礦山法隧道光面爆破技術及超挖控制方法

高原

摘要：結合寧波至象山市域鐵路工程礦山法隧道施工，深入研究了光面爆破技術特點。在闡述了光面爆破技術參數和施工技術要點基礎上，分析光面爆破超挖問題原因及控制措施。工程實踐表明，在復雜地質條件下，隧道仰拱采用光面爆破技術，可滿足隧道開挖施工精度和施工安全要求，且施工成本顯著低于傳統爆破施工技術，具有良好的應用推廣價值。

關鍵詞：復雜地質；礦山法隧道；光面爆破技術；超挖控制

0? ?引言

隧道仰拱開挖時，采用鉆爆法開挖易出現超挖、欠挖等問題[1]，對隧道施工安全和工程質量造成較大影響。在隧道施工中應用光面爆破技術，可顯著提高隧道施工穩定性，降低隧道爆破對圍巖結構造成的擾動和破壞，但在復雜地質條件下，光面爆破施工質量受多方面因素影響，要求施工單位合理確定光面爆破參數，嚴格控制爆破超挖標準，降低光面爆破對隧道圍巖的影響[2]，提高隧道光面爆破施工效果，保障隧道工程順利施工。本文結合礦山法隧道工程項目，深入研究光面爆破技術應用技術要點，以期為隧道工程施工提供有益參考。

1? ?工程概況

寧波至象山市域（郊）鐵路工程SGXS03標段，起點為竺家莊隧道進口DK7+635.165，終點為張家嶺隧道洞身DK18+300.00處，里程范圍DK7+635.165～DK18+300.00。標段內線路全長10.665km，其中，區間橋梁長度1.739km，礦山法隧道長度8.926km，包括竺家莊隧道、龍王廟隧道、西舟嶺隧道、石神洞隧道、華山村隧道和張家嶺隧道共計6座隧道，橋梁占比16.31%，隧道占比83.69%。

選擇隧道仰拱爆破施工工藝時，專家組對傳統爆破開挖技術和光面開挖技術優缺點進行了對比。傳統爆破開挖技術采用連續炮孔裝藥，會造成其軸線方向裝藥位置爆炸產生的壓力，顯著大于炮孔周圍圍巖極限抗壓強度，易形成周圍巖石破碎圈，導致仰拱輪廓圓順度較差、超挖嚴重。相較于傳統爆破開挖技術，光面爆破技術開挖隧道仰拱施工工藝可有效控制爆破對圍巖結構的影響，實現隧道仰拱光面爆破效果。經專家組論證研究，該工程仰拱采用光面爆破技術。

2? ?工程施工難點問題

2.1? ?地質條件差

根據地勘資料可知，工程所在場地屬于低山丘陵區，地形起伏較大，地面標高2.84～172m，地勢較高處基巖裸露，巖性以凝灰巖為主，坡地分布坡洪積層，淺部覆蓋層較薄，以黏土混碎石為主，層面起伏較大，厚度較小。

隧道區間內巖土層自上而下為含黏性土角礫、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖、微風化凝灰巖，隧道巖土層主要穿越Ⅴ級圍巖，巖性破碎-極破碎，開挖時易掉塊坍塌，穩定性差，局部穿越淺埋、破碎帶段，地質條件復雜多變，為此防變形、防坍塌、防涌水、防突水是隧道施工難點問題。

針對該工程地質結構復雜、圍巖結構穩定性差的難點問題，施工單位在仰拱光面爆破施工中遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的原則爆破施工，以此降低光面爆破施工對圍巖結構擾動作用，充分發揮圍巖自穩性，確保隧道施工安全。

2.2? ?爆破施工安全管理難度大

該工程礦山法隧道洞口300m爆破安全范圍內存在民居等構建物，爆破施工產生的爆破力波、沖擊波、飛石等，可能對周圍構建物和道路通行產生安全影響。針對潛在安全風險，施工單位制定爆破安全管理方案如下：

對光面爆破編寫專項方案并對其進行方案論證，確保爆破施工安全。涉路洞口石方開挖采用液壓錘、靜態爆破等非爆工藝。涉路洞口以松動爆破、光面爆破為主，施工單位通過優化光面爆破參數，并加強試爆、震速監測，降低光面爆破對周圍環境的影響。在臨民居側設置安全檔護。

3? ?光面爆破技術應用

光面爆破會受到圍巖強度、圍巖節理、層理等地質因素影響，現場圍巖地質結構復雜，現場爆破施工需根據現場實際地質情況進行動態調整。根據該思路，施工單位在同一類圍巖結構中試爆取得試驗參數，將該試驗參數作為本循環技術參數依據和下一循環預設計與試爆破依據。

3.1? ?爆破參數預設計

3.1.1? ?爆破設計要求

光面爆破施工中，設計采用32mm×200mm乳化炸藥，每卷180g。雷管采用非電毫秒雷管。為確保炸藥和雷管運輸安全，本項目爆破材料均由項目部統一采購，并由公安機關指定民爆公司統一配送。

工程光面爆破技術要求如下：仰拱零欠挖、少超挖，平均線性超挖量≤12cm；仰拱周邊眼痕跡保存率，硬巖痕跡保存率≥80%，中硬巖痕跡保存率≥65%，并應在仰拱開挖輪廓面均勻分布；仰拱每循環開挖接茬錯臺≤15cm。

根據隧道巖土層巖土特性、圍巖完整程度、節理裂隙等地質條件，施工單位現場采集巖樣對其進行實驗，分析獲得巖石單軸飽和抗壓強度等參數確定預爆破參數，如表1所示。

3.1.2? ?炮眼數量和裝藥量計算

炮眼數量直接影響鑿巖工作量，根據開挖斷面、炮眼直徑、巖石性質和炸藥性能有關。考慮到炮眼數量必須裝入設計裝藥量，該工程按平均分配原則設計計算。

N=qS/r? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：N為炮眼數量，q為單位體積耗藥量，S為開挖斷面面積，r為每米炮眼裝藥量。

炮眼裝藥量直接影響光面爆破效果。裝藥量不足可能出現炸不開、炮眼利用率低和石碴過大等問題。裝藥量過大則可能造成圍巖破壞、崩壞支撐和機械設備、拋碴過散等問題，并可能增加隧道內有害氣體含量，威脅隧道內施工安全。考慮到該工程隧道仰拱采用光面爆破，周邊眼低猛度炸藥，掏槽眼采用相對較高猛度的炸藥，裝藥量可按下式計算。

Q=qV? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

V=Is? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Q為單爆破循環總藥量，q為爆破1m3巖石耗藥量，V為每循環進尺所需爆破巖石總體積。I為計劃循環進尺，s為爆破開挖面積。根據炮眼數量和裝藥量計算結果確定施工參數。

3.1.3? ?爆破網絡連接

光面爆破采用孔內毫秒導爆管雷管延期，孔外采用同段別爆管雷管簇網絡連接方法，使用導爆管雷管一次擊發起爆。該方法能夠有效控制和改善起爆質量、效果，確保隧道仰拱光面爆破現場施工安全。現場起爆時，掏槽孔最先起爆，輔助孔順序起爆，周邊孔同時起爆，底孔最后起爆。通過采用不同段別雷管孔內延期起爆，孔外同段雷管簇連一次性同時起爆[3]，達到精確控制起爆烈度、影響范圍的目的。

3.1.4? ?裝藥結構設計

周邊孔采用不耦合裝藥結構，掏槽孔、輔助孔和底板孔采用連續裝藥結構。鑒于隧道仰拱地質情況較為復雜，根據現場實際情況調整周邊孔裝藥量。對于局部圍巖穩較差的可在周邊孔基礎上增加輔助孔，并通過采用不裝藥、減少裝藥量等方法調整周邊孔爆破參數。

為提高爆破能量利用效率，工程中設計采用炮泥（砂：土：水=3：1：1）堵塞，堵塞裝藥時填塞密實，確保無空隙、間斷。根據炮孔位置和作用不同對堵塞長度進行差異控制，并確保裝藥結構堵塞長度≥40cm。

3.2? ?鉆孔施工

鉆孔前，為解決人工鉆鑿仰拱周邊孔時可能面臨的外插角過大、仰拱開挖錯臺和超挖嚴重等問題，施工單位通過配置鉆孔反力支座鉆孔方式，減小氣腿與地表夾角，從而達到降低周邊孔插角的目的。仰拱部分周邊孔鉆孔時，氣腿端部支承在開挖反力支座橫梁上提供反力，以確保氣腿與地表間夾角足夠小。通過采用鉆孔反力支座方式保障鉆孔角和鉆孔深度，能夠有效防止超挖問題。

3.3? ?爆破施工

爆破施工前，施工單位結合周圍環境情況，對隧道仰拱光面爆破安全性進行校核。距隧道洞口最近建筑為進口處民房，最小距離為100m。《爆破安全規程》（GB 6722-2014）要求，一般民用建筑物允許振動速度為2.0～2.5cm/s。

為確保民居建筑安全，本工程按一般民用建筑允許安全振速1.0cm/s計算最大允許段起爆裝藥量，并計算距民居距離與裝藥量關系。計算結果顯示，距民居50m最大裝藥量為10.9kg，100m最大裝藥量為87.0kg，150m最大裝藥量為293.5kg，200m最大裝藥量為695.7kg。根據安全裝藥量，施工單位對隧道仰拱光面爆破裝藥量、與民居距離進行對比驗算，確定工程設計最大爆破裝藥量符合安全振速的要求。

為確保現場爆破施工安全，施工單位加強現場測振。考慮到爆破飛石安全風險，施工單位借助Lundborg統計規律，計算隧道內光面爆破飛石距離為63～67m，隧道明洞個別飛濺物距離為21m。隧道內部爆破施工時人員撤離至300m外，可確保爆破施工安全。明洞爆破安全距離50m。

4? ?爆破超挖原因分析及超挖控制

隧道光面爆破施工過程中，施工單位發現局部斷面存在超挖問題。經專業測量人員測量對比分析，發現存在問題包括：爆破后局部圍巖巖面粗糙、不規則；隧道輪廓超挖超出控制標準，導致初支混凝土量增加。

結合現場仰拱巖性、節理發育和爆破施工參數，施工單位對隧道超挖原因進行分析并采取一定的控制措施，具體如下：周邊眼間距控制為45～50cm偏大，超挖部位周邊眼間距≥50cm，后續將其優化調整為40cm。優化周邊眼裝藥結構，適當減少孔底的裝藥量，增加中段裝藥量。外插角精度控制不到位，局部超挖外插角過大，加之隧道巖體節理和裂隙發育，隧道仰拱在爆破振動作用下發生振動，影響光面爆破效果。現場嚴格控制外插角為3～5°，降低外插角偏差對爆破效果的影響。經超挖原因分析和爆破參數調整后，超挖問題得到有效改善，如表2所示。

5? ?爆破效果分析

通過加強隧道光面爆破施工管理和優化控制，使得該工程隧道仰拱光面爆破施工效果良好。根據隧道施工過程中測量記錄，統計分析隧道仰拱爆破施工質量數據，均符合質量控制標準要求。仰拱圍巖面光滑、平整，炮眼痕跡保存率≥85%，優化調整后超挖問題顯著改善，滿足工程設計質量標準，表明該工程光面爆破效果良好。光面爆破施工質量標準如表3所示。

6? ?結束語

在復雜地質隧道工程中應用光面爆破技術，通過調整炮眼間距、裝藥量、裝藥結構等參數，可降低爆破施工對仰拱圍巖穩定性的影響。工程施工完成后，經對比同類工程采用傳統爆破技術開挖成本，隧道仰拱采用光面爆破施工技術可降低成本約35.14%，具有良好的經濟效益。

參考文獻

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