周邊眼間距對深埋軟巖隧道光爆效果影響的研究

劉雙慶

（中鐵十一局第四工程有限公司 武漢 430074）

1 引言

玉磨鐵路位于連接中老鐵路的玉溪至磨憨段，地處哀牢山地區，地質構造發育，巖性復雜，地質災害頻繁。為降低隧道建設安全質量風險、控制成本，項目提出了以光面爆破為突破口降低爆破對圍巖擾動、控制超欠挖尋求安全質量及成本綜合控制的目的。

光面爆破技術經過近半世紀的發展，理論逐步完善，在普通硬巖體內的現場經驗積累豐富，但對軟巖的實踐很少。本文以玉墨鐵路新華隧道3#斜井的深埋粉砂質泥巖隧道為例，通過經驗設計的爆破參數，理論計算了周邊眼間距值，同時通過研究現場三級圍巖周邊眼間距對光面爆破效果的影響，驗證和修正理論計算值，提出適合研究區的爆破參數，為減少隧道超欠挖和地質災害防治提供技術支撐。

2 工程概況

圖1 青灰色

圖2 脈狀方解石

研究區為中老鐵路玉磨段新華隧道3#斜井，全長637 m，斷面由半圓與矩形組成，斷面尺寸寬7.8 m、高6.5 m，斷面面積45.8 m2，埋深175 m，埋深比α大于10，屬于超大深埋隧道。

斜井的圍巖級別為Ⅲ級，主要由粉砂質泥巖組成，呈紫紅色，局部夾青灰色（圖1）。巖體較完整，節理裂隙弱發育。巖體中夾脈狀方解石（圖2），呈線條狀鑲嵌在巖體中，易形成軟弱結構面。

3 光面爆破影響因素分析

影響光面爆破效果的周邊眼主要技術參數有：周邊眼間距、最小抵抗線、炮孔密度系數、周邊孔裝藥量、裝藥結構、不偶合系數等。其中，裝藥量和光爆層厚度主要影響周邊孔起爆后巖石的崩落效果；開挖斷裂面的光滑平整度主要由周邊孔間距、周邊孔密集系數和光爆層厚度決定；爆破后留在壁面上的殘痕率主要與不偶合系數有關。

3.1 周邊眼間距

周邊眼間距是影響光面爆破的重要因素。間距增大，減弱了應力波在周邊眼中心連線上的疊加效果，增加了裂紋貫通的難度，同時，對于相鄰周邊眼，“空孔效應”難度也增大，易形成欠挖。間距較小，應力波疊加效應在周邊眼連線上增強，裂紋擴展范圍增大，易形成超挖。選擇合適的周邊眼間距對光面爆破效果尤為重要。在理論計算周邊眼間距方面有經驗系數法、工程類比法等多種方法。不同的方法計算結果有所差異，還需要通過現場試驗進行驗證分析。

3.2 周邊眼密集系數

密集系數與周邊眼間距負相關，與光爆層厚度正相關。密集系數越大，周邊眼應力疊加效應越強，空孔效應越強，圍巖擾動范圍越大，易形成不必要的超挖；密集系數越小，應力波疊加效應減弱，圍巖擾動范圍小，可能造成隧道局部欠挖。所以，控制密集系數是影響圍巖超欠挖的關鍵因素。

3.3 裝藥量

工程實踐中，通常用線裝藥密度作為指標評價裝藥量，線裝藥密度通用符號ql表示。

式中：dc為炸藥的直徑，標準乳化炸藥0.032m；0ρ為炸藥的密度，ψ為裝藥系數。根據上述理論計算研究區周邊孔裝藥量約0.072 kg/m。

3.4 光爆層厚度

光爆層厚度，即周邊眼與輔助眼之間的徑向距離，又稱為最小抵抗線。當周邊眼炸藥爆炸過程中，光爆層的厚度對爆破能量的擴散、作用力均有影響。光爆層厚度過大，應力波能量部分向抵抗線轉移，將影響應力波在炮孔中心連線上的應力疊加效應，達不到良好的破碎巖石的效果；光爆層厚度過小，應力波向抵抗線轉移能量較少，從而增大了炮孔中心連線上的應力疊加效應，容易引起隧道的超挖現象。所以，選擇合適的光爆層厚度，有利于光面爆破效果的加強。根據唐景文[1]關于光爆層厚度對光面爆破效果的研究可知，光爆層厚度W小于400 mm時，圍巖擾動較強，易出現超挖現象；光爆層厚度W大于700 mm時，應力波疊加后無法形成貫通裂縫，導致局部出現欠挖。所以光爆層厚度宜取500 mm、600 mm。根據上述理論綜述分析，該斜井光爆層厚度W取500 mm。

3.5 裝藥結構與不偶合系數

周邊眼裝藥方式一般采用間隔非偶合裝藥形式，即藥量之間采用空氣間隔，藥卷直徑小于周邊眼直徑，且由于藥卷重力作用，藥卷與周邊眼形成偏心狀態。藥卷爆炸的過程中，通過釋放應力波對巖體產生震裂作用，同時，壓縮藥卷之間的氣體產生壓力作用，促使巖石的節理裂隙張開度增大，從而加劇巖體的破碎及崩落。張奇等人[2]通過大量的爆破試驗得出：當不偶合系數達到2.5時，作用在炮壁上的沖擊波壓力只有原始壓力的1/16。因此周邊眼采用不偶合裝藥結構可以提高斷裂面的光滑平整度。李禹錫等人通過研究邊墻和拱部的偏心不偶合裝藥爆破孔間的貫穿規律，提出了邊墻孔偏心不偶合系數大于2.06時，最大孔間距幾乎保持不變。

結合上述理論可知，合理的范圍內盡量增大不偶合系數，對圍巖光面爆破效果有積極作用。本斜井采用40鉆頭的風槍鉆進，炮孔直徑約42 mm，炸藥為乳化炸藥，藥卷直徑約32 mm，計算得出徑向不偶合系數為1.31。

4 周邊眼間距理論計算

目前，周邊眼間距計算理論較為成熟，主要有斷裂力學法、經驗參數法、工程類比法。

（1）經典斷裂力學理論[3]

式中：E—周邊眼間距，mm；k1為調整系數，一般取值范圍[6,14]，巖石硬度大，k1取大值，硬度小，取小值；r為周邊眼炮孔的半徑,現場炮孔半徑為21mm； f為巖石的普氏系數，根據現場測試結果， f取9。計算結果見表1。

表1 周邊眼間距計算結果

（2）經驗系數法

依據周邊孔密集系數理論，周邊孔密集系數一般取值[0.8，1]，光面爆破效果較為理想，周邊孔間距的計算方法：

式中：E—周邊眼間距，mm； 周邊眼密集系數根據現場經驗取 0.8；光爆層厚度根據設計參數W取500mm。經計算，E=400mm。

（3）工程類比法

現場工程爆破人員根據施工經驗總結的周邊眼間距與直徑的比值一般在12～20范圍內，計算周邊眼間距公式為：

式中：E—周邊眼間距，mm；d為周邊眼炮孔的直徑,現場炮孔直徑42 mm；計算結果E隨比值系數變化見表2。

表2 E隨比值系數變化計算結果

經上述理論計算，周邊眼間距理論計算值差異較大，經典斷裂力學和經驗系數法計算結果相似，間距值宜選取400mm。現場爆破經驗公式理論計算值與前2者差異性較大，需要通過試驗求證。

5 不同周邊眼間距試驗

5.1 光爆參數設計

研究區工程爆破炮孔平面布置圖如圖3所示。光面爆破周邊眼、掏槽眼、輔助眼間距，裝藥量與裝藥結構如表2所示（圖周邊眼間距選取500 mm）。

圖3 斜井炮孔平面布置圖

斜井斷面炮孔總共98個，分周邊眼、輔助眼和掏槽眼，其中周邊眼設置44個，輔助眼23個，掏槽眼31個。周邊眼采用間隔空氣不偶合裝藥，一條乳化炸藥分為4段，分別等距離放入炮孔中。輔助眼和掏槽眼均采用連續不偶合裝藥。裝藥量、炮孔角度及炮孔間距見表3。

表3 炮孔相關參數表

爆破采用電雷管延時起爆，起爆順序掏槽眼、輔助眼和周邊眼。炮孔與起爆器連接圖見圖4。

圖4 斜井炮孔與起爆器連接圖

5.2 不同周邊眼間距試驗

據鄧詩泉[4]研究滬昆高鐵黃連山隧道可知，巖石質地軟硬不同時，周邊孔密集系數介于[0.5-1.2]。當現場周邊眼間距大于60mm時，光面爆破效果均不理想。同時，根據玉墨鐵路新華隧道和石頭寨隧道現場爆破施工作業人員施工情況可知，周邊眼間距均應控制在小于70 mm內。通過經典斷裂力學和經驗方式方法計算結果差異較大，本試驗擬采用現場光面爆破試驗確定最優周邊眼間距值，并對周邊眼間距計算理論驗證。結合上述周邊眼間距計算理論值，選取不同的間距值進行爆破試驗，試驗變量間距分別取300 mm、400 mm、500 mm、600 mm。隨周邊眼間距變化，光爆面周邊眼數量、炮孔密集度見表4。

表4 周邊眼數量、密集系數隨間距變化

備注：光爆層厚度W=500mm

5.3 試驗結果與理論分析

根據對研究區掌子面圍巖實施不同周邊眼間距 E（300-600mm）爆破方案，實際爆破效果如圖 5-圖8所示。

圖5 E=300mm，W=500mm的實際爆破效果

圖6 E=400mm，W=500mm的實際爆破效果

圖7 E=500mm，W=500mm的實際爆破效果

圖8 E=600mm，W=500mm的實際爆破效果

表5 不同周邊眼間距試驗爆破效果分析表

由圖5-圖8可知，當周邊眼間距E為400mm時，掌子面平整度較其它間距爆破效果好，孔痕清晰度高，且掌子面基本無殘余欠挖部分。E為500mm時，半眼率較高，平整度和殘孔深度較400mm大。通過對掌子面光面爆破效果進行量化指標統計分析，統計見表5。

根據上述光面爆破效果量化分析表5可知，當周邊眼間距E控制在400mm時，光面爆破效果較為理想，半眼率高達 81%，巖石表面平整度高，超挖量較小，有利于減少圍巖應力集中、控制隧道噴射混凝土工程量和平整度。從而提高了安全質量水平，降低成本。

6 結論

本文通過闡述影響光面爆破的周邊眼參數，針對影響因素周邊眼間距作了從斷裂力學、經驗系數法和現場爆破經驗角度理論分析了周邊眼間距值。基于對理論計算的合理值比較，再通過設計光面爆破參數進行現場爆破試驗，驗證理論計算值的合理性。