復雜圍巖環境下高速公路隧道爆破施工設計
——以河南省“雙千工程”某高速公路隧道工程為例

林慧勤

（中鐵二十三局集團第一工程有限公司，山東日照 276800）

0 引言

目前，我國在建高速公路隧道有30%～40% 位于復雜圍巖環境，復雜圍巖強度、承載能力不均，常發生圍巖大變形、塌方等工程事故。為了保證隧道施工工期，需要根據不同圍巖特點，選擇相應的施工工法[1]，并且嚴格按照短開挖、弱爆破、勤量測、及時成環的原則施工[2]。其中，隧道爆破施工設計需要通過理論計算和施工經驗相結合的方式，確定具體的爆破設計參數，以確保隧道施工的安全。以河南省“雙千工程”某高速公路隧道工程為例，闡述了隧道爆破施工設計中涉及的關鍵參數以及計算方法，為今后的類似工程提供借鑒經驗。

1 工程概況

河南省“雙千工程”某高速公路全長75km，采用雙向四車道高速公路標準，設計速度80km/h，路基寬度25.5m。線路位于豫西深山區，地處秦嶺山脈東段，峰巒連綿，谷深坡陡，地面標高最低700m，最高2192m。河谷為侵蝕型，兩岸不對稱發育二級階地，分布不連續。地形屬中低山區和黃土覆蓋低山區。線路沿線表層多覆蓋碎石土，基巖分布有火山巖、變質巖、沉積巖等，物理力學性能參數如表1所示。

2 隧道概況及風險分析

該標段涉及4 座隧道，分散坐落于不同山區，涉及村莊3 處，緊鄰隧道口散落4 家農戶。需要重點關注的是，某隧道進口200m 范圍內有大量居民居住，距離民宅近，爆破施工有一定難度，控制爆破飛石、震動等影響至關重要。在爆破作業時，應對爆破的安全性進行校核和有效控制。隧道含有各種圍巖級別，因此隧道爆破施工技術研究以隧道施工為例。

隧道進出口圍巖為Ⅴ級，表層為第四系殘坡積土、碎石，全風化巖石，結構松散，圍巖不穩定性。施工時，應加強防護措施，宜采取預支擋等安全防護措施后開挖。洞身段整體穩定性較好，在斷層帶巖石破碎或成碎石狀，易發生坍塌等，基本適宜隧道通過。但應對雨季洞體滴水狀況做好防護。

經隧道進出口實地勘察，采用小松260 挖掘機進行破碎及挖掘，滿足施工要求。為保證施工進度，洞口進洞前實施爆破。采用松動爆破，并預留靠近民房的一側作為防護墻，挖掘機進行輔助配合，保證周邊居民、住房及設備設施安全。

爆破網絡采用非電毫秒起爆網絡。爆破后，挖掘機、裝載機配合大型載重自卸車運輸至棄渣場。爆破作業時，加強協調統一與安全管理，嚴格按照爆破施工程序進行。

3 爆破技術參數及設計

爆破施工的關鍵是與爆破設計和作業工序配合[3]。爆破初期，需要根據巖性和結構的不同進行試驗，分析爆破效果，基于此調整相應的設計參數。

3.1 爆破技術參數

隧道爆破的施工質量取決于爆破技術參數的合理選擇[4]。

3.1.1 單位炸藥消耗量，單位炸藥消耗量會對巖石的破碎程度、爆堆的形狀和巖石的飛行距離產生直接影響，同時對施工斷面質量、炮眼的利用率以及隧道圍巖的穩定性產生顯著影響。單位炸藥消耗量需要結合多種因素綜合確定，包括炸藥特性（硬度、密度、爆炸力和塑性等）、巖石特性、橫截面、裝藥的直徑、孔徑和孔深等。因此，準確計算單位炸藥消耗量非常困難。

3.1.2 炮眼直徑，炮眼直徑會對施工進度、炮眼數量、巖石破碎程度、炸藥的消耗量以及隧道側壁的平整程度產生直接的影響。在隧道施工中，主要根據隧道的斷面尺寸、炸藥的爆炸性能和器具的鉆孔速度，確定炮眼的設計直徑。所有炮眼和臨時支護錨桿孔均采用φ42mm 鉆孔。

3.1.3 炮眼深度，從綜合鉆孔和爆破工作的角度來看，炮眼深度在所有爆破參數中起重要作用[5]。炮眼深度影響到工作量、進度以及施工時的爆破效果。調整炮眼深度的依據包括圍巖的類型、施工爆破環境和隧道開挖方法，炮眼深度合理的取值范圍在1.2～3.5m。在具體的施工中，根據巖性和以往的爆破效果適當調整炮眼深度。同時，必須調整其他爆破參數，如孔間距和裝藥量，以加快進度。

3.1.4 炮眼數量，炮眼數量直接影響鉆孔工作量和爆破施工效果。炮眼數量過少，巖石大體積的碎塊增加，井壁輪廓凹凸不平；相反地，如果炮眼數量過多，則會增加鉆孔的數量[6]。炮眼數量確定的原則是在保證效果的前提下，盡可能減少。

3.1.5 炮眼利用率，鉆爆最重要的參數就是炮眼利用率[7]。通常基于整個爆破斷面的利用率對其加以定義和計算。試驗表明，影響炮眼利用率的因素很多，包括單位炸藥消耗量、炮眼數量、裝藥直徑、系數和深度。炮眼最佳利用率為0.85～0.95。考慮到斷面較大，炮眼利用率在0.8～0.9 之間，取0.85 進行計算。

3.2 爆破設計

隧道以風化片巖為主，圍巖巖性整體穩定性較好，圍巖級別以Ⅲ、IV、V 級為主。施工中，將根據實際情況及時合理地調整施工方法。對于小凈距隧道，嚴格控制施工中的爆破效應，充分保護圍巖，控制最大臨界振動速度15cm/s。隧道凈寬為10.25m，凈高為5m，Ⅲ級圍巖全斷面爆破斷面面積為106.26m2。在爆破參數中，相互影響的4 個參數是炮眼間距、炮眼密集系數、最小抵抗線和裝藥密度。

3.2.1 炮眼深度

炮眼深度受開挖面大小的影響。炮眼深度太深，周圍的巖石有很大的夾持作用，因此，炮眼深度不應太深[8]。通常情況下，最大深度的取值為隧道截面寬高的0.5～0.7 倍，同時，應考慮圍巖的每個開挖周期的開挖進尺。在現場施工時，采用YT-28 型風鉆，配合φ42mm 鉆頭。同時為了降低巖石的夾持作用，深度均為3.0m（掏槽眼和底眼的深度取3.2m）。

3.2.2 光面爆破不耦合系數（D）及裝藥直徑（d）

不耦合系數通過炮眼直徑與裝藥直徑之比計算得到。如公式（1）所示，在恰當的不耦合系數時，爆破后在炮眼壁上的作用力不大于圍巖抗壓強度。當巖石類型為軟巖時，不耦合系數在2.0～2.5 范圍內時，緩沖效果和光面爆破效果最好[9]。

式（1）中：D為不耦合系數；dk為炮眼直徑，cm；di為裝藥直徑，cm。

在施工時，不耦合系數取2.1，在2.0～2.5 的范圍內。

3.2.3 周邊眼間距（E）、最小抵抗線（V）和相對距系數（K）

最小抵抗線與巖性密切相關，也與開挖隧道段的尺寸及地質結構有關。硬質巖石的最小抵抗線可以更小，而軟破碎巖石的最小抵抗線可以更大。考慮隧道巖石為石英片巖，最小抵抗線（V）在0.40～0.60。

周邊眼間距與最小抵抗線的比值，如式（2）所示，是相對距系數，這是影響爆破效果的直接因素[10]。

式（2）中：E為周邊眼間距，cm；V為最小抵抗線，cm。

相對距系數值總是小于1，當d=38～46mm，周邊眼間距為30～50cm，最小抵抗線為40～60cm 時，相對距系數為0.5～0.8。

考慮到全爆破區巖石節理較為發育，周邊眼間距取值范圍為30～50cm，取45cm，最小抵抗線為60cm，相對距系數K=0.75。

3.2.4 裝藥量

光面爆破裝藥量的計算公式如式（3）所示[11]。

式（3）中：q為裝藥集中度，kg/m；Q為單位體積耗藥量，g/m3；E為周邊眼間距，m；V為最小抵抗線，m。

裝藥集中度取值范圍為0.07～0.15kg/m，取0.15kg/m 計算。

3.2.5 炮眼數量

式（4）中：N為炮眼數量；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；S為開挖段面積，m2；η為裝藥系數，暫取0.7；γ為每米藥卷的炸藥質量，kg/m，取0.91。

計算得到N=（1.47×106.26）/（0.7×0.91）=246個。其中，周邊眼、掏槽眼、輔助眼、輔助掏槽眼、底眼和非裝藥眼的數量分別為55、6、145、8、28 和4 個。

3.2.6 每一循環裝藥量計算及分配

式（5）中：q為單位炸藥消耗量，取1.47kg/m3；V為爆落巖石總體積，m3。

計算得到Q=1.47×2.8×106.26=437.4kg

各類型的炮眼裝藥量計算結果如下：

采用η=0.73 計算炮眼數量，周邊眼裝藥集中度0.15kg/m，裝藥系數為0.165。進而掏槽眼裝藥量取13 卷，輔助掏槽眼裝藥量取13.5 卷，周邊眼裝藥量取2 卷，輔助眼裝藥量取12 卷，底眼裝藥量取13 卷。

3.2.7 裝藥結構和起爆方式

光爆采用不耦合方式裝藥。軟巖的不耦合系數通常為2.0～2.5。在底部炮眼放置半標準藥筒，以便減小底部炮眼的阻力，使得光面爆破層易于分離。施工時，應采用圖1所示的裝藥結構。

圖1 周邊眼裝藥結構示意圖

3.2.8 光面爆破的分區起爆順序

起爆采用由內向外的多段微差起爆方法。在起爆過程中，主爆區的周邊眼和輔助眼使用同一段非電毫秒雷管，跳眼2 段。

3.2.9 裝藥量分布及光面爆破參數

隧道斷面面積為106.26m2，施工的開挖長度為2.8m。炸藥單耗量取值為1.47kg/m3。復式楔形掏槽槽口尺寸取值為80cm×240cm。周邊眼直徑取值為φ42mm，使用φ32mm 藥卷切半，裝藥不耦合系數取值為2.1。周邊眼間距取值為45cm，最小抵抗線取值為40～60cm 單孔裝藥量取值為0.45kg。

3.2.10 爆破器材

（1）炸藥

在通常情況下，用于隧道爆破的炸藥，一般選用威力大、安全性高、有毒氣體少的品種。施工中，通常采用巖石硝酸銨炸藥；在遇水段，采用乳化炸藥；在瓦斯段，則采用煤礦硝酸銨炸藥。隧道用的炸藥制成藥卷使用，標準藥卷規格為外徑φ32mm，裝藥凈重300g，長度240mm。

（2）雷管

配合非電導爆管起爆系統，選擇使用導爆管（又稱非電雷管），有既發和延期之分，由導爆管傳遞的爆轟波進行點火，由延期藥實現延期。該工程選擇1、3、5、7、9、11 段別雷管，引爆用電雷管。

3.2.11 起爆網絡

導爆管起爆網絡分為串聯、并聯、混合等多種連接方式。在隧道爆破中，由于隧道有開挖斷面小、炮眼數量多、密集等諸多特點，主要采用集群連接方式。

3.2.12 炮眼布置

根據該隧道圍巖情況及過往經驗，炮眼布置采用弧形布孔，炮眼布置如圖2所示。

圖2 炮眼布置圖

4 結語

針對我國在建隧道圍巖復雜、承載力不均、施工難度大的現狀，本文以某高速公路隧道工程為例，系統分析了工程的施工風險，梳理了爆破施工設計過程，論述了爆破施工設計中關鍵參數的計算依據、過程及其相互關系，提高了設計計算的準確度，保證了施工的進度和質量，為今后相關隧道施工爆破設計提供了指導和借鑒。