中風化泥質砂巖隧道“緩沖爆破+機械擴挖”施工技術分析

李元剛

（中鐵建城建交通發展有限公司，江蘇 蘇州 215151）

0 引言

近年來，我國西部地區交通基礎建設發展迅速。由于西部地區山川起伏、地形地勢條件復雜多變，交通基礎建設涉及大量隧道工程需要修建。建設中，各種復雜地質情況層出不窮，其中比較有代表性的一種就是中風化泥質砂巖地層，其結構松散，穩定性差，遇水軟化，在施工中易發生坍塌、流沙現象[1-2]。針對此類圍巖情況，合理的隧道施工技術不僅能提高工效、降低成本，更能確保施工期間的安全性，提高施工質量，減少運營期間安全隱患，因此對此類隧道開展開挖施工技術的研究十分必要。杜瑞鋒等[3]通過室內試驗研究了泥質砂巖動彈模阻尼及能量耗散特性，為研究爆破擾動作用下的泥質砂巖巖土性質提供了基礎。薛光[5]認為在泥質砂巖隧道換拱作業時，宜采取微型爆破，必要時輔以破碎錘。曹宗軍[4]依托重慶江習高速公路四面山特長隧道，介紹了水壓爆破技術在泥質砂巖隧道中的應用，實踐中也達到了降塵、節約炸藥的效果。在隴漳高速公路十里鋪隧道開挖工程中，針對中風化泥質砂巖隧道應用了“緩沖爆破+機械擴挖”施工技術，本文對該施工詩句的實踐經驗和施工效益進行總結分析，以期為相關工程提供參考。

1 工程概況

十里鋪隧道進口位于隴西縣菜子鎮南十里鋪村附近，出口位于鞏昌鎮西十里鋪村附近，隧道右線長1920m，左線長1905m，為左右行分離式的雙洞長隧道。洞身最小埋深25m，最大埋深210m，全隧圍巖級別為V級。

隧道洞口段覆蓋層為沖積黃土，洞身段圍巖以中風化泥質砂巖為主，棕紅色，礫狀結構，層狀構造，原巖結構部分破壞，巖體風化劇烈，巖質軟，可掰碎，遇水易軟化、崩解，巖體結構松散，巖層單軸極限抗壓強度2.1～11.9MPa，圍巖自穩能力一般，側壁相對較穩定，上覆風積黃土。地下水主要分布于隧址區基巖節理、裂隙及巖層層面裂隙中，開挖時，以面狀滴水為主，局部出現線流現象。

2 “緩沖爆破+機械擴挖”作業區域劃分

中風化泥質砂巖隧道圍巖強度較低，自穩能力一般，遇水易軟化。若采用常規爆破方式作業，極易對掌子面及開挖輪廓線外巖體造成劇烈擾動，使其強度大幅降低、穩定性產生極大破壞，此外隧道洞身穿越道路、溝道段，埋深較淺，施工中存在較大的安全隱患。緩沖爆破是減輕或避免爆破對開挖輪廓面以外巖體造成破壞的一種爆破方法，采取緩沖爆破方式，既能更好地保護開挖輪廓線外巖體的穩定性，又能有效控制該區段地表沉降，確保鄰近構筑物安全，并能保持開挖輪廓線平滑，隧道超欠挖控制在10cm以內。

針對十里鋪隧道泥質砂巖情況，將掌子面開挖方式分為爆破作業區與機械擴挖作業區（如圖1 所示），爆破作業采用緩沖爆破方式[6]以降低爆破震動效應，環向預留部分巖體采用機械擴挖。目的是充分發揮圍巖自身的承載力，力求開挖斷面規整圓順，嚴格控制超欠挖，避免應力集中。

圖1 掌子面開挖方式作業區域劃分

3 “緩沖爆破+機械擴挖”施工方案

3.1 緩沖爆破設計

為降低隧道開挖爆破對開挖輪廓線以外巖體的擾動，主要從降低爆源的爆破震動強度和干擾爆破地震波的傳播兩方面采取措施。具體為：確定合理的開挖進尺、降低炸藥單耗、降低單段最大裝藥量、微差爆破、干擾導向地震波的傳播路徑等。

3.1.1 開挖進尺

根據圍巖的特性及自穩能力來確定合理的開挖進尺，從而減弱爆破對開挖輪廓線以外巖體的擾動。隧道開挖進尺的增加意味著一次性起爆藥量的增多，爆破震動效應增強。但如果進尺過短，震動效應雖然減弱，卻會嚴重影響施工進度，延長工期。

3.1.2 降低炸藥單耗

為了達到降低炸藥單耗、減弱爆破震動效應的效果，掌子面爆破作業區域采取加強松動爆破方式，以形成可見的爆破漏斗并產生少量拋擲作用，炸藥單耗取值0.3～0.6kg/m3。以十里鋪隧道為例，隧道開挖進尺為2m，開挖方量為122m3，總裝藥量為50kg，綜合炸藥單耗為0.41kg/m3，其中掏槽眼與底眼爆破區域炸藥單耗為0.54kg/m3，其他爆破區域炸藥單耗為0.32kg/m3，如圖2所示。

圖2 炮孔布置及網絡連線示意圖（單位：cm）

3.1.3 微差爆破

采用微差爆破方式，由于微差爆破顯著地減小了一次性起爆藥量，原來同時起爆藥量在時間上得以分散，因此爆破地震能量在時間和空間上也得以分散，震動效應大大降低。同時前后兩級爆破產生的地震波還會相互干擾，削弱地震波強度，減輕地震波對開挖輪廓線外巖體穩定性的破壞。

3.1.4 復式掏槽，分級起爆

將大楔形掏槽結構改為復式小楔形掏槽[7]結構，降低單段一次性起爆裝藥量。如圖2 所示，將一次掏槽方式分為掏槽眼與二架掏槽眼，分兩級起爆，同時前一級掏槽爆破為后一級爆破提供臨空面，爆破振動強度降低，爆破效果提高。

3.1.5 緩沖爆破

開挖輪廓線區域采取緩沖爆破方式。開挖輪廓線打設緩沖孔，底板與邊墻夾角1m 范圍內裝藥，其余不裝藥。沿開挖邊界布置密集的周邊眼，使得地震波環向切割巖體，從而形成預裂縫，此時主爆區正常爆破的地震波在裂縫面上會產生較強的反射，大大減弱透過裂縫的地震波強度，從而減輕地震波對開挖輪廓線外巖體穩定性的破壞。

3.1.6 預留巖體

主要利用爆破壓縮應力波與爆生氣體使機械開挖作業區內的巖體產生裂隙，降低巖體強度與整體性，后期利用機械進行修邊。經現場多次試驗，確定十里鋪隧道裂隙區巖體預留層最佳厚度為70～90cm。

3.1.7 爆破參數

以十里鋪隧道上臺階進尺2m 為例，圍繞緩沖爆破理念展開爆破設計。炮孔布置及網絡連線如圖2 所示，爆破參數見表1。

表1 爆破參數表

3.2 機械修邊

3.2.1 挖機改裝

為提高工作效率，對挖機進行改裝，增加快速連接器（見圖3所示）和用于周邊機械開挖修邊的松土器（見圖4所示），可在10s內完成挖斗與松土器的轉換。

圖3 快速連接器

圖4 松土器

3.2.2 機械擴挖修邊

爆破一次出渣后，利用激光紅外線輔助控制，挖機與松土器對周邊進行機械擴挖與修邊。

4 工藝效果及施工效益分析

4.1 工藝效果

經調整后的開挖工藝，隧道超挖可控制在10cm 以內，開挖輪廓線圓順，且無爆破裂縫，避免了因超欠挖導致的應力集中。型鋼拱架架設后，去除4cm外保護層厚度，超挖值可控制在1～5cm。

4.2 施工效益分析

4.2.1 成本大幅降低

十里鋪隧道采用“緩沖爆破+機械擴挖”施工方案后，施工成本降低明顯，主要體現在：

（1）噴射混凝土超耗量大幅降低。

V級圍巖架設型鋼拱架施工，噴射混凝土超耗主要包含超挖損耗與回彈損耗兩方面因素，而噴射混凝土回彈率又隨著噴混凝土厚度增加而增大，所以控制超挖是解決噴混凝土超耗的主要措施。

目前V 級圍巖架設型鋼拱架施工噴射混凝土超耗率普遍在100%，而十里鋪隧道在采取上述工藝后噴混凝土超耗率最低可控制在38.7%，平均超耗率為48.2%。現對該隧道連續40m噴混凝土超耗情況進行統計，具體見表2所示。

表2 十里鋪隧道噴射混凝土超耗統計

十里鋪隧道全長3825m，噴射混凝土成本約850元/m3，每延米噴混凝土約6.85m3，全隧可減少因過度超挖造成的經濟損失約為11536410元，計算如下：

850×6.85×(100%-48.2%)×3825=11536410元。

（2）火工品耗材成本降低。

軟巖隧道常規爆破炸藥單耗普遍為0.8kg/m3，而采取上述工藝后炸藥單耗降低至0.41kg/m3。以隴漳高速公路十里鋪隧道為例，隧道全長3825m，炸藥單價約12000元/t，每延米開挖方量約105m3，每千米可節約炸藥成本約為2120580元，計算如下：

12000÷1000×105×(0.8-0.41)×3825=1879605元。

4.2.2 安全、質量、進度大幅提升

十里鋪隧道采用“緩沖爆破+機械擴挖”施工方案的后，施工效果明顯提高，主要體現在：

（1）爆破后機械開挖修邊時長約1h，常規爆破修邊約0.5h，單工序時長增加0.5h。但每循環減少了因過度超挖而導致的噴混凝土作業時長約1～1.5h，總體計算，工效增加。

（2）因型鋼拱架背后無過度超挖，因此能確保初期支護無空洞，質量得到保證。

（3）因周邊眼未進行裝藥，裂隙區巖體預留層厚根據圍巖變化而隨時調整，將爆破作用半徑與開挖輪廓距離大大增加；同時緩沖孔的打設，降低了施工爆破對開挖輪廓線外巖體的擾動，提高了開挖掘進的安全系數。

5 結束語

綜上所述，中風化泥質砂巖強度較低，無水狀態下，自穩能力一般，遇水急劇軟化。爆破施工時，必須減弱爆破震動效應對開挖輪廓線外巖體穩定性的破壞。隴漳高速公路十里鋪隧道開挖工程的實踐證明，采用“緩沖爆破+機械擴挖”開挖技術不僅從工效方面加快施工進度，而且在節約成本方面有顯著的經濟效益，能確保施工期間安全性，提高施工質量，減少運營期間安全隱患。該開挖技術對類似圍巖強度較低的隧道開挖有一定的借鑒意義。