淺談光爆法在隧道施工中的質量控制

師 衛

(中鐵一局集團天津建設工程有限公司，天津 300250)

1 光爆法簡介

1.1 歷史發展

光爆法也稱“光面爆破法”，它是集巖石掘進及巖石力學、工程爆破學等諸多科學于一體的綜合性工程科學。這門科學是在20世紀50年代后期自瑞典興起的，隨后傳入美國、加拿大、英國、挪威、日本等許多國家。自20世紀60～70年代開始，逐步在我國軍工、礦業、建筑業等全面推廣應用。隨著光爆法技術的不斷完善，在安全可靠度有充分保障的前提下，不僅能給施工企業創造巨大的經濟利益，還給社會帶來廣泛的綜合效益，尤其在傳統礦山法、新奧法(NATM)、挪威法(NMT)、新意法等工法技術應用中，光爆法依然有亮點，在巖體掘進施工技術中占有舉足輕重的地位。

1.2 光爆類型

光面爆破可以分為輪廓線鉆孔法、緩沖爆破法、預裂爆破法、周邊爆破法。

2 工程概況

2.1 工程簡況

陜西韓黃高速公路2標段起訖里程K10+000～K21+343(東澤二號大橋終點)，總長度10.34 km，設計時速80 km/h。里程段內，象山隧道位于韓城市西北處的象山，隧道按左、右線分離式設計，左線隧道起訖樁號為ZK11+740～ZK12+745，全長1 005 m，右線隧道起訖樁號為K11+738～K12+736，全長998 m，左線起點設計高程487.29 m，終點設計高程458.60 m；右線起點設計高程487.06 m，終點設計高程458.28 m，隧道底板最大埋深147.6 m。兩洞中軸線最大間距28.58 m，最小間距28.57 m。

2.2 工程地質條件

象山隧道構造單元上屬中朝準地臺陜甘寧臺坳，處于陜北臺凹東南部。陜北臺凹為陜甘寧臺坳的主體部分，被坳緣褶斷束環繞，臺凹褶皺和斷裂稀少，未見巖漿巖侵入活動。為一大型向斜構造，長軸走向近南北，兩翼不對稱，西翼傾角3°～10°，東翼寬緩，傾角1°左右，少數長軸褶皺出現在臺凹邊緣。

2.2.1 圍巖巖土層的構成與特征

象山隧道穿越地層主要由二疊系(P)下統山西組(P1 sx)、奧陶系下統馬家溝組(O1 m)組成，洞室圍巖地質構造變動較大，受斷層影響嚴重，巖體破碎較完整，節理裂隙發育，圍巖整體穩定性一般。隧道進口段地層巖性以第四系松散堆積物為主，局部為強風化灰巖，巖體破碎；隧道洞室內以中風化灰巖、微風化灰巖、角礫狀灰巖為主；巖體較完整，為較堅硬巖。出口段300 m以中風化砂巖、泥巖為主，巖體較破碎，為較堅硬巖。

2.2.2 水文地質條件

象山隧道地下水主要以大氣降水為主，基巖裂隙水其對隧道的影響很小。受雨季影響時，大氣降水的正常涌水量：875.10 m3/d、最大涌水量：2 517.92 m3/d。

2.2.3 隧道圍巖級別

Ⅲ級圍巖長度885 m、Ⅳ級圍巖長度505 m、Ⅴ級圍巖長度613 m。

3 光爆法工藝簡述

3.1 光爆法施工工藝流程

工藝流程為：測量放樣→臺車就位→鉆孔→裝炸藥→炮口填封→安全警戒→起爆→通風→清除遺留炸藥和藥包→清渣。

開挖質量控制的核心就是超欠挖控制。對于Ⅲ→Ⅳ級圍巖采用臺階法光爆開挖；對于Ⅴ級圍巖采用中間隔壁法(CD法)進行光爆開挖。

按照施泰德(Steidle)分類法，根據巖石類型確定炮孔間距，在試驗的基礎上，合理確定有效循環進尺，科學布置光爆眼孔，合理安排起爆順序，從而達到光爆的效果。

3.2 施工步驟

1)測量放樣：在開挖面上測設出中線與水平線，再根據光爆圖表，準確標出炮眼位置，炮位誤差不大于5 cm，采用激光導向和幻燈布眼。

2)臺車就位：軌行式鑿巖臺車其軌道按照隧道中心線準確布置，保證臺車所鉆炮眼滿足要求。

3)鉆孔。

(1)第一步,確定開挖方法，選擇掏槽方法。Ⅲ-Ⅳ級圍巖，采用臺階法開挖、Ⅴ級圍巖采用中間隔壁法(CD)開挖。

(2)第二步，根據巖石條件，開挖斷面大小，施工條件等布置和選擇周邊光爆：①周邊孔間距0.3 m、0.4 m；二圈孔間距0.7 m；擴大眼間距0.8 m；②抵抗線W=E/M;M取0.7，W=0.3/0.7=0.43、W=0.4/0.7=0.57、W=0.7/0.7=1.00；③確定光爆圖表(見圖1及表1)。

(a)Ⅲ→Ⅳ級圍巖

(b)Ⅴ級圍巖

表1 光爆表

4)裝炸藥與炮口填封。象山隧道光爆裝藥前，作業班組首先對爆破器材的規格類型按技術交底進行核對，并將炮孔內的泥漿、巖屑清除干凈。裝藥完成后，班組長對裝藥質量進行檢查，合格后，再用炮泥進行填塞。周邊眼采用間隔裝藥結構，其余孔采用連續耦合裝藥結構，孔口用機做炮泥填塞。

5)安全警戒：在爆區四周各個方向的危險區邊界，均應設置警戒崗哨，在交通要道進行臨時交通管制，每個警戒點一人一部對講機配合指揮中心統一指揮，警戒點使用紅旗作警戒標志。

6)起爆。起爆順序：掏槽區→掘進眼→內圈眼→周邊眼→底板眼。起爆網路的連接采用導爆管雷管的起爆網絡。各炮孔采用非電毫秒雷管微差起爆技術。在掏槽眼、輔助眼、底眼及周邊眼中，每相鄰段別雷管間隔時差為不小于50 ms，即每次爆破相鄰兩端別裝藥量較大的起爆管采用國產系列(15段)非電毫秒雷管。

7)通風：采用壓入式通風方式，左、右線隧道各配1臺11 kW軸流通風機，每次爆破后或當洞內環境達不到要求時，用空壓機向洞內送風，確保洞內施工環境要求。

8)清除遺留炸藥和藥包：對啞炮或殘炮所遺漏在炮眼的炸藥必須用水沖洗干凈或取出炸藥包。

9)清渣：安排作業隊伍配合安全員對險石排除后，在開挖面裝渣并運至洞外棄土場。

3.3 施工注意事項

1)光面爆破安全設計和防護。

(1)爆破振動安全核算。根據《爆破安全規程》(GB 6722—2014)確定的公式：

(1)

式中，R為爆破振動安全距離,m;K為與地震波傳播途徑有關的地形地質等條件的系數；V為安全振動速度,cm/s；a為爆破衰減指數；Q為一次起爆的總裝藥量或延時爆破的最大單段裝藥量,kg。

象山隧道被爆巖石屬松軟巖石，K取200、a取2.0；被保護建筑物為象山公園朝陽亭、定坤塔等建筑物，距離隧道中心線直線最小距離148 m。根據規程規定，其最大安全允許振動速度V=2.2 cm/s。

經驗算爆破振動的安全距離為76 m以外，被保護建筑物均處于安全狀態。

(2)爆破振動控制措施。通過優選炸藥，使炸藥與巖石的波阻抗盡可能匹配，以最大限度發揮炸藥效率，達到減少裝藥量的目的；控制同段最大裝藥量的振動速度；采用孔內外接力延期起爆網絡，解決多孔爆破同段裝藥量不超過設計最大裝藥量問題；加強信息化監測，始終在爆破振動檢測的前提下進行爆破開挖，以爆破振動允許值的85%作為預警值，達到預警值，及時通知爆破作業隊，超過允許值，立即停工整改。

(3)爆破飛石控制。按照Lundborg的統計規律，巖石藥孔爆破飛石距離(Rfmax)可由下式計算：

Rfmax=KT×K×D

(2)

式中，KT為與爆破方式、填塞長度、地質和地形條件有關的系數，象山隧道取1.3；K為炸藥單耗；kg/m3，象山隧道取0.72；D為藥孔直徑mm，象山隧道取32 mm。

經計算飛石距離Rfmax=30 m。

飛石防護措施:在相對安全作業點進行試爆，確定合理爆破單耗值；在相對危險點作業爆破時取小值，絕不任意加大藥量以提高破碎度，必須避免單耗失控；為保證人員、設備的安全，劃定爆破警戒范圍，爆破前人員撤至警戒范圍以外，加強隧道洞口方向的警戒。

(4)爆破沖擊波控制。象山隧道爆破采用的孔內分散裝藥爆破，警戒距離50 m以外，空氣沖擊波和爆破噪聲不會對警戒區以外的人員造成危害，沖擊波的影響范圍雖然較小，但爆破前隧道內人員必須及時撤離。

(5)爆破振動檢測。象山隧道爆破施工中，通過藍牙技術將采集設備與全站儀進行連接，實測爆破振動速度，采集變形數據上傳云端進行頻率與幅值域遠程分析及實施預警。

2)光面爆破裝藥量。

(1)在施工中，光爆參數不可能和施工方案完全相同。所以，應根據E、W和L等參數的實際尺寸確定裝藥量。特別是E、W和L的尺寸相差較大時，更應該具體情況具體對待，所以在一茬炮中，往往不一定每個炮孔都裝相同的藥量。

(2)如果碰到巖石的極限抗壓強度很高，但裂隙又比較發育時，應綜合考慮并適當降低巖石抗壓強度值。

(3)象山隧道拱腳側墻腳處由于巖石的夾制力過大，除考慮正常的計算裝藥量以外，還應輔助以密孔光爆法或挖角光爆法，以便有效地克服巖石夾制力。

4 光爆法質量控制

4.1 施工控制

嚴格控制鉆爆工藝“光面爆破”，有效地控制周邊開挖輪廓，減少對圍巖的擾動，保持圍巖穩定，有效控制超欠挖，提高工程質量和進度，確保施工安全。

1)象山隧道施工作業隊實施工效掛鉤制度，把專業班組編入綜合組，共設3個綜合組，8 h倒班制，每個綜合組設爆破班、掘進班、出渣運輸班、警戒班、急救排險班、后勤保障班、情況信息班，每個綜合組組長根據施工計劃實施全過程、全要素負責制，對超欠挖10%以上采取對重罰款、超欠挖控制在10%以內實施梯次獎勵等獎罰制度。使得爆破、出渣、排險、警戒、信息反饋一次到位；上下綜合班組交接時在上一班自檢的基礎上進行交接檢，從根本上提高了經濟效益，保證了施工質量。

2)重視光爆工藝，嚴格控制光爆工序。在光爆作業施工中，嚴格按照施工方案進行鉆眼、裝藥和引爆。

對掏槽眼、輔助眼、周邊眼的布置和數量，眼孔深度與角度，各眼孔的裝藥量及裝藥結構、起爆次序、網路連接等細節均按照規程要求和實際情況細致考慮和計算，并按照施工區段分別編制專項施工方案。

鉆眼作業做到七快、四勤、四不鉆?！捌呖臁奔矗豪L水管快、安鉆快、開鉆快、換鉆釬快、移動支架快、交換位置快、排除故障快；“四勤”即：保養鉆機、支架勤；維修風水管勤；檢查鉆孔質量勤；檢查險情勤；“四不鉆”即：不鉆殘孔、不鉆石縫、不鉆軟夾層、不鉆破碎帶。

裝藥作業嚴格控制裝藥集中度，控制在1.0 kg/m以內，重視裝藥集中度并不完全是為了節省炸藥，更重要的是在一個夾制力很大的炮孔中，過多裝藥使得靠近炮孔的巖石受到強烈的應力作用，周圍的炮孔有可能會崩壞，從而降低炮孔的破碎能力；也能有效防止殉爆的發生，打亂起爆的順序。

引爆作業前嚴格實施爆前五項檢查，做到檢查內容有一項不合格，絕不引爆。五項檢查內容為：①所有的引線必須聯入網絡，沒有遺漏；②簇聯接點必須連接緊密，并安放引爆雷管；③網路中沒有打結、折斷的引線；④網絡連接多于10根簇聯的必須采用同段兩根雷管以確保起爆；⑤簇聯引線不得超過40根。

4.2 定位控制

1)洞外控制。在洞口設置兩個平面控制點，控制點設在能相互通視、穩固不動并能與開挖后的洞口通視的地點。高程控制采用水準測量，在洞口布置兩個高精度水準點。水準點布置在通視良好、施測方便處。

2)洞內控制。根據施工規范要求，洞內控制測量采用中線法。由具有豐富測量經驗的測量工程師負責隧道測量；堅持三級復測制，隧道貫通后進行貫通測量。

5 結 語

光爆法施工為隱蔽工程，必須遵循“先探探、管超前、預注漿、小斷面、留核心、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、常量測”的原則，在施工中充分利用地質調查報告、物探結果、超前導坑等方法做好超前地質預報，嚴格把握質量控制要點，嚴格遵循專項施工方案施工，采取有效的質量控制措施進行全過程、全要素控制，以確保光爆法施工質量滿足設計要求。特別是對于隧道發生滲漏水、斷層、煤層瓦斯等不良施工環境，更要加強施工環境監測，以確保安全施工。根據象山隧道工程施工結果，光爆法在開挖質量上比較有保證，對于Ⅲ、Ⅳ級圍巖拱部超挖均控制在200 mm以內；對于Ⅴ級圍巖拱部超挖均控制在120 mm以內；對于圍巖邊墻超挖均控制在每側+90 mm以內、全寬+160 mm以內，并且沒有發生欠挖現象，經激光斷面儀檢測開挖斷面，全部合格。

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