸藥在巖石爆破過程中的基本規律。

爆炸沖擊應力波反射拉伸作用理論以動作用理論為基礎，主張巖石破壞是炸藥爆炸時產生的爆炸應力波，在巖體自由面上反射，形成的反射拉應力波將巖石拉斷。這種理論主要考慮拉應力波在自由面的反射拉伸作用，對壓應力、拉應力和壓應力波的環向作用未進行考慮，對爆生氣體考慮也僅限于巖石拋擲和輔助破碎的作用，忽略了爆轟氣體在巖石破碎中的主要作用。

爆生氣體膨脹壓力作用理論以靜作用理論為基礎，主張巖石破壞是炸藥爆破時，產生了具有高溫高壓特點的爆轟氣體，對周圍巖壁膨脹壓力作用造成的巖石破碎。這種理論主要考慮爆生氣體的高溫、高壓的荷載作用，忽略了爆炸沖擊波和應力波在巖石破碎中的主要作用。

爆炸沖擊應力波和爆生氣體膨脹共同作用理論主張巖石爆破破碎是爆破沖擊應力波和爆生氣體共同作用，達到巖石破碎效果，是絕對不能分開單獨作用的，二者只是在不同爆破階段和不同波阻抗巖石中起到的作用不同。這種理論綜合考慮了沖擊應力波和爆生氣體在巖石破碎過程的作用，是較為客觀且符合實際的，因此被學術界普遍接受。

3.2 軟弱巖體爆破開挖理論分析

上述三種理論為簡化分析，均將巖石視為均勻介質，且只分析了單自由面情況下爆破過程，具有局限性。在實際施工過程中，遇到的巖體都是不均質的，巖體中存在大量的節理裂隙，而且走向各異。

彈塑性理論以彈塑性力學為基礎，將巖石視為均勻、連續且各向同性的介質，以動抗拉強度作為巖石破壞標準，認為巖石破壞是由炸藥爆炸后，產生的動態荷載作用超過巖石的動抗拉、抗壓強度造成的。斷裂力學理論將巖石看成脆性材料，認為巖石中存在初始微裂紋，炸藥爆破后，巖石是在初始微裂紋的基礎上進一步擴展和破壞的。在損傷力學理論中，將巖石視為脆性損傷材料，認為巖石中存在大量的初始微裂紋等缺陷，并且不規律分布。

軟弱圍巖巖體受軟弱圍巖結構面的影響，具有各向異性及顯著的非線性，其破壞機理與普通巖體具有明顯差異性，這也是軟弱圍巖巖體爆破效果差，易造成安全事故原因。

4 軟弱圍巖爆破開挖關鍵技術

綜上分析，在軟弱圍巖隧道施工過程中造成超欠挖是在所難免的，設計采用弱爆破開挖法。其主要控制措施表現是：

①光面爆破采用不耦合裝藥或空氣柱間隔裝藥，降低了炸藥爆炸對炮孔壁的沖擊，但是，仍會對保留巖體的長期穩定與安全產生影響。

②減小一次開挖循環進尺，將爆破開挖循環一次進尺控制在2.0~2.5m，以減小一次起爆藥量，從而減輕爆破對保留圍巖的擾動影響。

③再輔以快清渣和早初支，就是爆破后立即快速完成清碴和初其支護，以最小時限對變形圍巖進行變形控制。

④此外，對鉆孔精準度的要求提高，對周邊孔線裝藥密度的把控等，也可以減少對圍巖的振動和破壞。

Ⅴ類圍巖爆破方案設計，循環進尺取為2.0m，掏槽孔深2.2~2.3m，其他炮孔深度取1.8~2.0m。

①在隧洞掌子面中心線兩側1.5m 處設置第一排掏槽孔，兩側各3 個炮孔，垂直布置，孔間距為0.9m；在第一排掏槽孔外0.45m 左右設置第二排掏槽孔，兩側各2 個炮孔，孔間距為0.9m；在第二排掏槽孔外0.5m 左右設置第三排掏槽孔，兩側各3 個炮孔，孔間距為0.9m。

②在掌子面上部設置兩排輔助孔，下派孔數為2 個，孔間距為1.1m；上排孔數為4 個，孔間距取0.7m，增強底板孔爆破效果。

③周邊孔沿隧道輪廓兩側及拱頂均勻布置一圈，孔間距為0.5m；在底板段設置周邊孔數為5 個，間距為1.1~1.2m。

④數碼電子雷管，設計段別為5 段，每段別延遲為50ms。

炮孔總數為50 個，雷管50 發，導爆索100m，總裝藥量48kg，最大單段藥量14.4kg，掏槽眼藥量21.6kg，開挖斷面36.88m2，炸藥單耗0.651kg/m3。

具體炮孔布置如圖1 所示，爆破參數如表1 所列。

表1 Ⅴ類圍巖爆破參數

圖1 Ⅴ類圍巖爆破方案（單位：cm）

5 軟弱圍巖爆破開挖安全管控技術

結合前文對本隧道工程的闡述，軟弱圍巖隧道開挖施工中的核心問題是對爆破開挖引起的變形的控制，以及對可能出現的塌方進行的預防。所以，對爆破開挖方法必須進行合理性優化確定，在此基礎下，對軟弱圍巖隧道的施工必須圍繞變形控制開展，這樣才能確保隧道的順利掘進。因此，開挖施工中必須做好以下幾點，提前設防，防止坍塌，確保安全。

①增設臨時支護。軟弱圍巖巖體整體具備不穩定性，若其再度被爆破開挖后處于支護前的懸空狀態時，則其穩定性將會持續大幅降低。因此，針對此類地層的隧道爆破開挖施工，必須采用落地開挖技術，就是在實際開挖前，對斷面提供一個臨時支護結構，以阻止拱腳下沉過大或過快。

②進行圍巖加固。針對III 類以下隧道圍巖，施工時多采用高壓灌漿技術來增強和改善施工影響范圍內的圍巖結構，通過增強軟弱圍巖的強度與硬度來大幅提升圍巖周圍結構的穩定性。同時，鉆爆施工作業人員在實際的施工過程中要根據試爆來確定最終參數選取，盡可能減少爆破震動對周邊圍巖的擾動。

③采用超前勘探。在軟弱圍巖隧道正式施工前，必須采用超前鉆孔，并輔以地質雷達、地質素描等物探手段進行超前地質預報，對探得的信息進行分析，以獲取施工區域及前方巖體的陷穴、塌滑的準確情報，便于爆破開挖時針對不同的地質情況采用相應的技術措施，必要時可會同設計單位一同進行。

④超前導管支護。淺埋段隧道施工，在開挖前，通常會采用超前小導管預支護、超前小導管注漿預支護、超前錨桿預支護、超前大管棚、高壓旋噴樁等超前支護措施，本工程的開挖施工中，設計“弱爆破、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的原則，穩扎穩打，步步為營，確保了隧道開挖質量和施工安全。

⑤加強圍巖監測。監控量測是判斷隧道圍巖及結構穩定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工最重要的信息化手段。監控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂，淺埋段應進行地表沉降量測。同時，要增加量測頻率，隨時注意圍巖動態，并派專人負責，尤其是在爆破時間段，務必加強安全警戒，采取預防措施，防止突發事件發生。

6 軟弱圍巖爆破開挖安全管控措施

①加強軟弱圍巖隧道爆破開挖方案審批及動態跟蹤監管。軟弱圍巖地質條件復雜，施工工序繁多，工藝要求嚴格，因此，對軟弱圍巖隧道施工的技術方案必須嚴格執行審批，如方案中對地質情況的分析，方案中對爆破參數的選擇，方案中對變形的監測預防措施，方案中對事故的應急處置等方面。

②加強精細管理，精益求精地施工來控制施工安全質量。

一是新，就是要從模式上、管理上進行創新；

二是準，就是要從策劃上、執行上做到精準；

三是智，就是要從溝通上、索賠上發揮智慧；

四是嚴，就是要從合同上、考核上嚴格管控；

五是細，就是要從目標上、責任上細化到點；

六是實，就是要從技術上、組織上狠抓落實。