隧道光面爆破開挖質量控制的應用研究*

劉仁華

中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065

爆破開挖是當前我國隧道開挖掘進的主要手段[1]。雖然人工鉆眼爆破具有操作方便、價格便宜的優點，但若隧道爆破未能達到設計要求將導致超欠挖現象的發生，對工程質量造成不利影響，同時在處理超欠挖時所采取的補炮或者回填措施都將提高工程造價，影響施工進度。另外，隧道進行二次爆破將對圍巖再次產生不利擾動，擴大圍巖的損傷范圍，影響圍巖穩定性。為了提高隧道的施工效率，國內外學者對隧道爆破施工導致的超欠挖問題進行了大量的研究，提出了一些有效的爆破施工方法[2]。其中，光面爆破施工方法能夠有效控制爆破對圍巖的擾動，減少對隧道輪廓的超欠挖量，提高施工效率和經濟效益，已被廣泛應用于隧道爆破施工中[3-4]。但是，掌子面前方的地質情況復雜，裂隙、軟弱夾層等不良地質會對光面爆破造成不利影響，導致隧道輪廓超欠挖較嚴重，增加施工周期和成本。

重慶軌道交通10號線蘭花湖停車場出入段隧道（下文簡稱蘭花湖隧道）為雙線隧道，右線全長1136.068m，左線全長1026.080m，在右線樁號YCK1+124.722～YCK1+200段，隧道圍巖等級為Ⅳ級，設計采用爆破施工。為了解決蘭花湖隧道的超欠挖問題，相關人員使用全斷面免棱鏡測量技術，獲得了爆破施工中隧道的開挖輪廓線，分析了隧道超欠挖的原因，通過超前地質預報對掌子面圍巖情況進行預測，提出了一種爆破參數優化方法，能夠有效控制蘭花湖隧道的超欠挖質量，獲得了良好的隧道輪廓線，提高了施工效率。

1 光面爆破原理

爆破的基本理論主要有爆生氣體膨脹壓力作用理論、應力波疊加理論、爆生氣體與應力波共同作用理論。隨著科技的發展，最終發現共同作用理論更符合工程實際，即炸藥爆破所產生的爆生氣體和爆炸應力波將共同作用于巖石，導致巖石產生裂紋并發生擴展，最后產生破壞。

爆炸應力波與爆生氣體作用原理如圖1所示。由于爆轟波陣面的壓力和傳播速度遠高于爆生氣體產物的壓力和傳播速度，爆轟波首先作用于炮孔壁上，使得圍巖產生初始裂隙并以較高的速度向前傳播，而爆生氣體則楔入裂隙中，在準靜壓力作用下使裂隙得到擴展和傳播。隨著應力波的衰減，爆生氣體的楔入速度逐漸接近應力波波速，最后二者相等，此時裂紋擴展停止發生。

圖1 光爆孔裂縫發展過程

2 監控量測技術

此次監控測量采用全斷面免棱鏡測量技術，該方法是遵照圍巖量測設計理念與新奧法圍巖自穩宗旨，并結合現場施工經驗總結出的隧道洞內超欠挖監控量測的關鍵技術。爆破施工后，在隧道周邊的孔內埋設觀測點，進行監控量測，然后與設計斷面進行對比計算，如圖2所示。計算公式如下：

圖2 超欠挖測量與計算方法

采用全斷面免棱鏡測量技術對隧道斷面進行超欠挖測量，繪制實測隧道輪廓面與標準隧道斷面的對比圖，如圖3所示。

圖3 隧道光面爆破效果（單位：mm）

從圖3可以看出，洞內超挖較嚴重，尤其在左側拱頂區域，超挖量最大。仔細觀察隧道開挖后掌子面附近的地質情況，發現左側拱頂區域存在少量軟弱夾層，導致此區域圍巖強度較弱，增加了隧道輪廓的超挖量。在拱腳附近，存在少量欠挖區域，對施工影響較小。由于爆破超挖嚴重，增加了隧道施工成本，降低了施工效率。

3 超欠挖原因

以蘭花湖隧道爆破施工為基礎，分析爆破導致的超欠挖原因，總結得出三點結論。

（1）掌子面前方圍巖情況對隧道爆破施工導致的超欠挖問題影響很大。爆破施工過程中，炸藥能量優先向圍巖強度較弱的方向傳播，導致隧道出現嚴重超挖現象。

（2）不合理的周邊孔裝藥量影響隧道輪廓線形狀。光面爆破動態設計的指導方針沒有貫徹實施，施工人員抱著“寧超勿欠”的思想，導致裝藥量過大，影響光面爆破效果。

（3）鉆眼的精度較低，影響爆破效果。隧道鉆孔過程中，光線較差，施工人員放線位置存在偏差，機械鉆孔操作難度大，影響周邊孔的外插角方向和炮孔深度，導致爆破效果較差。

4 光面爆破參數優化

因為掌子面圍巖情況對爆破超欠挖影響較大，所以在爆破開挖前使用超前地質預報，實時獲取掌子面前方圍巖情況，進而優化爆破參數，控制爆破開挖質量。

4.1 超前地質預報

此次超前地質預報將地質雷達和TRT相結合，充分發揮了兩者的優點。蘭花湖隧道施工過程中進行超前地質預報的現場施工圖如圖4所示。通過分析地質超前預報的雷達波形圖，確定施工過程中掌子面前方的圍巖情況，結果發現，在隧道左上方存在軟弱夾層，圍巖強度較弱。

圖4 超前地質預報現場施工圖

4.2 光面爆破設計方案

隧道周邊地質條件對光面爆破中炸藥的選擇影響較大，經過超前地質預報，發現掌子面左上方存在軟弱夾層，通過經驗對比和篩選，最終決定用巖石乳化炸藥進行爆破作業。在爆破作業前，先用鉆機制作連續柱狀裝藥結構，用作輔助眼和掏槽眼，再用鉆機制作小直徑藥卷、不耦合間隔裝藥結構，用作周邊眼。

光面爆破炮孔具體布置參數如圖5所示。以兩拱腳中點為中心，拱頂為起點，逆時針旋轉60°，即圖5虛線內區域，將其區域內的周邊眼裝藥量改為原裝藥量的90%，進行裝藥、爆破。爆破時，起爆順序為掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼。

圖5 光面爆破炮孔布置圖（單位：cm）

4.3 優化后的開挖質量

為了進一步驗證優化后的爆破參數能夠有效控制隧道超欠挖質量，提高施工效率，將優化后的爆破參數用于蘭花路隧道光面爆破施工中。對爆破后的隧道斷面進行測量，與隧道設計斷面圖進行對比，爆破效果對比如圖6所示。

圖6 爆破參數優化后隧道光面爆破效果（單位：cm）

對比圖3、圖6的輪廓線可知，爆破參數優化后可以有效控制超欠挖質量，最大超挖量僅為283mm，拱腳附近存在少量欠挖，對施工影響較小。這說明降低圍巖較弱區域周邊眼的裝藥量可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響，降低爆破對圍巖的干擾，提高施工效益，節約經濟成本。

5 結論

（1）文章論述了光面爆破的基本原理，并利用全斷面免棱鏡測量技術對隧道斷面進行測量，繪制了實際爆破輪廓線和設計輪廓線的爆破開挖效果圖，發現圍巖強度對爆破施工的超欠挖質量影響較大。

（2）文章設計了光面爆破方案，根據超前地質預報，實時獲取掌子面前方圍巖狀況，為爆破參數優化提供了可靠的依據。

（3）文章提出了爆破參數優化措施，將周邊眼的裝藥量改為原裝藥量的90%，可以有效減小圍巖強度對隧道爆破效果的影響，降低爆破對圍巖的干擾，提高隧道圍巖的穩定性，縮短施工周期，可為后續隧道建設者提供參考。