隧道掘進工程中的鉆爆參數優化方法

吳國民

（中交四航局第五工程有限公司,福建 福州 350005）

0 引言

隧道爆破專業性強，科學控制各項鉆爆參數能夠在保證鉆爆效果的同時減小不必要的圍巖松動范圍，保證隧道圍巖及支護結構的穩定性，為隧道工程其他環節的施工打下堅實的基礎[1]。鉆爆參數的優化是隧道鉆爆施工中的重點工作內容，需深入探討優化策略，依托科學的鉆爆參數安全地、有效地實施鉆爆作業[2]。

1 工程概況

228 國道蒼南龍沙至岱嶺段工程主線，全長約26.8 km，沿線橋隧建設內容包含中小橋746 m/15 座、大橋1 915 m/6座，隧道10 029 m/8 座。開挖屬于工程的重點施工內容，涉及爆破施工的開挖項目包含路塹開挖、隧道掘進開挖、樁板墻樁基開挖。一級公路60 km/h 標準的隧道總基本寬度10.5 m，一級公路80 km/h 標準的隧道總基本寬度11 m，行車道凈高均為5.0 m。

2 隧道掘進工程中鉆爆參數優化的重要性

根據工程施工計劃，隧道爆破開挖后安排初期支護和二次襯砌的施工，不同爆破方式對初噴混凝土和襯砌施工的影響存在差異，為保證爆破后各項工作的有效進行，必須科學爆破。爆破存在明顯超挖現象時，后期回填混凝土方量增加，材料浪費，且伴隨質量可控性差、成本攀升等問題；若爆破時欠挖，將侵占襯砌斷面，以風鎬處理的方式應對欠挖狀況時涉及的流程較為繁瑣，不利于工程進度的正常推進[3]。因此，加強爆破管理具有重要性，需深入優化爆破參數，保證不耦合系數、布孔數量、單孔裝藥量、楔形掏槽角度各項爆破參數均具有合理性，結合科學的施工方法，安全且有效地完成隧道爆破作業，為襯砌施工創造良好的條件。

在項目實施過程中，針對隧道的特殊環境和地質條件，爆破參數的選擇還需充分考慮周圍環境及材料的因素。為保證初期支護和二次襯砌的質量，施工現場需嚴格按照相關標準和要求進行施工。同時，根據項目需求進行必要的爆破參數調整和優化，以確保爆破作業的安全和高效。在爆破作業中，初期支護和二次襯砌的施工往往受到爆破效果的直接影響。初期支護的質量直接關系到隧道的穩定性和安全性，而二次襯砌則是隧道結構的關鍵組成部分。因此，在進行爆破作業時，要充分考慮爆破效果對這些施工環節的影響，并采取相應的措施加以控制。此外，為了確保工程項目的順利進行，還需要加強與爆破相關的質量監督和管理。在爆破施工過程中，要定期對現場進行巡查和檢查，發現問題及時進行整改。同時，加強對爆破作業人員的培訓和管理，增強其業務水平和安全意識，確保爆破作業的安全和穩定[4-5]。

3 隧道光面爆破的現場試驗

3.1 現場試驗的目的及項目

現場試驗旨在確定不同光面爆破工藝參數的應用效果，例如爆破后圍巖松動圈的范圍、圍巖的變形程度，結合安全、質量、效率多方面的要求對比分析各項參數，經可行性評估后，確定爆破效果最佳時對應的光爆工藝參數。

光面爆破試驗檢測的關鍵項目，如下：

（1）掌子面圍巖的等級，具體涉及主要結構面產狀與洞室軸向關系、巖石回彈強度、地下水及地應力狀況等。

（2）周邊眼、輔助眼的眼距。

（3）掌子面圍巖拱頂下沉和松動的具體狀況，檢測時間安排在隧道爆破出渣后。

3.2 試驗儀器的配套

根據試驗目標適配合適的試驗儀器：

（1）周邊眼和輔助眼的間距：用鋼卷尺量測。

（2）掌子面圍巖地質特性：聯合采用地質羅盤、地質錘、鋼卷尺。

（3）巖石回彈強度：用回彈儀測試。

（4）掌子面圍巖拱頂下沉量：用精密水準儀測量。

（5）圍巖松動圈：用圍巖松動測試儀檢測，確定裂隙范圍、圍巖松動程度，并根據測量結果進行圍巖定性評價。圍巖松動測試儀主要根據超聲波的傳播特性進行，若被測圍巖的裂隙較多，波速偏低（相對于深部完整無裂隙的巖體）。經過測試后確定在孔深方向上聲波縱波速度，基于測試數據生成“時間—孔深”曲線，結合圖中信息相對直觀地確定圍巖裂隙（松動）的范圍。

經過測試，確定鉆孔特定深度范圍內的聲波傳播時間，基于此項數據進行計算，確定縱波波速。方法如下：

式中，v——縱波波速；l——換能器間距，取140 mm；S——測試時間（s）。

向待測部位鉆孔，利用發射換能器向孔中發射超聲波并使其發生傳播，接收換能器收到超聲波時計時電路隨即暫停計時，確定聲波的傳播時間，進而根據此數據進行計算，確定縱波波速。為使收發兩個換能器可互換使用，利用開槽塑料管連接發射換能器F 和接收換能器J。測管按10 cm 的間距依次設置刻度槽，螺紋連接。根據耦合聲波傳播的測試要求，利用臺車高壓水管向孔中注水，根據鉆孔規格適配封孔器，實現對鉆孔尾端的封堵處理。

3.3 測試方法

按照如下流程進行圍巖松動圈測試：

（1）垂直巖壁鉆孔，深度3~3.5 m，清理孔內的雜物，使孔保持相對干凈的狀態。

（2）連接金屬管，向孔底送入探頭，于孔口位置布置封孔器，確認封孔嚴密后加以固定。

（3）持續注水直至測桿尾端有不間斷的流水為止（此時水達到注滿的狀態）。

（4）注水效果達到要求后，測試讀數，向外抽動金屬連接管，探頭由于抽動作用向外移動。抽動分多次有序進行，單次抽動量控制在10 cm，試驗檢測人員及時采集測試深度和主機儀表時間讀數，完整記錄數據。

（5）根據試驗數據進行圍巖裂隙松動范圍的判斷，生成圍巖松動圈測試結果。

3.4 鉆爆現場試驗結果

按照前述提及的方法測試圍巖縱波波速和孔深的數據，基于測試數據生成曲線關系圖。以ZK27+698 斷面為例，試驗結果如圖1 所示。

圖1 ZK27+698 斷面圍巖縱波波速孔深曲線圖

4 隧道掘進鉆爆施工參數的優化策略

4.1 參數優化控制指標

（1）根據《公路隧道設計規范》（JTGD70—2014）的要求，嚴格控制拱頂下沉量，以免由于此數值超過允許極限位移值而面臨圍巖失穩的風險。

（2）根據工程施工要求嚴格控制圍巖松動圈深度，在保證爆破有效性的同時縮小松動范圍，減少支護工程量和材料用量。

4.2 遺傳—支持向量回歸耦合算法

建立優化參數、巖石單軸抗壓強度、圍巖級別、埋深、拱頂下沉、周邊眼裝藥集中度與爆破松動圈深度的非線性映射模型，其中優化參數涉及周邊眼和輔助眼的間距、最小抵抗線。在構建模型后，為抗爆參數的優化提供參考。

4.3 鉆爆參數控制優化

光面爆破效果受多項因素的影響，其中以炮眼間距尤為關鍵，不同炮眼間距帶來的光面爆破效果存在差異。炮眼間距過大，易引起欠挖現象，不利于隧道工程后續施工活動的進行；炮眼間距過小，爆破產生的振動作用過于強烈，圍巖的穩定性遭到威脅，松動區的范圍隨之擴大，伴隨明顯的圍巖變形。因此，針對周邊眼和輔助眼兩者的炮眼間距進行優化極具必要性，具體做如下分析。

4.3.1 控制指標及其取值區間

以隧洞右洞斷面YK25+479 為例，展開分析：

巖性為弱風化泥巖與砂巖互組；圍巖級別為4，巖石單軸抗壓強度35.5 MPa。根據《公路隧道設計規范》（JTGD70—2014）的相關要求，明確允許洞周圍巖變形量，此處考慮的是拱頂下沉和水平收斂兩方面，均為18~60 mm。在確定斷面洞周圍巖變形量的控制區間后，進一步選取合適的值，為保證隧道施工的安全性，要求斷面拱頂下沉量不超過18 mm。不同種類巖石的斷面爆破參數的取值，參見表1。

表1 光面爆破參數

4.3.2 鉆爆參數的優化

經過前述的分析，針對光面爆破控制指標加以優化，確保爆破后圍巖拱頂下沉和松動圈深度均得到有效控制。指標的控制分兩種情況考慮，具體如下：

第1 種情況：

周邊眼裝藥集中度為0.25，裝藥不耦合系數為1.6，爆破后拱頂下沉15 mm；松動圈深度分拱腳和拱腰兩部分考慮，其中左、右拱腳處分別為1.5 mm、1.6 m，左、右拱腰處均為1.3 m。結合權重系數進行分析，確定綜合松動圈深度為1.4 m，進一步考慮表1 給出的數據，確定周邊眼的最小抵抗線、間距的優化搜索范圍，分別為[60，75]、[45,60]，輔助眼間距的優化搜索范圍為[60,90]；匯總經過分析確定的控制指標值和斷面勘查信息，輸入至最優SVR 模型，搜索后確定最優鉆爆參數，參見表2。

表2 最優鉆爆參數

第2 種情況：

周邊眼裝藥集中度為0.25，裝藥不耦合系數為1.25，爆破后拱頂下沉10 mm；松動圈深度分拱腳和拱腰兩部分考慮，其中左、右拱腳處分別為1.0 m、1.1 m，左、右拱腰處分別為1.1 m、1.0 m。結合權重系數進行分析，確定綜合松動圈深度為1.05 m，搜索后確定最優鉆爆參數，參見表3。

表3 最優鉆爆參數

對松動圈深度進行調整，其中左、右拱腳處分別為1.3 m、1.4 m，左、右拱腰處分別為1.2 m、1.3 m，綜合松動圈深度調整為1.29 m，除此之外的其他指標均不變。基于前述調整后的參數進行搜索，確定最優鉆爆參數，參見表4。

表4 最優鉆爆參數

在該工程的YK25+479 斷面施工時，鉆爆參數的優化基于表2 的poly 核函數SVR 模型進行，施工人員按照優化后的參數規范操作，進行鉆爆施工。松動圈深度實測結果顯示，左、右拱腳處分別為1.5 m、1.55 m，左、右拱腰處分別為1.45 m、1.4 m，穩定后拱頂下沉量14.63 mm。通過與隧道施工技術要求作對比分析可知，按照經過調整后的鉆爆參數進行施工后取得良好的鉆爆效果，爆破量達到要求，全程安全可靠，采取的鉆爆參數具有可行性，鉆爆參數的優化方法科學合理。

4.3.3 鉆爆參數優化后的結果分析

結合表2 進行鉆爆參數優化后的效果分析，發現poly 核函數SVR 模型具有可行性，原因在于此模型能夠高精度地搜索到最優炮眼布置參數，從而提升鉆爆參數的可行性，若嚴格按照優化后的參數進行施工，將取得良好的施工效果。在第2 種控制指標條件下，該模型依然具備搜索最優炮眼布置參數的能力，可行性較高，而反觀RBF 核函數SVR 模型則能夠得知其存在明顯的誤差。經過對控制指標的優化后，能夠在一定程度上提升RBF 核函數SVR 模型的可行性，但相比于poly 核函數SVR 模型而言應用效果仍欠佳，缺乏足夠的可行性。根據對比分析結果不難得知，poly 核函數SVR 模型屬于最佳的模型，可將其用于鉆爆施工參數的優化。

5 結語

綜上所述，隧道在公路工程建設中占據較大的比重，隨著我國交通事業的發展，隧道的建設規模逐步擴大，在安全的前提下進行高質量的建設勢在必行。鉆爆法是隧道工程中應用較為廣泛的掘進方法，鉆爆安全性和鉆爆質量受到炮眼布置方式、裝藥結構、裝藥量等多項因素的影響，施工單位需要結合工程條件做好試驗與分析，根據安全、質量、效率多方面要求優化鉆爆參數，提升鉆爆方案的可行性。經過該文關于隧道工程實例的分析，探討了鉆爆參數優化方法，評價鉆爆參數優化后的應用效果。實踐表明，優化后的鉆爆參數科學可行，對隧道掘進施工有推動作用。