美國巖石隧洞施工※

劉桂杰，朱天琴，常煥生

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130062）

1 概述

地下工程施工的基本內容：開挖，采用鉆爆法或機械方法；圍巖初期支護；圍巖最終支護。

過去，將“初期支護”和“最終支護”稱為“主要支護”和“次要支護”。這個習慣用法是不確切的，可能對最終的功能引起誤解，因為最終支護是起主要作用的，而初期支護經常按臨時支護考慮。當然，現在有很多例子，初期支護也具有永久支護的功能。

地下工程施工其他重要內容：現場和洞口的準備；測量；地下工程的通風；排水和水流控制；危害預防；控制環境影響。

設計者可能需要深入探索某些施工細節，諸如爆破影響、采用TBM的可行性或掘進進度。

2 隧洞鉆爆法開挖

雖然TBM在很多隧洞工程被采用，但大多數地下工程巖石開挖仍采用爆破技術。設計應指定或建議采用的開挖方法。

2.1 開挖循環

典型的爆破開挖循環由以下步驟來完成：鉆爆破孔和裝藥；引爆，隨后進行通風換氣；除渣；撬除頂拱和邊墻上的松動石塊；對圍巖進行初期支護；延伸軌道、通風管和其他設施。

2.2 全斷面和部分斷面掘進

大多數隧洞采用全斷面開挖掘進的方法，在一個循環內對隧洞的整個斷面進行鉆孔、爆破。爆破孔的深度通常小于洞子的尺寸，一個循環的爆破進尺略小于爆破孔的深度（對于較好的爆破效果，約為爆破孔深度的90%）。典型的循環進尺深度為2～4 m。部分斷面爆破有時更實用，或者可能是地質條件要求，或者是受設備的限制。最常用的部分斷面爆破法是正臺階掘進法，首先以全寬爆破隧洞的頂部，隨后爆破剩下的臺階。臺階可以用水平孔也可用類似采石爆破的垂直孔開挖。還有很多其他的部分斷面爆破型式，例如頂拱中心導洞領先，頂拱兩側導洞跟進，隨后留1～3個臺階。

選擇部分斷面爆破法而不選擇全斷面爆破法的理由：對于單個鉆車來說橫斷面太大，例如通常尺寸的地下廠房、閥門室、兩車道或三車道公路隧道一般采用部分斷面爆破法開挖；為了控制爆破振動，從裝藥量的角度限制了爆破尺寸；圍巖條件差，若全寬開挖可能沒有足夠長的自穩時間來施作初期支護。

2.3 爆破循環設計

單獨的爆破循環一般由承包商的爆破專家設計，該設計由工程師根據規范要求進行評審。關于爆破循環的詳細資料可以在有關著作中找到，有關爆破劑和爆破設計的資料也可以在炸藥生產廠家印制的手冊中找到。爆破孔一般采用液壓鉆機鉆孔，鉆孔的效率和速度已經得到大大改進，鉆頭的磨損和鉆孔精度由于鉆桿和鉆頭的新設計也得到了改進。小斷面隧洞的鉆孔通常采用單臂鉆，但鉆車經常安裝兩個或更多的鉆機。鉆車有軌道式、輪胎式或履帶式，兩支腿叉開的軌道式鉆車允許除渣設備穿過，以便到達或離開工作面。

有效的爆破設計要注意每一個爆破孔受限制的程度。如果一個爆破孔受到完全的限制，爆破僅能引起塑性變形。當在爆破孔附近有自由面時，爆炸波將造成朝向自由面的一些裂縫，使爆破孔與自由面之間的巖石破裂，并將碎塊拋出。爆破孔至自由面的距離即抵抗線一般取0.75～1.0倍孔間距。

在隧洞中，最初沒有平行于炮孔的自由面，此自由面必須通過爆破設計創造出來，并以下列方法之一來完成。

V形掏槽或扇形掏槽通常是在掌子面的中下部按一定的孔間夾角鉆一些孔，形成一個楔形體。這些孔爆破時首先將這個楔形體的巖石拋出，為隨后的爆破創造一個自由面。

直線掏槽是采用平行孔，最常見的是4個集中在一起的炮孔，其中只有兩個孔裝藥，有一個或兩個大直徑孔（直徑通常達到125 mm）不裝藥。剩下的孔被分布開，依次爆破，這樣每一次一個或幾個孔的爆破總是使巖石朝向自由面破裂。這些在掏槽之后引爆的孔稱為擴大孔，最后被引爆的孔是隧洞輪廓周圍的孔稱為周邊孔，在底板上的孔稱為拉底孔。

因為不可能緊靠開挖邊緣鉆孔，周邊孔鉆孔時通常是從設計邊線向外發散約100 mm。鉆孔設備的尺寸要求形成一個帶角度的錯臺，以達到要求的開挖線。連續的爆破進尺使隧洞墻面呈“z”字形，因此，超挖一般是不可避免的。

延時電雷管或非電雷管用于控制爆破順序和時間，限制任何一次爆破炸藥的總量，它們有各種類型。毫秒延時比較短，延時范圍25～500 ms；其他延時比較長。直到24 ms的延時是可用的。選擇延時必須使巖石碎塊在下一個爆破發生時已被拋出。毫秒延時常用于掏槽爆破，0.5 s延時用于擴大孔爆破。過去，爆破一般采用電力起爆，采用電雷管或起爆器。非電爆破起爆器和延時雷管現在通常是首選，因其不受雜散電流的影響。

爆破劑可用于特殊的目的，它們可以在單位長度炮孔的裝藥密度、藥卷直徑、爆破速度、煙霧特性、抗水性和其他性能上進行變化。對于干燥的巖石，經常采用便宜的銨油炸藥，周邊孔每米的裝藥量很小，要求采用特殊的爆破劑。典型的爆破孔其直徑為45～51 mm，藥卷直徑通常為40 mm，在適當的位置堵塞炮孔。而用于周邊孔的藥卷直徑通常為25 mm，并進行堵塞。

在爆破設計中常常要考慮兩個因素：炸藥單耗（爆破每立方米巖石需要的炸藥公斤數，kg/m3）和鉆孔率（爆破每立方米巖石需要的鉆孔總長度，m/m3）。它們是爆破的綜合經濟性指標，并很容易在不同的爆破方案之間進行比較。炸藥單耗隨巖石條件不同會有很大變化。當巖石受約束較強，隧洞比較小，或巖石比較硬，炸藥單耗就比較大，帶有空洞的巖石有時需要大的炸藥單耗。對于大多數典型的隧洞爆破，炸藥單耗在0.6～5 kg/m3之間變化，對于同樣的巖石類型，炸藥單耗可以從1 kg/m3（開挖斷面大于30 m2的隧洞）變化到超過3 kg/m3（開挖斷面小于10 m2的隧洞），典型的鉆孔率在0.8～6 m/m3之間變化。圖1顯示一個典型的爆破循環設計。這個斷面19.5 m2的隧洞的爆破循環用40個孔，炸藥單耗1.9 kg/m3，鉆孔率2.2 m/m3。典型的炸藥單耗和鉆孔要求見圖2、圖3。

2.4 控制爆破

理想的爆破對保留巖體的損害最小，而且超挖最小，這是通過控制爆破來實現的。由于很多理由，控制對巖石的損害和超挖是有利的。減少對巖石的損害意味著巖體更加穩定，需要的支護較少；由于需要撬除的巖石少，隧洞掘進更加安全；對于不襯砌隧洞，較少的超挖使過水表面比較平順；對于襯砌隧洞，較少的超挖意味著減少超填混凝土。

圖1 直線掏槽爆破循環爆破孔3.2 m，進尺3.0 m

圖2 典型的炸藥單耗

控制爆破包括周邊孔的間距較密，周邊孔裝藥少于其余炮孔。一個常用的規則是周邊孔的間距在硬巖約為孔徑的12～15倍，在較差的、破碎的巖石約為孔徑的6～8倍。由于控制爆破通常要求較多的爆破孔，需要用較長的時間和較多的鉆孔材料，承包商常常不情愿采用控制爆破。

但是控制爆破比傳統的巷道周邊爆破法要求更高。在周邊孔爆炸之前爆破損害可能發生。控制爆破要求仔細設計和選擇周邊幾何形狀、孔徑、裝藥量、孔間距、抵抗線和延時，并須認真操作。

控制爆破成功的關鍵之一是準確地鉆孔。炮孔與設計位置的偏差使孔距和抵抗線發生改變，導致爆破損害和巖面不規則。現代液壓鉆機鉆孔不僅快速而且精度比以前高，在同類的巖石中應用計算機控制的鉆車能夠達到更高的精度。

圖3 典型的鉆孔需要量

爆破后檢查巖面可以給出一個很好地提示鉆孔精度和控制爆破達到的效果。衡量控制爆破效果的標準是半孔率，即在爆破表面可見的爆破孔半孔與周邊孔總長度之比。依據巖石質量和層理、節理的傾向，50%～80%的半孔率通常是能夠達到的。由于不精確的鉆孔引起的表面不規則也是容易看見和測量的。外觀的規則性和適當性也應該檢驗。

檢驗爆破質量的其他方法包括評估巖壁后面被破壞的深度，這可以利用地震波反射技術和管道鏡或對鉆孔取芯進行滲透性檢測來完成。被爆破擾動范圍的深度，對于良好的控制爆破只有0.1～0.2 m，而對于非控制爆破則達到2 m以上。

2.5 爆破振動

爆破引起的振動以位移或應力波通過地層傳播。如果振動強烈，就可能造成損壞或引起公眾的反對。振動控制在城市環境中是特別重要的。

在離開爆破地點的指定距離感覺到的爆破振動的強度是以下要素的函數：由各段延時組成的總裝藥量（小至8 ms的延時就足以分開兩次爆破，使其爆炸波效應不至于疊加）；監測點至爆破地點的距離；地層特性（高頻率的振動波在高模數巖石允許通過，而在土類材料中很快減弱）；爆破的約束程度（約束越強，總能量中進入地層的振動能的比例越大）；場地的幾何特征有時會使振動能集中，如同硬巖和軟巖互層的地質特征那樣。

對于給定的裝藥量和距離，振動強度可以利用比例定律來估算。最常用的是平方根比例定律，表示振動強度是裝藥量W的平方根的函數。最重要的振動參數是質點的峰值振速V。

式中：B——根據經驗確定的系數；D/W1/2——稱為折算距離；H——折算距離為1的質點峰值振速。

這個關系以一條直線繪制在速度-折算距離的雙對數坐標圖上，D以m為單位，W為炸藥的公斤數，V以mm/s為單位。H值隨爆破性質、約束條件和地質環境變化。H的典型范圍是100～800 mm/s，對于給定的地質條件H隨單一爆破而變化：掏槽爆破為250 mm/s，擴大爆破為200 mm/s，周邊爆破為150 mm/s。對于比較短的循環進尺，H一般比較小。

系數B可在0.75～1.75之間變化，通常取1.60。對于特殊的場合或環境，經驗關系式可能依據爆破試驗、利用雙對數坐標圖來確定。許多因素影響振動檢測，所以不可能形成精確的關系式。在一定程度上，一系列數據是用來建立一個擴大開挖的安全包絡線。每段延時的允許裝藥量與50 mm/s的允許振速的相應距離之間的典型關系見表1。

表1 每段延時允許裝藥量

爆破引起的對結構的損壞與質點峰值振速有關。通常認為50 mm/s的質點峰值振速不會損壞住宅或其他建筑物和設施。事實上，大多數質量良好的建筑物能夠承受的質點振速遠大于50 mm/s；然而，50 mm/s是一般公認的爆破振動限制振速。

當鄰近新澆混凝土進行爆破時，必須限制峰值振速，以避免損壞混凝土。這個擔心在《地下采礦方法手冊》中有一些詳細的討論。無論是結構混凝土還是大體積混凝土，在養護時對損壞都是相當遲鈍的。超過10 d齡期的混凝土能夠承受的質點振速達到250 mm/s或更大，未凝固的新澆混凝土能夠承受50 mm/s或更大的振速。另一方面，已凝固的齡期短的新澆混凝土容易遭受損壞。在這種情況下，質點峰值振速可能要控制在6 mm/s以下；在混凝土達到至少3 d齡期以前，質點振速不應超過50 mm/s。這些數值可能隨著基巖的特性、混凝土凝結時間和強度、結構的幾何形狀和其他特性而變化。對于重要結構，應進行現場專門分析，來指導建立爆破限制標準。

對于完整的巖石，質點振速低于500～1000 mm/s時形成的細微裂縫通常不會造成巖石的破壞，這取決于巖石的強度。

人對爆破振動的感知遠比結構敏感。5 mm/s那樣低的質點峰值爆破振速已明顯地引人注意，達到20 mm/s時人就被驚擾了。感知振動，一是振動強度，二是振動頻率。低頻（小于10～15 Hz）振動比高頻振動更容易被感知。此外，夜間的振動可能更加令人生厭。