層狀片巖隧道爆破方案優化設計

緱智強 牛慶偉 鄭燁晨 付庭茂

摘? 要：鉆爆法是巖質隧道的主要開挖方法，爆破開挖引起的超挖問題是工程中亟待解決的難點。本文以中蘭客專某層狀片巖隧道為研究對象，在考慮了層狀片巖的結構特性的基礎上，基于光面爆破設計理論，對三臺階爆破開挖方案進行優化設計。該方案中上臺階爆破形成作業面，中、下臺階采用低藥量爆破結合鑿巖臺車破碎巖體方式。現場工程實踐應用表明，該方案能節約爆破材料，降低對隧道圍巖破壞，爆面形狀良好，顯著降低了超挖量。研究成果對類似工程具有一定的參考價值。

關鍵詞：層狀片巖? ?高速鐵路隧道? ?爆破? ?優化設計

中圖分類號：U459.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0016-04

Influence of Rock Dip Angle on Deformation Characteristics of Schist Tunnel

GOU Zhiqiang? NIU Qingwei? ZHENG Yechen? FU Tingmao

（The Third Engineering Co.，LTD of China Railway Seventh Group， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China）

Abstract：Drilling and blasting method is the main excavation method of rock tunnel. The over excavation problem caused by blasting excavation is a difficult problem to be solved in engineering. Taking a layered schist tunnel of Zhonglan Passenger Dedicated Line as the research object， based on the structural characteristics of layered schist and the Smooth Blasting Design theory， the three-step blasting excavation scheme is optimized. In this scheme， the upper bench blasting forms the working face， and the middle and lower bench adopt the method of low charge blasting combined with rock drilling jumbo to break the rock mass. The field engineering application shows that the scheme can save blasting materials， reduce the damage to the surrounding rock of the tunnel， have a good shape of the blasting surface， and significantly reduce the amount of overbreak. The research results have certain reference value for similar projects.

Key Words： Layered schist; High-speed railway tunnel; Blast; Optimal design

鉆爆法具有地質條件適應性強、開挖成本低等特點，是巖質地層中山嶺隧道施工的主要手段。在隧道爆破開挖中，超欠挖尤其是超挖現象普遍存在。超欠挖造成圍巖應力局部集中，增加工程成本，是鉆爆法施工中的重要難題[1]。劉海波[2]介紹了聚能水壓光面爆破技術在成蘭鐵路金瓶巖隧道施工中的應用;劉墩文[3]依托某山嶺隧道穿越破碎帶斷層工程，研究了周邊孔爆破參數、裝藥結構、起爆方式等關鍵參數;郝廣偉[4]依托蟠龍山隧道工程，進行了水平層狀巖體中不同循環進尺的掘進爆破試驗，對隧道超挖值及圍巖成型效果進行對比分析;周涵等[5]提出隧道掌子面短導洞掏槽爆破技術，并結合掌子面爆破參數及炮眼布設的優化設計，實現小斷面礦山隧道全斷面一次爆破成孔的光面爆破效果;張萬志[6]通過現場炮孔圖像采集及分類、深度學習方法，進行隧道炮孔的自動化識別與位置定位，實現了光面爆破參數的智能優化。

本文以中（衛）蘭（州）客專某片巖隧道工程為依托，根據現場圍巖條件及爆破施工情況，基于光面爆破設計理論，在考慮了層狀片巖的結構特性的基礎上，對三臺階爆破開挖方案進行優化設計，并結合現場工程實踐，對爆破優化方案進行評價。研究結果可為類似工程爆破施工提供參考。

1? 工程概況

中（衛）蘭（州）客專為銀（川）蘭（州）高速鐵路的重要組成部分，依托隧道工程位于甘肅省白銀市皋蘭縣內，隧道全長4578m，為雙線鐵路隧道，馬蹄形斷面，設計時速為250km/h，開挖斷面面積約150m2，最大埋深約206m。隧道洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結構，片理構造，節理較發育，巖體呈現中—薄層狀結構，開挖后巖層易剝落掉塊，為IV～V級圍巖。研究區段位于DK203+695～DK203+740，隧道圍巖級別為IV級，采用三臺階光面爆破法開挖。原爆破方案借鑒已有工程經驗設計，且考慮現場片巖較硬，上臺階加大炸藥量為200kg，中、下臺階炸藥量分別為180kg，現場爆破后超挖顯著，爆破效果較差。

2? 爆破方案優化

優化鉆爆方案能夠有效地加快施工進度，炮眼的利用率因鉆孔傾斜影響而降低，加大炸藥量，進尺增加且超挖量增加。因此，精準計算炮眼深度可平均減少60%的超挖量，在選擇鉆孔深度時要綜合考慮各種因素，合理改進每循環進尺，以達到最優爆破方案設計。

隧道實際施工中，最常用的是壓頂光爆、斜眼掏槽爆等，掏槽眼的位置應該布置在掌子面的中間部位。根據實際情況，本文使用斜眼掏槽，斜眼掏槽最突出的優點就是能夠根據隧道巖石的實際情況來選擇合適的掏槽方式和角度，更方便拋擲巖石，而且需要的掏槽眼數量較少。

2.1 上臺階優化方案

本隧道分三臺階開挖，先開挖上臺階，由現場量測可知上臺階開挖斷面面積S=52.27m2，循環進尺L=3m。根據現場Ⅳ級圍巖破碎情況選用2號巖石乳化炸藥，單位體積炸藥消耗量g=1.3kg/m3，換算系數K=1.2，炮眼利用率n=0.7，炮眼裝藥系數a=0.4，單個藥卷質量p=0.2kg，長度c=0.144m，則：循環炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×52.27×3×0.7=171.24kg;炮眼數目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×52.27 ×0.7×0.144/（0.4×0.2）=103個。

根據經驗，炮孔間距a一般取10～20倍的孔直徑，根據現場層狀圍巖性質，取a=15d=15×42=630mm，最小抵抗線W≥a=630mm，炮眼臨近系數m=a/W=1.0。由爆破振動速度計算經驗公式，v=70Q0.7/R1.5=50m/s，因此滿足安全性要求。優化后爆破參數如表1所示，炮眼布置如圖1所示。

2.2 中、下臺階優化方案

中、下臺階爆破目的主要是提供工作面，使得鑿巖臺車能夠正常工作。因為上臺階起爆精度要求更高，已經炸出完整的工作面，中臺階爆破孔眼可以適當減少，目的是為了破碎掌子面結構，幫助鑿巖臺車繼續破碎巖體并且出渣。中、下臺階炮眼相關參數與上臺階相同，僅開挖面積不同，每個臺階需要單獨計算炮眼數目和用藥量。

（1）對于中臺階：開挖面積S=40m2，考慮到爆破目的是松動圍巖，炮眼裝藥系數a=0.6，單個藥卷質量p=0.2kg，長度c=0.156m，其它參數與上臺階相同，則：循環炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×40×3×0.7=131.04kg;炮眼數目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×40× 0.7×0.156/（0.6×0.2）=57個。

（2）對于下臺階：開挖面積S=51m2，考慮到爆破目的是松動圍巖，炮眼裝藥系數a=0.6，單個藥卷質量p=0.2kg，長度c=0.11m，其他參數與上臺階相同，則：循環炸藥消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×51×3×0.7=167.08kg;炮眼數目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×51× 0.7×0.11/（0.6×0.2）=51個。

優化后爆破參數如表2、表3所示，炮眼布置如圖2、圖3所示。

3? 現場應用效果分析

按照優化后爆破方案，現場進行爆破施工，效果如圖4所示。由圖4可以看出，隧道爆破面成型良好，破碎后巖面非常光滑，超挖現象不明顯，即使局部超挖也是沿隧道輪廓大致向外偏移，便于后續施工鑿面整平處理。這是由于增加了一段雷管，優化炮眼布置，爆破能量更為集中地作用在層狀巖體結構面上，從而起到較好的破碎效果，降低對周邊圍巖破壞。通過現場量測，隧道超挖量控制在70mm以內，觀感較原來有明顯的提升，拱頂光滑，兩側貼合，說明優化后的爆破方案取得了較為滿意的結果。與原方案560kg用藥量相比，優化后方案減少用藥量約90kg，減少了約16%。

4? 結語

本文在現場調查的基礎上，基于光面爆破設計理論，在考慮了層狀片巖的結構特性的基礎上，對三臺階爆破開挖方案進行優化設計。現場工程實踐應用表明，該方案能節約爆破材料，隧道爆破面成型良好，顯著降低了超挖量，提高了施工效率，具有很好的工程應用價值。

參考文獻

[1] 張旭.隧道光面爆破施工超欠挖影響因素分析及控制技術研究[D].北京：北京交通大學，2020.

[2] 劉海波.聚能水壓光面爆破新技術在成蘭鐵路隧道施工中的應用[J].現代隧道技術，2019，56（2）：182-187.

[3] 劉敦文，江樹林，唐宇，等.穿越脈狀破碎斷層隧道光面爆破技術研究[J].工程爆破，2021，27（2）：79-84.

[4] 郝廣偉，張萬志，李世堂，等.不同循環進尺下水平層狀巖隧道爆破成型研究[J].地下空間與工程學報，2020，16（S1）：316-322.

[5] 周涵，孫從煌，曲艷東，等.小斷面長陡斜坡隧道短導洞光面爆破技術研究[J].現代隧道技術，2021，58（2）：228-237.

[6] 張萬志.巖質隧道炮孔圖像識別算法及光面爆破參數優化研究[D].濟南：山東大學，2019.