隧道隧底開挖控制爆破施工技術

康大偉 KANG Da-wei

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，交通基礎建設也越來越彰顯出其重要的作用，而隧道工程往往會因為其規模之大成為全線工期的制約因素，隧道每道工序的施工時間的累加都將會影響到隧道的整體工期。目前，我國絕大多數隧道仍在采用礦山法施工，該施工方法在面對圍巖較硬的段落，爆破技術措施應用不當就會產生超欠挖，不僅影響隧道施工的時間、成本，更有可能會影響到隧道施工的安全。[1-3]

在隧道拱部圍巖爆破施工中，已較為成熟地應用了光面爆破、水壓爆破、預裂爆破等控制爆破技術，均可以取得較為理想的爆破效果。相較于隧道拱部圍巖爆破施工控制，隧道仰拱、底板及中心水溝開挖始終處于粗放型施工狀態，超欠挖情況始終沒有得到有效解決。究其原因，一是隧底部位不如拱部，為了達到快速通行的目的，很快就會被混凝土澆筑覆蓋，暴露在外的時間短，不容易造成視覺沖擊效果，一直沒有得到參建各方的重視；二是隧底單次開挖、澆筑混凝土方量相對較小，容易被忽略，未能讓參建各方將超方累積效益與成本控制掛鉤起來；三是參建各方未能充分認識到超挖對于結構受力的損害，特別地是無仰拱段落，兩側拱腳超挖對于二襯整體受力的破壞。

本文依托大脊山隧道，進行了隧道仰拱、底板及中心水溝爆破技術的探索與提升[4]，總結得出了不同圍巖的爆破施工參數，較好地解決了超欠挖問題，提高了隧道施工進度，為隧底施工技術提供了新思路。

1 工程概況

大脊山隧道位于廣東省云浮市，為單洞雙線隧道，起訖里程為DK137+035～DK146+641，全長9606m，隧道最大埋深約648m，隧道進出口均與路基工程相連。隧道區為中山地貌，地表起伏較大，相對高差約800m。隧道進出口500m 范圍內有便道相通，隧道洞身段僅有小路，交通不便。隧道范圍內DK141+017.74253 至DK142+998.09582 位于R=9000m 的右偏曲線上；DK145+206.55866 至隧道出口位于R=9000m 的右偏曲線上；其余段落均位于直線上。隧道進口至137+350 段落縱坡為20‰（上坡），DK137+350～DK143+550 段落縱坡為15‰（上坡），DK143+550～出口段落縱坡為3.4‰（下坡），DK137+287.532 ～DK137+412.474 段、DK143+320.034～DK143+779.991 段需進行豎曲線修正。

2 施工工藝原理

對隧道全斷面實施縱向分次爆破、豎向分次爆破，并對仰拱、底板和中心水溝進行控制爆破，嚴控小尺寸（厚度）結構物爆破超欠挖。通過吊垂線的方法對炮眼的垂直度進行控制，在炮桿上間隔固定距離做膠帶標記進行藥卷間距控制，通過放樣標高及結合現場圍巖情況的精準計算，控制炮眼深度，保證爆破底面基本位于同一層面。通過專人專位的方法進行定向追蹤，對爆破較差的部位進行專項分析總結，進一步改進提高隧道仰拱及底板控制爆破技術。

3 施工關鍵技術[5-6]

3.1 施工準備

在施工仰拱及底板前，先施工隧道拱部開挖，即仰拱或底板落后于掌子面施工，掌子面與仰拱或底板實施分次開挖施工。

3.2 測量放樣

根據設計圖紙，將隧道斷面圖設計數據參數輸入全站儀，測量員按照技術員交底對仰拱或底板的控制點進行放樣，包括斷面里程和斷面標高，以及仰拱或底板的邊界控制點，并噴紅噴漆進行標記，作為鉆孔施工控制依據。

3.3 確定炮眼鉆孔參數

根據現場圍巖的實際情況和每循環爆破效果，確定合理的炮眼間距，特別地，在節理裂隙發育的位置，也要對炮眼位置進行合理調整，以保證爆破效果。

以大脊山隧道II 級圍巖為例，1～7 號、9～15 號底板眼開挖標高為內軌頂面下91.5cm，8 號底板眼開挖標高為內軌頂面下120cm，8 號底板眼加深是為中心水溝開挖提供空間。中心水溝底標高為內軌頂面下166.5cm，水溝爆破深度75cm，8 號底板眼加深后，剩余爆破深度僅為46.5cm，否則一次性鉆孔過深，則易造成超欠挖嚴重。根據圍巖硬度、底板爆破超欠情況和平順度，綜合確定2～14 號底板眼間距100cm，為減少超挖，兩側的1 號和15 號底板眼可向隧道凈空內側優化50cm 距離，即陰影部分（內軌頂面下25cm 為陰影部分頂端）可優化開挖。底板炮眼布置示意圖見圖1。

圖1 底板炮眼布置示意圖

中心水溝必須單獨爆破開挖，落后底板一個臺車長度距離，嚴禁與底板一次性爆破開挖。中心水溝寬1m，深1.15m，按同一里程斷面設置2 個炮眼，根據爆破超欠挖情況，橫向間距確定為50～60cm，縱向間距為50～80cm。中心水溝開挖點角度最大程度與地面垂直，夾角約80°～90°，保證施工時不卡鉆，保證功效。中心水溝鉆孔施工班組應為專人實施，不得頻繁更換作業人員。

以大脊山隧道III 級圍巖為例，掌子面爆破后仰拱寬度為12.52m，根據經驗炮眼間距采用1×1m 梅花型布置，由于仰拱斷面為弧形，故炮眼垂直打設長度從23cm 到148cm 不等，并根據放樣標高進行重新計算，保證炮眼貼合仰拱弧度。底板炮眼布置示意圖見圖2。

圖2 仰拱炮眼布置示意圖

3.4 鉆孔施工

根據測量放樣的數據確定仰拱或底板和中心水溝的爆破深度。使用紅噴漆，根據測量放樣的數據在隧道仰拱或底板和中心水溝進行炮眼鉆孔起鉆位置的標記。根據圍巖的表面平整情況調整各炮眼鉆孔深度，以保證炮眼底部處于同一層面上。起鉆時向內側收一個鉆頭位大小位置開鉆，減小外插角，邊角處外插角造成的錯臺要小于10cm。炮眼底部距離設計底部預留一定厚度的保護層，防止拱部爆破時形成爆破松動區風動鑿巖機鉆孔作業采用吊垂線的方法進行控制，在鉆孔過程中不斷調整鉆孔角度，以達到最佳爆破效果。直線段上，先鉆標準炮眼孔，插入炮桿作為參照，使后續炮眼組鉆桿方向同炮桿平行，以此可快捷精確控制鉆孔角度。

以大脊山隧道II 級圍巖為例，底板厚度為40cm，中心水溝深度為115cm，起鉆位置大約在內軌頂面以下51.5cm，起鉆位置到底板底標高約40 公分（底板爆破厚度），中心水溝分兩次爆破，第一次隨底板一起爆破，爆破深度約為68.5cm，第二次完成最終爆破，爆破厚度為46.5cm。炮眼鉆孔施工見圖3。

圖3 炮眼鉆孔施工

3.5 裝藥施工

裝藥前用高壓風清孔，吹凈孔內積水及碴粒。炮眼的裝藥量要根據炮眼的間距、位置、深度來確定，同時也可以依據上循環爆破情況以及本循環圍巖情況對裝藥量進行調整，以達到最佳爆破效果。炮眼使用間隔裝藥形式，相鄰炮眼內梅花形布設藥卷。裝藥前應逐一仔細核對雷管的段位，按照設計的爆破圖進行對應裝藥。隧底裝藥無需高空作業，難度小。裝藥時，應按照設計的裝藥結構進行實施，特別是間隔裝藥必須嚴格實施，切勿因實施相對繁瑣而簡化為直接將藥卷裝入眼底，勢必會加深爆松區，造成超挖。炮眼的封堵應采用炮泥予以實施，通過炮泥機現場加工炮泥，加工完成后，包裹塑料薄膜防止泡泥失水硬化。炮泥封堵應嚴密，以發揮炸藥的最大作用。裝藥結構示意圖見圖4。

圖4 裝藥結構示意圖

炸藥均為乳化炸藥，分段式安裝，采用電子雷管進行引爆。炸藥采用炮桿進行裝藥，炮桿上按照一定間隔用紅色膠帶做標記，便于間隔裝藥控制藥卷間距，該標記可顯著提高裝藥施工效率。帶標記的炮桿見圖5。

圖5 帶標記的炮桿

裝藥量根據每循環的爆破效果和圍巖等級進行變化，做到“巖變我變”，用適量的炸藥發揮最大的效益。以大脊山隧道IV 級圍巖為例，仰拱由于圍巖較差，裝藥間距調整為50cm，裝藥量為半根150g 乳化炸藥，左右兩側兩組炮眼，裝藥間距為35cm，裝藥量為100g。滿裝炮泥，保證爆轟波直接傳遞到巖石。

3.6 爆破

對裝藥檢查無誤，開始進行爆破網路連接。面積較大或縱向長度較長，可分區、分段進行網路連接，然后再將各部分網路連接起來。

爆破網路檢查連接無誤后，再次確認爆破影響范圍內的人員、機械設備已經撤離，發出起爆警示信號后，進行起爆作業。

3.7 出渣

爆破結束后，啟動設備進行通風排煙。底板爆破時采用大挖斗進行開挖出渣，在中心水溝處必須采用80cm 寬挖斗沿著爆破松動巖石或者隧道軸線方向進行開挖。

3.8 人工清底

挖機將大部分洞渣清理后，人工將中心水溝和底板，以及陰影部分三角區（內軌下25cm 處）進行清除，保證底板和中心水溝清潔，無細小渣石和已經松動圍巖。

3.9 效果檢查

在爆破和人工清底后，值班技術和質檢員分兩次進入掌子面，對鉆爆效果進行檢查。對單次開挖長度、爆渣拋擲距離、渣塊大小等進行記錄，作為不斷優化鉆爆設計的依據。[7]

4 施工注意事項

①技術交底和測量放樣要準確無誤，避免造成返工。

②炮眼間距和炮眼位置要符合現場圍巖情況。

③對于八字形炮眼，外插角過大或過小都將會產生超挖或欠挖，要對該部位進行重點盯控，并進行問題總結分析。

④鉆孔起鉆時，開挖班組長要負責檢查起鉆的外插角，特別是對于新手操作人員。

⑤挖機出渣時，保證照明，不得對爆破后的底板輪廓產生破壞，以免造成超挖。

⑥根據圍巖情況和施工經驗以及上循環的爆破效果，及時優化調整裝藥量。

⑦要引導作業工人熟練使用帶標記的炮桿進行分段裝藥，并控制裝藥間距。

⑧炮眼要用炮泥進行封堵，節理裂隙發育的部位，也要用炮泥進行封堵，以保證爆破效果。

5 結束語

廣湛鐵路大脊山隧道自2020年12月20 日正式開始下穿施工以來，采用該技術重點實施仰拱和底板圍巖開挖控制爆破施工，在仰拱和底板爆破施工期間，爆破效果明顯，底板爆破厚度由原來的40cm，減少為15cm（設計10cm），極大程度縮短了隧道施工時間，出渣量也隨之減少，縮短了出碴時間和噴錨時間，同時減少了混凝土消耗量，降低了施工成本，綜合效益顯著，大脊山隧道斜井和隧道小里程于2022年11月05 日順利貫通，比計劃工期提前65 天。