隧道微爆破開挖施工技術研究

張立爽，丁志剛，王會軍

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

隨著國民經濟的快速發展，中國的公路建設得到了空前的發展。高速公路的快速發展，極大地提高了中國公路網的整體水平，優化了交通運輸結構，對緩解交通運輸的瓶頸制約發揮了重要作用，有力地促進了中國經濟發展和社會進步。隧道則成為了現代化交通系中的重要一環，然而在實際施工過程中由于工程地質條件的復雜性和施工技術等原因，隧道爆破開挖過程中的超挖現象較為普遍，而超挖將造成襯砌質量缺陷，還將對危巖的穩定性及支護結構的受力產生影響，并且超挖回填將導致巨大的經濟損失，因此，如何避免隧道開挖過程中的超挖問題便是一個研究重點。

傳統的開挖方式雖然能夠較好地保證施工進度、開挖效率，但針對軟弱圍巖地區卻存在較大的弊端。以傳統的爆破方式進行隧道施工開挖將導致在隧道施工過程中出現超挖的現象，且超挖回填將導致巨大的經濟損失；振動強烈將導致洞身地表的水塘及周圍的居民住宅被損傷破壞，并存在一定的安全隱患[1]。而微爆破能夠很好地避免爆破地震效應，減小沖擊波所帶來的危害；既可以減小超挖現象也可以對隧道洞身地表的水塘和居民住宅起到保護的作用。因此，相比之下，微爆破方式更適用于軟弱圍巖地區的隧道開挖。

綜合考慮工程項目的經濟性和施工進度2 方面，在某些特殊條件下的隧道施工開挖過程中，合理使用銑挖法與微爆破開挖相結合的方式進行隧道開挖能夠較大程度地避免超挖問題的出現及經濟損失，減小隧道開挖過程中對圍巖的擾動，確保圍巖整體穩定性，提高開挖效率、縮短工期。因此，進行微爆破隧道施工開挖過程中的研究具有實際意義。

1 工程概況

巖灣隧道位于云陽縣江口鎮新里村1 組，隧道呈北東南西向布設，有機耕道通往隧道下游40 m 處。隧址區進口斜坡發育大地坪溝、出口斜坡下部有團灘河與路線相交，隧道洞身段地表分布有羅家灣水庫和星羅棋布的大大小小的水塘。隧址區為構造侵蝕、剝蝕地貌，隧道走向220°。隧道橫穿山體呈北東南西向展布，軸線地面高程為275～425 m。隧道東北側斜坡地形較緩，脊嶺寬緩，丘峰呈圓狀，東側160 m 處為羅家灣水庫、西側450 m 處有新里水庫，均位于隧道之上。區內主要河流團灘河在隧道出口下部自北向南徑流，谷底寬約52 m，兩岸谷坡較緩，地形坡度達20°～30°。該溝谷兩岸坡面凹凸起伏，支溝發育，兩岸坡面多分布旱地，局部出現陡坎，溝底分布有水田。其余區段地形以斜坡地貌為主，緩-斜坡段為旱地區，隧址區未見斷層通過，發育一小型褶皺，隧址區起點—K85+300 段巖層產狀大致北傾，K85+320 段附近為背斜核部，褶皺軸與隧道大角度相交，K85+360—終點為單斜構造，巖層產狀大致南傾，傾角為13°～21°。

根據鉆探揭露，該褶皺處于侏羅系中統新田溝組內，褶皺附近產狀雜亂、變化快，構造節理裂隙極其發育，層間結合差，巖性主要粉砂質泥巖夾砂巖，整體破碎，粉砂質泥巖主要呈碎塊狀、角礫狀，砂巖多呈碎塊狀、短柱狀，偶見長柱狀，節長為15～40 cm。砂巖屬較硬巖，強度相對較高，抗風化能力較強，多呈中-厚層狀結構，風化層較薄，強風化帶厚度一般為2～3 m，巖體較完整，工程地質性質較好。

2 微爆破開挖特征分析

考慮到巖石開挖的不同機械挖掘工具，鉆孔和爆破被認為是廉價的，同時也是最可接受的并兼容任何地質開挖條件。兩者都能進行隧道的開挖，但各自的施工適用條件、開挖速度、工程成本都有所不同。合理使用銑挖法與微爆破開挖相結合的方式，可以明顯提高施工效率，降低施工成本。

根據現場巖體的強度特性、節理形式的特點和爆破質量要求，采用控制爆破技術，即預裂爆破和光面爆破，也稱為微爆破，以達到不破壞圍巖的目的。為了將破壞或超破壞的程度降到最低，在選擇炸藥參數和實施任何合適的爆炸模式之前，應考慮開挖過程中的地應力和應力的重新分布。由于巖體結構本質上不是塊狀的，開挖引起的巖體損傷可能是準靜態的，即由于開挖過程中應力的重新分布導致裂紋增長速度緩慢；或者是動態的，即由于地震事件產生的應力波或氣體能量穿透巖石節理導致裂紋高速傳播。

爆破損傷的特征和程度取決于巖石強度特性、節理特征、開挖區域和實施的爆破設計。爆破損傷的可接受程度取決于位移巖體的特征要求和周圍巖石結構的重要性[2]。根據爆破形式和地層條件，實施適當的開挖順序和足夠的支護系統容量，可以減少開挖過程中應力或應力重分布對巖石節理的影響，最大限度地減少破壞或超破壞的程度。一般在爆破后會立即發生因爆破沖擊引起的巖體破壞或超破壞。為了量化周圍巖體質量的惡化程度，應采用無損檢測方法對爆破形式進行合理評估，并設計必要的支護系統。

巖石損傷的最小化取決于對斷裂力學和裂紋傳播的可接受理論的理解，即沖擊波誘導的切向壓力和激波在自由面上的反射，由于高溫和高壓氣體進入狹窄的徑向裂紋尖端，在裂紋尖端產生楔形作用。對井壁的高速沖擊始于炸藥的爆轟和沖擊波對圍巖的傳遞。沖擊波的損傷一般發生在觀察到不可逆能量耗散的區域，即巖石介質表現為塑性而不是彈性的區域。因此，另一個主要參數即氣體驅動應負責破壞破碎區以外的周邊巖石結構。與應力波引起的裂縫相比，氣體能量將裂縫擴展到10～100 倍的量級。因此，由眾多節理或層理面或中間軟弱地層或軟弱充填材料組成的巖層加重了緊鄰圍巖不可接受的破壞特性。

同樣，炸藥爆轟的不良數量也可能導致不可接受的損壞或不穩定的和周邊巖墻能源消耗。超過或低于要求的炸藥在引爆時，會增加加速度或反推力的大小，從而惡化位于甚至很遠的節理之間的填充材料的粘結力，并立即或隨著時間的推移導致大規模巖體破壞[3]。因此，結構穩定性不僅取決于巖石的強度特性，還取決于在開挖過程中形成的開挖應力影響區內的結構特征。在實施任何周界控制爆破設計之前，應適當研究巖石節理的特征、主應力的大小及炸藥爆炸或產生空隙對節理或弱面的影響。影響外圍巖壁損傷大小的可控參數是爆破設計參數，即爆破幾何和炸藥性質。由于反射波和折射波同時包含不同強度和性質的壓力波、橫波，因此光面爆破的效果取決于合理的爆破設計、起爆順序和線形裝藥質量濃度的優化爐料變化對爆破性能的影響。

3 微爆破施工措施

爆破開挖雖然不貴，但當建筑物如土木或巖石的安全受到威脅時，有時會變得昂貴。在進行爆破時，如果實施不當不僅會造成破壞或超破壞，造成嚴重的經濟損失，還有可能影響施工人員的生命安全。如果沒有控制好爆破的威力，甚至會導致整個隧道工程坍塌[4]。對于每個孔裝藥相同、料距不同的巖體，從爆破破片投擲量、渣土剖面、振動幅度、空氣爆破、巖體破碎和松動等方面對能耗進行了比較評估，同樣的裝藥每孔，裝藥量與爆破破巖塊的比動量和前料的松動度成反比，與振動的大小成正比。同樣，對于不同的料距，相同的考慮時間，裂紋的特征擴展隨裝藥質量濃度的增加而增加，裂隙密度隨著裝藥質量濃度的增加而增加，因此，對于一個有效的光滑爆破形式，線性裝藥質量濃度對于限制裂紋的產生非常重要。不同節理面特征下的圍巖特征，在弱平面上，應合理地進行炸藥量優化，并在炮眼內適當位置植入炸藥，以實現有效的光面壁爆破。

3.1 支護體系

有時支護體系實施的不充分和爆破的影響，會使距周邊較遠的節理或層理面之間的充填材料質量惡化。巖體節理質量的劣化，表現為巖體節理間充填材料粘結力減弱，隨著時間的推移，可增加地層荷載，引起巖體的坍塌或破壞。因此，對于土木建筑工程，損傷可定義為開挖誘發應力影響區內巖體完整性或質量的惡化。根據爆破形式和地層條件，采用適當的開挖順序和選擇足夠的支護系統容量，可以減少開挖過程中應力或應力重分布對巖石節理的影響，最大限度地減少破壞或超破壞的程度[5]。一般在爆破后立即發生因爆破沖擊引起的巖體破壞或超破和巖體完整性退化。為了量化周圍巖體質量的惡化程度，應采用無損檢測方法對爆破形式進行合理評估，并設計必要的支護系統。

3.2 配料的影響

在巖石力學中，與試樣形狀相比，試樣的尺寸對實驗室尺度下巖石試樣的強度特性有顯著的影響。同樣，與深度和鉆孔直徑相比，外圍和緩沖排的巖石配料在光面爆破中起著重要作用。應利用受裝藥直徑和材料、低直徑炸藥和較小材料影響的波動特征和加速度大小來控制對周邊巖壁的破壞。此外，由于裂紋尖端的傳播速度在介質瑞利波速的32%～38%之間，因此應優化邊緣孔的材料，使損傷控制在可接受的范圍內。

根據巖石的強度特性，緩沖排的配料不應超過臺階高度的0.2 倍[6]。然而，根據鉆孔直徑、偏移特性和工作臺高度的不同，緩沖排的配料最多可以限制在工作臺高度的0.4 倍。同樣，外圍行負荷不應大于緩沖行負荷的0.6 倍。一般來說，緩沖排（倒數第2 行）的負荷應小于最佳值，而外圍行則應小于緩沖排的3/4 負荷。增加緩沖區和外圍行之間的延遲時間可以在外圍行啟動前最小化實際負擔。爆破過程中減少的巖石負擔最小化了人工創建的自由面（前一排創建的自由面）應力波能量反射的持續時間，從而減少了對井壁的影響[7]。為達到合理的炮眼底部剪切效果，炮眼底部放置炸藥的孔壓應超過巖石的動抗剪強度，為盡量減小剛度和減少氣體能量沖擊持續時間，炮眼底部放置的炸藥應小于最佳裝藥量，周邊孔深度應小于緩沖排深度。

3.3 孔徑、炮孔深度和料層

由于炸藥爆轟所產生的應力大小具有動態性質，巖體的動強度特性為靜強度的10～25 倍，因此炸藥爆轟所產生的爆轟壓力應超過巖石的動強度特性，才能達到適當的破壞。此外，由于巖樣的形狀會影響巖石的強度特性，因此要進行有效的光面爆破，必須合理地優化孔徑、炮孔深度和料層。

為了獲得一個完好光滑的巖壁，必須了解巖石對炸藥爆炸產生的能量的響應。為使外圍巖壁的崩解程度降到最低，巖壁應單獨爆破一次。外圍排鉆孔深度應小于緩沖排和生產排，鉆孔深度差以料巖距離和破壞特征角為指導。為了實現無損傷的光面墻爆破，必須慎重研究巖體節理形式和巖土性質。爆破方式和起爆順序的布置應避免節理面受力破壞巖體強度特性，使2 個節理面之間充填材料的粘結力松動。為了減小充填材料內部2 個節理面之間發育的應力波（折射或反射）的量級，節理面上應力的入射角應小于10°或超過60°，為避免相鄰排和相鄰排的電荷以振動幅度放大的形式相互配合，避免多余的氣體能量迅速釋放，應采用長延時起爆系統。為進一步減小后墻的反推力，緩沖器與周邊排孔之間應采用跳長延時。

4 結束語

隨著大量的隧道工程開挖施工，需要采用不同的開挖方式來適應不同的工程要求。傳統的開挖方式雖然能夠較好地保證施工進度、開挖效率高，但針對軟弱圍巖地區卻存在較大的弊端。以傳統的爆破方式進行隧道施工開挖將導致在隧道施工過程中出現超挖的情況，超挖回填將導致巨大的經濟損失。本文依托巖灣隧道工程，對控制爆破技術，即預裂爆破和光面爆破進行了一定的分析，對比傳統的爆破手段，它可以將破壞或超破壞的程度降到最低，并結合工程實例從支護體系、配料的影響和孔徑、炮孔深度及料層等方面提出工程具體措施，為類似的隧道微爆破提供一定的參考。