特大斷面公路隧道的光面爆破技術(shù)研究

韓東山　張梓松　龔海波

摘要：光面爆破是減少圍巖超欠挖和破裂損傷的關(guān)鍵技術(shù)。以京滬高速濟(jì)南連接線漿水泉特大斷面隧道為工程背景，在總結(jié)分析原常規(guī)爆破方案存在的主要問(wèn)題基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)光面爆破試驗(yàn)與爆破參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而提出了一套適合于漿水泉隧道Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的光面爆破方案。應(yīng)用結(jié)果表明：光面爆破技術(shù)可有效地控制圍巖超欠挖及爆破損傷，將平均線性超挖量由原來(lái)的0.20～0.25m降低到0.07～0.12m，保證開(kāi)挖輪廓的光滑平順，有利于圍巖穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：特大斷面;隧道掘進(jìn);光面爆破;超欠挖;爆破損傷

前言

現(xiàn)今我國(guó)關(guān)于大斷面隧道開(kāi)挖的方法總結(jié)歸納起來(lái)主要有兩種：第一種是近幾年來(lái)從國(guó)外引進(jìn)的TBM掘進(jìn)機(jī)，TBM掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度快，但在山嶺隧道施工中，由于其成本高，且易受到地質(zhì)條件的限制，有時(shí)具有很大的局限性;第二種就是鉆爆法施工，鉆爆法由于其靈活多變、適應(yīng)較強(qiáng)、成本較低等特點(diǎn)在我國(guó)山嶺隧道中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以蘭渝線關(guān)子嶺隧道爆破開(kāi)挖為例，對(duì)采用的兩種不同爆破方案與開(kāi)挖方案進(jìn)行對(duì)比分析，為其他類似工程提供借鑒和參考。

1工程概況

漿水泉特長(zhǎng)隧道是濟(jì)南二環(huán)南路東延工程的控制性工程，采用分離式結(jié)構(gòu)、雙向八車道設(shè)計(jì)，左線全長(zhǎng)3101m，右線全長(zhǎng)3085.4m，凈跨度16.7m，是目前全國(guó)最長(zhǎng)的雙向八車道山嶺公路隧道，被稱為“山東第一隧”。洞身穿越地層為上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r，多屬Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖，局部區(qū)段Ⅴ級(jí)圍巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度60～100MPa。隧道周邊200m范圍內(nèi)無(wú)建（構(gòu)）筑物和地下管線。

2公路施工中的隧道光面爆破技術(shù)應(yīng)用

2.1測(cè)量及鉆眼中的應(yīng)用

公路隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是測(cè)量放樣，該環(huán)節(jié)是爆破技術(shù)的基礎(chǔ)性工作，需滿足光面暴露的施工標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量放樣時(shí)利用全站儀處理相關(guān)問(wèn)題，保證隧道中心線與拱頂高程的準(zhǔn)確性，放樣測(cè)量工作所需標(biāo)準(zhǔn)隧道施工的輪廓線，利用特殊標(biāo)記明確鉆孔位置，保證鉆孔布設(shè)滿足技術(shù)要求，測(cè)量放樣工作的開(kāi)展能及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，從而有利于提升光面爆破技術(shù)的應(yīng)用效果。在鉆眼布置時(shí)，針對(duì)公路隧道的施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，保證鉆眼后的爆破工作有效開(kāi)展，鉆眼布置需注重方向與隧道地質(zhì)垂直，槽眼深度大于普通鉆孔20cm。硬巖施工時(shí)，眼口設(shè)置在輪廓線10cm以內(nèi)的距離。

2.2清孔作業(yè)的應(yīng)用

公路隧道施工時(shí)，針對(duì)挖掘面的不平衡現(xiàn)狀，可利用光面爆破技術(shù)調(diào)整鉆眼位置，保證鉆眼深度的統(tǒng)一性，在同一平面下達(dá)到處理面平整的目標(biāo)。鉆眼施工需保證設(shè)備及地面處于垂直狀態(tài)，控制鉆眼直徑及深度，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。爆破轉(zhuǎn)眼施工后，檢測(cè)其深度，與公路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致后，展開(kāi)后續(xù)的爆破工作。鉆眼施工后，需對(duì)鉆眼進(jìn)行清理，觀察鉆孔沉渣是否達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，若沉渣量較大需完成清孔作業(yè)。

2.3爆破施工的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)鉆眼進(jìn)行分組后，自上而下裝配炸藥，避免雷管發(fā)生混淆。為防止不耦合系數(shù)對(duì)爆破參數(shù)產(chǎn)生影響，可利用小劑量的導(dǎo)爆索。炸藥安裝后根據(jù)鉆眼位置確定泡泥，一般情況下，堵塞周圍鉆眼的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)在20cm及40cm。光面爆破施工技術(shù)為達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，在各個(gè)鉆眼爆破的同時(shí)，可利用分段并聯(lián)法連接炸藥，滿足起爆標(biāo)準(zhǔn)。爆破施工中觀察導(dǎo)爆索是否發(fā)生超前破壞。為保證炸藥同時(shí)爆炸，也可采取高端延遲雷管進(jìn)行爆破。

3隧道開(kāi)挖方案數(shù)值分析對(duì)比研究

3.1隧道開(kāi)挖的有限元理論

3.1.1有限元分析的步驟

有限元的分析步驟概括起來(lái)，可以分為以下幾步：

（1）連續(xù)體的離散化。離散化即是將給定的連續(xù)體分割成等價(jià)的有限單元組合系統(tǒng)，在地下結(jié)構(gòu)分析中，要模型化的巖土介質(zhì)連續(xù)體的范圍一般是不能明顯確定的，可能要考察在水平和垂直方向上都是無(wú)限大或非常大的巖土底層介質(zhì)。由于實(shí)踐上的限制，通常引入考察并將其離散化的只是處理這種大連續(xù)體中與地下結(jié)構(gòu)物相鄰近的有意義的部分圍巖;對(duì)應(yīng)力波在地層中傳播問(wèn)題的有限元解析中，因?yàn)橛袕?fù)雜的邊界效應(yīng)，而建議人為地設(shè)置邊界阻尼等處理方法;

（2）選擇場(chǎng)變量模型（位移模式）;

（3）按變分法（或虛功原理）推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚕纬善胶夥匠?

（4）綜合整個(gè)離散化連續(xù)體的代數(shù)方程式組：

[K]{δ}={R}并引入幾何邊界條件，在結(jié)構(gòu)的邊界處位移是給定的。并按此適當(dāng)修改上述方程;

（5）解算結(jié)點(diǎn)場(chǎng)變量矢量（單元結(jié)點(diǎn)的未知位移）;

（6）由結(jié)點(diǎn)場(chǎng)變量幅度矢（結(jié)點(diǎn)位移）計(jì)算單元合量（單元的應(yīng)變和應(yīng)力）。

3.1.2模擬隧洞開(kāi)挖的荷載釋放法

隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，隧洞開(kāi)挖面的空間幾何效應(yīng)在縱斷面上表現(xiàn)為“半圓穹”約束，在橫斷面上則表現(xiàn)為“環(huán)形”約束，這兩種約束方式的聯(lián)合作用使得開(kāi)挖面附近一定范圍內(nèi)的圍巖體在無(wú)支護(hù)的情形下得以穩(wěn)定。開(kāi)挖面的環(huán)向約束效應(yīng)在某種程度上受縱斷面方向的“虛擬”支撐力影響，在橫斷面上使洞周圍巖以及與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的承載拱效應(yīng)得以加強(qiáng)。隨著開(kāi)挖面的不斷推進(jìn)，開(kāi)挖面的支撐效應(yīng)會(huì)不斷地減小，在二維平面中，利用洞壁徑向位移釋放系數(shù)來(lái)反映開(kāi)挖面徑向的“虛擬支撐力”的變化。

4結(jié)語(yǔ)

（1）隧道位移隨時(shí)間演化的過(guò)程是一個(gè)受多方面因素影響的復(fù)雜過(guò)程，其影響因素與位移之間存在極其復(fù)雜的非線性關(guān)系。雙曲函數(shù)不僅可以很好地?cái)M和圍巖開(kāi)挖后的初期變形，還可預(yù)估圍巖的最終變形量，且相關(guān)系數(shù)高。

（2）根據(jù)所選定的雙曲函數(shù)由極限公式可得到最終總位移量和沉降量為4.608m、10.101m，實(shí)測(cè)值達(dá)到預(yù)測(cè)總量的80的時(shí)間分別為50d和45d，根據(jù)求導(dǎo)公式得出第50d的位移速率和第45d的沉降速率分別為0.02m/d、0.04m/d，由此可綜合判斷圍巖在開(kāi)挖45d后周邊位移及拱頂沉降均已穩(wěn)定，可進(jìn)行二次襯砌施工。

（3）根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出拱頂沉降量約為周邊位移的2倍，拱頂沉降變化速度穩(wěn)定，較周邊位移快。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)寶樹(shù).隧道施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2021，86（3）：465-744