完整堅硬巖隧道TBM掘進輔助松動爆破試驗研究

廖建煒

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

TBM法隧道施工已經在眾多工程建設中得以應用，而且被優先采用的趨勢更加明顯。高效率掘進是其突出的技術優勢，成為優選方案對比下的重要考量。正常情況下，TBM法施工速度可達鉆爆法的3～5倍，而動輒上千米的單月掘進高產紀錄，在TBM法隧道施工領域已不鮮見，普及應用旗幟效應明顯。但TBM較差的地質適應性，一直是其應用拓展的典型制約，節理裂隙發育情況和堅硬程度差異等巖性條件是影響其掘進效率的關鍵性因素［1－3］。完整堅硬巖［4］條件下的TBM快速掘進，困擾一直存在，且隨著工程應用場景不斷拓展，其困難程度在逐漸增強。

完整堅硬巖在水利水電項目中出現的頻次更高，國外的挪威斯瓦蒂森水電站等項目，以及國內吉林引松、山西引黃等項目都曾出現過。第三方檢測表明，吉林引松項目部分巖石單軸抗壓強度超過200 MPa。在掘進效能分析方面，對國內多個TBM項目局部統計均表明，相較于60～80 MPa常規圍巖區間，當巖石的抗壓強度高于150 MPa時，TBM掘進效率會折損過半甚至更多［5－6］。同時，堅硬巖石中，過于頻繁的刀具檢修及更換，也會使得TBM利用率大幅降低［7－8］。

TBM在通過完整且極硬巖石段時，如何提高破巖效率、降低刀具損耗，是眾多工程技術人員一直關注的熱點及難點問題。當前，該領域科技攻關有各種探究，更大尺寸刀具，亦或是疊加高壓水射流、微波等輔助破巖手段［9］。本文嘗試基于傳統的鉆爆法與TBM工藝相結合，探討以鉆爆松動爆破方式輔助TBM破巖的新途徑。

2 試驗概述

試驗分兩階段開展。預試驗階段，選取合適的極堅硬花崗巖斷面進行爆破預試驗，通過統計分析結合試驗檢測，借助爆破所產生的裂隙發展規律和變化趨勢，獲取合適的爆破參數，例如孔位、孔深、鉆孔數量、裝藥量、爆破順序等；全斷面試驗將依托正常掘進TBM洞段展開，在刀盤前方采用爆破方法產生人造裂隙，借助TBM通過松動爆破掘進效果驗證技術的可行性。

（1）檢測儀器

試驗配鉆孔多功能成像分析儀，探測鉆孔內部圍巖的裂隙分布和發育特征，爆破前后檢測以作對比分析；智能聲波儀做聲波測試，爆破前后對照分析圍巖穩定性，輔助巖體損傷評定。

（2）爆破試驗材料

選用2＃巖石乳化炸藥，其在民爆工程中用途廣泛，適應性強，抗水性強。主要性能指標為：藥卷直徑為 φ32 mm，藥卷密度0.95 ～1.30 g／cm3，單卷質量200 g，爆速≥3 500 m／s。選用非電毫秒導爆管雷管，準爆率高、盲炮少、現場操作方便，用于鉆孔中起爆炸藥和孔外網絡連接做為毫秒延時分段使用。

（3）安全防護

嚴格按《爆破安全規程》［10］要求進行爆破試驗操作、安全警戒及防護。爆破工持證上崗，放炮前對炮眼連線進行檢查，安全警戒以爆破試驗區為中心，爆破前作業人員及設備撤離至安全地帶并由專職安全人員檢查。爆破試驗區采用對講機相互聯系，確認安全無誤后，下達起爆指令，實施爆破試驗作業。

3 預試驗

預試驗分單孔及多孔試驗。其目的是盡可能掌握類似圍巖條件下合理的控制爆破參數，達到既產生預期的裂隙效果，給TBM掘進效率提高創造條件，但又不至于產生拋石影響TBM設備安全，同時避免凹凸不平掌子面帶來的刀具卡滯等干擾發生。

3.1 單孔爆破試驗

共進行4組單孔試驗。第1組炮孔深1.9 m，采用孔底集中裝藥1卷；第2組炮孔深1.8 m，采用孔底集中裝藥2卷，均為黃泥封堵，但爆破沖孔現象嚴重，窺視無明顯裂紋。后嘗試采用錨固劑干濕間歇封堵，沖孔仍較為明顯。

進一步結合現場及檢測結果分析，試驗段巖石基本為極堅硬大理石，采用風動鑿巖鉆孔后，孔壁光滑，在直眼條件下，無論采用黃泥還是錨固劑等材料封堵，其與孔壁均形不成有效粘結，沖孔問題得不到有效解決。而窺視結果表明：除孔底放置炸藥段炮孔部位有巖石屑片掉落、局部外觀表象變粗糙外，其余大部分部位均無明顯變化，爆破所預期的松動裂隙未能產生。

3.2 多孔爆破試驗

共進行6組多孔試驗，其中5孔試驗2組、11孔試驗4組。分別嘗試從裝藥方式、裝藥量、空孔布置等途徑研究合理的爆破參數。11孔爆破試驗則更為貼近TBM中心刀范圍。

（1）5 孔試驗

5孔試驗孔位布置為：0.5 m間距正方形布置4個空孔，中心孔裝藥，孔深均為2 m。

第1組試驗裝藥2卷，孔底集中裝藥，錨固劑封堵，但沖孔現象依然明顯。爆破后窺視，空孔裂紋不明顯，中心孔即裝藥孔有零星裂紋可見，但發展比較微弱；聲波探測，孔底裝藥部位一定范圍內波速降低明顯，表明圍巖有一定程度損傷。

第2組試驗在前述孔位上繼續進行，裝藥3卷，沿孔底間隔約30 cm布置，錨固劑封堵。爆破后窺視表明，裝藥孔及空孔均有較明顯發展裂隙，上部空孔更為明顯，爆破孔在前次裂紋基礎上，發展明顯擴大，部分區域能同時產生2～3條10 cm級裂隙，整體裂隙數量較多，裂隙口粗糙。

5孔試驗表明：試驗所借助的完整堅硬巖石段，在密布孔、裝藥量較大情況下，巖石裂隙發展明顯，能夠從裝藥孔貫穿至周圍空孔；同時，分段裝藥對整個爆破范圍巖石損傷較為有益。

（2）11 孔試驗

11孔試驗孔位布置為：最外圍沿正六邊形布置6個裝藥孔，約0.75 m間距正方形布置4個空孔，孔深均約1.8 m。孔位布置見圖1，其中中心孔為裝藥孔。

圖1 11孔試驗孔位布置（單位：mm）

第1組試驗：1＃中心孔裝藥3卷，每卷間隔30 cm，1段起爆；周邊6＃～11＃孔單孔均裝藥2卷，孔底1卷，另1卷分成3小節，間隔20 cm布置，3段起爆。爆破后出現較大掏槽現象，幾乎整個爆破面巖石拋出，較深處掏槽達80～90 cm，拋出巖石體積較大，距離較遠。檢查試驗點上部巖石有多處明顯節理，裝藥孔布置較密且裝藥量較大，分段起爆后導致掏槽現象；但探測表明，非節理部位兩側周邊裝藥孔附近產生較明顯新裂隙。

第2組試驗：中心孔與周邊孔單孔裝藥均為1卷，采用孔底集中裝藥。爆破后未出現巖石拋出現象，但綜合鉆孔及爆破前窺視，該處巖石完整性較差，考慮對照意義不大放棄探測。

第3組試驗：中心孔及周邊孔均裝藥1卷，每1／3節間隔30 cm，孔口炮泥堵塞，1段起爆。窺視對比表明，10＃、11＃裝藥孔爆破前后裂隙發展較為明顯，對空孔及檢測孔窺視未發現明顯裂隙。

第4組試驗：中心孔及周邊孔均裝藥1卷，每1／3節間隔30 cm，孔口無堵塞，1段起爆。初步窺視空孔未發現明顯裂縫，裝藥孔裂隙發展較為明顯。

采用多孔同時起爆產生的裂隙明顯增多，其中間隔裝藥優于集中裝藥，利用空孔創造臨空面有利于松動爆破裂隙的發展。

4 全斷面試驗與分析

爆破試驗洞段巖石為Ⅱ類砂巖地質，抗壓強度約200～250 MPa。試驗前該區段TBM掘進時，其總推力基本維持在設備限定的最大推力范圍17 500～18 000 kN，也能反映出其堅硬程度。全斷面布孔，設計爆破孔15孔，試驗孔位布置見圖2。以中間裝藥孔為中心，沿2.56 m直徑圓周均布6個空孔，沿5.12 m直徑圓周均布8個裝藥孔。孔深約2 m，每孔裝藥1卷，分3段裝藥，共15卷，見圖3。

圖2 全斷面試驗孔位布置（單位：mm）

圖3 全斷面試驗爆破裝藥示意（單位：mm）

試驗后選取爆破前后相鄰3個循環（以TBM換步為起止點）掘進參數做對比，其中前一循環累計掘進時長133 min，區間長度1 620.7 mm；試驗段循環長度參照2 m炮孔深度，截取長度2 070.7 mm（當中TBM換步一次）；后一循環累計掘進時長106 min，區間長度1 501.6 mm。全斷面爆破試驗段及其前后環掘進速度統計分析見表1。同時，選取TBM參數包括推進速度、總推力、刀盤扭矩等做對照分析。

表1 全斷面爆破試驗前后環掘進統計分析

僅以推進速度進行對比，試驗段循環的掘進速度明顯要優于前后相鄰循環，其中在試驗段循環的中后段（與分段裝藥炸藥重點影響段吻合），TBM的掘進速度幾乎維持在較高的水平，而試驗段近孔口位置，速度區別并不明顯。試驗段及其前后環掘進速度對比見圖4。同時，綜合考慮推力變化，在推力變化幅度不大的情況下，試驗段前后循環推進速度波動較為平穩，而試驗段TBM的推進速度波動幅度要大于前后循環，這也顯示出爆破對TBM掘進速度的影響。試驗段前后循環刀盤扭矩由1 200～1 500 kN·m變為1 800～2 200 kN·m，刀盤平均電流由爆破前的120 A左右變為爆破后的170 A左右，這些參數變化也能反映出爆破帶來的積極影響。

圖4 全斷面試驗前后循環掘進速度對照

5 結束語

隨著工程建設環境復雜化，施工中面臨完整且極硬巖的情況增多，完整且極硬巖石條件下的TBM快速掘進將面臨更大的挑戰［11］。綜合試驗分析，借助松動爆破，人工制造裂隙，對于完整堅硬巖石TBM掘進效率提高有較大輔助價值，但還需整體綜合對比分析進行全面細化研究。

（1）針對不同條件下預裂爆破裝藥量的控制，及何種程度裂隙對提高TBM掘進效率更為有效，可結合裂紋擴散機理做進一步分析［12］。

（2）當前TBM作業環境下，停機單獨實施輔助爆破作業，受操作設備和空間限制，時間過長，對整體效率提升存在較大反噬，應結合TBM設備改進研究，實現借助TBM或輔助設備快速鉆孔、裝藥等，壓縮爆破施工時間，方能具備大的應用價值空間。

（3）一個不能忽視的現象是輔助爆破工藝，若遇有巖體局部節理發育，即使少量裝藥，亦有可能產生拋石，采用微差爆破更會加劇這一現象。圍巖條件的不確定性會制約該技術的應用，應加強對TBM設備尤其是刀盤防護研究，或者說超前地質預報與不同地質情況下的爆破參數研究，且安全防護必不可少。