預裂光面綜合爆破在層理發育隧道中的應用

儲寧吉 馮進 畢文生 謝運東 黃林

（中化學交通建設集團有限公司，山東 濟南 250014）

1 工程概況

本文選取臨沂至滕州公路施工四標段崮山隧道開展試驗，通過與光面爆破效果對比，對超挖量、施工成本、安全、質量等進行了全面分析。

崮山隧道進口位于臨沂市費縣崮山東頭村以南約210m處，出口位于崮山西頭村以北約120m處。隧道左線起止樁號為ZA3K57+584～ZA3K58+491.5，長907.5m，進口設計標高158.57m，出口設計標高170.35m，最大埋深138m；右線起止樁號為k57+570～k58+496，長926m。隧道地質較復雜，巖體整體較破碎，結構面發育較好，結構面類型為節理、裂隙、層面，層間結合一般，為中、薄層狀結構，巖體穩定性一般，左洞拱頂圍巖較完整，右洞拱頂層理發育較破碎，層理發育較明顯，拱部無支護時可能產生坍塌、冒頂，爆破開挖后，找頂過程中拱頂出現較大超挖，拱頂右側局部出現“平頂”現象。集中降雨時，洞室可能出現點滴狀或淋雨狀出水。

2 爆破機理與預裂爆破原理

2.1 爆破機理

2.1.1 動力學理論

炸藥爆破時，強大的沖擊波沖擊和壓縮周圍的巖體，在巖體中激發成強烈的應力波。當應力波達到自由面時，從自由面反射而形成拉伸應力波，當拉伸應力波的強度超過巖體的極限抗壓強度時，則產生拉伸片裂破壞作用。

2.1.2 靜力學理論

炸藥爆破時，會產生大量高溫高壓的爆生氣體，當這種氣體膨脹時所產生的壓力作用在周圍的巖壁上，會引起巖石質點的徑向位移。由于作用力不等引起不同徑向的位移，導致在巖石中形成剪應力，當剪應力超過巖石的極限抗剪強度時，會引起巖石的破裂。當爆生氣體的推力大到一定程度時，則會引起巖石隆起、拋擲。

2.1.3 動力學與靜力學聯合作用理論

應力波拉伸破壞與爆生氣體的推力、尖劈共同作用，根據巖體的性質不同，作用程度不同。在整體性較好、致密堅韌的巖體中，因其波阻抗較高，應力波傳播性能好，巖石的破壞程度主要取決于應力波拉伸破壞作用；在圍巖較破碎、完整性較差的巖體中，因其波阻抗較低，存在不同介質，應力波傳播性能較差，巖石的破壞程度主要取決于爆生氣體的作用。

2.2 預裂爆破原理

預裂爆破先于其他炮眼起爆，預先形成貫通裂縫，裝藥方式為不耦合間隔裝藥，利用導爆索或多發雷管等方式，實現傳爆。待外圈輔助眼爆破時，爆生氣體及應力波到達貫通裂縫時，因介質發生變化，應力波穿過不同介質，會發生較大的衰減，作用于圍巖的應力將大大減弱，當應力波到達貫通裂縫時，因介質的改變，會發生反射作用，在相互疊加的作用下，破巖作用得到增強。一旦爆生氣體到達貫通裂縫，會沿已形成的裂縫尖劈，減小對圍巖的作用，且可以二次切割貫通裂縫。

3 工藝要點及難點

3.1 工藝要點

對測量人員開展技術交底，明確開挖輪廓線尺寸，確保輪廓線、孔位標注準確；嚴格對司鉆工進行技術交底，保證周邊眼外插角不大于2°；調整雷管段位，保證拱頂周邊眼先起爆，掏槽眼、輔助眼、側墻周邊眼、底板眼再依次起爆；確保拱頂周邊眼僅有孔口一個臨空面，爆破效果不受制于抵抗線；預先在拱頂形成有效貫通裂縫，減小輔助眼對圍巖的擾動；引導輔助眼破巖外的爆生能量，二次切割貫通裂縫，提高預裂效果。

3.2 工藝難點

拱頂周邊眼貫通裂縫能否有效形成是重中之重，會直接影響整體爆破效果及超欠挖；拱頂處周邊眼炸藥單耗較光面爆破較大，炮眼間距較光面爆破較小，在保證炮眼間不欠挖的條件下，控制孔底超挖為關鍵所在。

4 光面爆破實施效果

4.1 左洞光面爆破效果

左洞ZA3K57+842段設計為Ⅳ級加強襯砌類型，襯砌厚度40cm，初期支護I18工字鋼，噴射混凝土厚度24cm，設計預留變形量8cm。

圖1 左洞設計斷面圖

施工中根據現場圍巖情況及監控量測數據，預留5cm變形量，采取正臺階法開挖，實際開挖輪廓線如圖2所示。鉆孔前測量人員使用全站儀對掌子面開挖輪廓線實施放樣，紅油漆標注孔位，保證鉆孔精度。

圖2 左洞開挖輪廓線示意圖

周邊眼爆破參數為炮孔間距E=50 cm，最小抵抗線W=60cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數m=0.83，周邊眼采用MS-15非電毫秒導爆管雷管，孔內兩發雷管實現間隔裝藥，左洞周邊眼布置如圖3所示。

圖3 左洞周邊眼布置示意圖

左洞爆破開挖找頂后，掃描掌子面斷面，掌子面斷面圖如圖4所示。

圖4 ZA3K57+842掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析，該循環超挖控制較好，線性平均超挖10.8cm，每延米超挖2.22m3。最大超挖18.2cm，位于拱頂處，通過現場跟班作業分析后得出，主要原因為開挖臺架高度偏低，作業人員鉆孔作業困難，角度偏大導致。

分析現場掌子面實拍影像可知，拱頂處存在部分欠挖、掛口現象，雖有部分殘孔，但孔間有炮茬，存在不同程度的超欠挖。總體來說，超挖較可控，但輪廓線形有待提高。

4.2 右洞光面爆破效果

右洞k57+789段設計為Ⅳ級加強襯砌類型，襯砌厚度40cm，初期支護I18工字鋼，噴射混凝土厚度24cm，設計預留變形量8cm。設計類型、開挖輪廓線、炮眼布置與左洞一致。

右洞爆破開挖找頂后，掃描掌子面斷面，示意圖如圖5所示。

圖5 k57+815.3掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析得知，此循環超挖較大，最大超挖27.7cm，位于拱腰處，拱頂超挖較嚴重，存在多處20cm以上超挖，通過計算，線性平均超挖19cm，開挖斷面輪廓線弧長20.56m，每延米超挖3.91m3。經分析，拱頂圍巖層理較發育，爆破效果受地質條件影響較大，孔底爆破漏斗過大，因圍巖層理發育，爆生氣體無法完全有效作用于巖體，且受到應力波不規則拉伸破壞，致使拱頂整體超挖嚴重。

分析現場掌子面實拍影像得知，拱頂處全面超挖，尤其拱肩處超挖較大，現場分析為水平層理巖層，開挖后線形尚可，找頂后掉塊較嚴重，且圍巖平整度較差。經分析，內圈輔助眼、周邊眼對圍巖的擾動過大，致使找頂后超挖嚴重。

5 預裂光面綜合爆破實施效果

考慮左洞、右洞拱頂部分超挖較大，擬在拱頂處采用預裂爆破，側墻按原爆破設計采用光面爆破，為保證預裂區與光爆區之間能有效形成貫通裂縫，設計在預裂區與光爆區之間打設空眼，深度與周邊眼深度相同，起到導向作用。

5.1 左洞預裂光面綜合爆破效果

左洞選取ZA3K57+845、ZA3K57+849段，設計襯砌形式、開挖工法、實際開挖輪廓線同ZA3K57+842段，實際預留量取5cm。

周邊眼爆破參數為側墻周邊眼間距E=50cm，最小抵抗線W=60cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數m=0.83，周邊眼采用MS-15非電毫秒導爆管雷管，孔內兩發雷管實現間隔裝藥；拱頂周邊眼間距E=40cm，最小抵抗線W=50cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數m=0.8，拱頂周邊眼采用MS-1非電毫秒導爆管雷管，孔內兩發雷管實現間隔裝藥，周邊眼布置如圖6所示。

拱頂預裂區周邊眼線裝藥密度與其他周邊眼相同，但因炮眼間距減小，總體炸藥單耗提高。

圖6 預裂光面綜合爆破周邊眼布置

左洞開挖找頂后，掃描掌子面斷面，實際超欠挖如圖9所示。

圖7 ZA3K57+845掌子面斷面圖

分析掌子面斷面得知，此循環超挖較光面爆破略有增大，最大超挖25.2cm，位于拱頂處，線性平均超挖13.6cm，每延米超挖2.8m3。采用預裂爆破后，平均線性超挖和最大超挖均增大，經分析，左洞拱頂巖體較完整，周邊眼炮眼間距減小，炸藥單耗提高后，炮孔間爆破漏斗重疊，應力波作用加強，導致較大超挖。

圖8 ZA3K57+849掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析，此循環超挖控制較好，最大超挖29.1cm，位于拱肩處，線性平均超挖12.6cm，每延米超挖2.59m3。同ZA3K57+845斷面分析，均因炸藥單耗增大所致。

分析現場掌子面實拍影像得知，拱頂處存在較大超挖，尤其是最大超挖達到30cm，經過數據收集與現場分析，主要原因為單耗增大所致，其次為司鉆工打眼時外插角度過大所致。初步結論判斷，預裂爆破不適用于巖體較完整的隧道。

5.2 右洞預裂光面綜合爆破效果

右洞選取k57+794、k57+797段，設計襯砌形式、開挖工法、實際開挖輪廓線、炮眼布置、爆破參數等同左洞。

右洞開挖找頂后，對掌子面斷面進行掃描，實際超欠挖見下。

從掌子面斷面圖分析，此循環超挖較小，最大超挖11.3cm，位于左拱肩處，線性平均超挖7.6cm，每延米超挖1.56m3。

圖9 K57+794掌子面斷面圖

圖10 K57+797掌子面斷面圖

分析掌子面斷面圖可知，此循環超挖控制較好，最大超挖18.5cm，位于右拱肩處，線性平均超挖9cm，每延米超挖1.85m3。

分析現場掌子面實拍影像可知，右洞爆破開挖后，炮孔殘存率高，拱頂預裂區域達到100%，且超挖較小，較光面爆破超挖有所減小，但兩個循環最大超挖均出現在拱肩處，此處為預裂區與光爆區結合處，應適當增大預裂區與光爆區的周邊眼炮眼間距。初步結論判斷，預裂爆破適用于層理發育的隧道。

6 施工成本比較

每循環進尺3.2m，拱頂區域光面爆破打設18個周邊眼，預裂爆破打設22個周邊眼，炮眼增加4個，雷管增加8發，炸藥增加3kg。增減成本具體如表1所示。

表1 光面爆破與預裂光面綜合爆破成本比較

7 開挖效果分析

左洞采用預裂光面爆破后，平均線性超挖由10.6cm增大至13.6cm、12.6cm，超挖由2.22m3增大至2.8m3、2.59m3，平均每延米超挖增大0.495m3，超挖率增大22.3%；左洞最大超挖由18.2cm，增大至25.2cm、29.1cm，且隨機性較強，基本位于拱頂、拱肩處。

圖11 左洞爆破效果對比圖

右洞采用預裂光面爆破后，平均線性超挖由19cm減小至7.6cm、9cm，超挖由3.91m3減小至1.56m3、1.85m3，平均每延米超挖減少2.205m3，超挖率較小56.4%；右洞最大超挖由24.9cm，減小至11.3cm、18.5cm，且均位于拱肩光爆區與預裂區交界處。

圖12 右洞爆破效果對比圖

8 結束語

通過實踐表明，預裂光面綜合爆破技術可應用于層理發育隧道，但不適用于圍巖完整隧道。

從整體效果來看，預裂光面綜合爆破技術能有效減少拱頂處超挖，并可將線性超挖整體控制在10cm左右，最大超挖不超過20cm，爆破后掌子面圍巖輪廓較好，圓順平整，超挖率降低近60%，考慮因周邊眼外插角度造成不可避免的超挖因素，此爆破技術已從很大程度上減少了超挖。

從成本來看，采取預裂光面綜合爆破雖增加了炸藥、雷管成本，但大大節約了噴射混凝土，每延米降低成本900元。同時減少了混凝土的總耗量，也減少了回彈量，按定額規定回彈20%來計算，節約成本180元，總體每延米降低成本1080元。

從進度來看，降低了超挖量，減少了出渣的時間，縮短了噴漿的時間，整體循環工效得到提升。

從安全來看，拱頂爆破炮痕保存率近100%，巖面圓順，降低了拱頂掉塊和地應力的集中，提高了安全系數。

從質量來看，巖面圓順，可減少找頂時間，第一時間對圍巖進行初噴，保證了應力的重分布，提高了整體質量。