光面爆破技術在鳳凰包隧道工程中的應用

李本松 周興均

（1.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041；2.四川路橋華東建設有限責任公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著我國交通建設迅速發展，西部山區公路隧道和鐵路隧道的數量越來越多，山嶺隧道的施工技術也有了很大進步。雖然隧道施工有鉆爆法、盾構法、人工配合機械掘進等多種施工方法，但從適應的地質條件范圍、成本控制、便利程度等多方面考慮，鉆爆法還是目前修建山嶺隧道的主要方法。

鉆爆法施工中超欠挖現象不可避免，采用光面爆破能有效控制隧道超欠挖、降低隧道建設成本以及提高開挖效率。本文以沿江高速鳳凰包隧道工程為例，對光面爆破技術的應用進行介紹。

1 工程概述

鳳凰包隧道全長3169m，為分離式隧道，進出口為淺埋小凈距段，洞門形式均為端墻式。主洞建筑限界凈寬為11m，緊急停車帶限界凈寬為14m，建筑限界凈高為5m，采用復合式襯砌。鳳凰包隧道區屬構造剝蝕中山，山脊較渾厚。區內構造條件簡單，以褶皺為主，無斷裂構造通過；圍巖巖性較單一，為侏羅系沙溪廟組（J2s）粉砂質泥巖和砂巖互層，巖層為單斜構造，產狀總體傾向E，傾角較緩（10°～16°）。隧道所在區域水文地質條件總體較好，主要為洞口段第四系松散孔隙水和洞內基巖風化裂隙水，地下水對混凝土無腐蝕性。隧道洞口段圍巖以V級圍巖為主，洞內以IV級圍巖為主，IV級圍巖整體長度占隧道全長的98.8%。

2 爆破方案設計

2.1 爆破方式的選擇

為保證爆破后斷面成形規整，減少超欠挖量，同時結合鳳凰包隧道的工程地質條件以及現場工程實際情況，選擇光面爆破。鳳凰包隧道圍巖較軟，采用光面爆破對斷面輪廓的控制效果更為明顯，也能最大限度地使開挖面符合設計輪廓線，同時減輕對圍巖的擾動。

2.2 掏槽方案的選擇

根據不同圍巖類別選擇不同的掏槽方案是“新奧法”動態施工、動態設計的一大特點。鳳凰包隧道Ⅴ級圍巖中有3類襯砌方式，Ⅳ級圍巖中有4類襯砌方式，每類襯砌方式中鋼拱架每榀的間距不同。首先根據工程地質條件和圍巖情況確定單次循環進尺，合理的單循環進尺在保證圍巖和掌子面穩定的前提下，能夠充分發揮鉆孔機具的鉆進效率，獲得良好爆破效果并有效控制爆破危害，同時也能減少整座隧道爆破循環次數。

本文以IV級圍巖較好段落為例，支護參數采用Z4c時，單次循環進尺控制在3m，每個循環立鋼拱架3榀，研究光面爆破的應用效果。根據以往其他工程施工經驗，當掏槽深度大于2.6m時，需采用復式掏槽，如圖1所示。掏槽孔有一定的外插角，為控制超欠挖，方便架設鉆機，掏槽孔一般比掘進孔深約0.2m，為3.3～3.4m；輔助掏槽孔孔深（擴槽孔）一般與掏槽孔相同；其他炮孔深度控制在3.2～3.3m。所有炮孔的孔底應位于與隧道軸線垂直的同一個平面內，這是保證掌子面平整的前提。

圖1 上臺階底板復式掏槽

2.3 光面爆破參數的選擇

光面爆破參數的選擇首先與圍巖情況有關，通過圍巖地質情況判斷合理進尺，確定孔深與布孔方式，同時地質條件決定了開挖斷面的大小與方式；其次是受炸藥的品種與性能、裝藥結構與起爆方法的影響。要實現光面爆破，選擇合適的炮孔間距和數目以及密集系數、最小抵抗線、裝藥線密度、起爆順序和起爆時差等參數非常關鍵[1]，尤其是要控制好周邊眼裝藥量和線裝藥密度，并采用合理的裝藥結構。光面爆破宜使用低爆速炸藥和小直徑炸藥卷，采用軸向不耦合裝藥結構，利用導爆索起爆。

2.3.1 周邊孔間距

周邊孔間距與炮孔直徑、巖性和裝藥量等參數有關。一般可按經驗公式確定：a=（10～15）d，d為炮孔直徑。鳳凰包隧道圍巖為粉砂質泥巖和中風化砂巖，取12.5倍炮孔直徑，周邊孔間距a取0.5m[2]。

2.3.2 密集系數與光爆層厚度

周邊孔密集系數和光爆層厚度是光面爆破的重要參數，兩者影響了光面爆破后斷面邊壁的光滑平整度和殘孔率，決定了超欠挖量。密集系數過大，爆破后可能在光爆孔間留下巖埂，造成欠挖，反之則可能出現超挖[3]。實踐中密集系數k多取0.5～0.8，根據鳳凰包隧道圍巖情況，周邊孔密集系數k取0.6，光爆層厚度（周邊孔最小抵抗線）w=a∕k=0.83m。

2.3.3 周邊眼線裝藥密度

周邊眼線裝藥密度是指單位長度炮孔內的裝藥量，可用經驗公式計算。

式中：

q——單位體積耗藥量，kg∕m3），本工程中實際單位體積耗藥量q取0.5kg∕m3；

a——周邊孔間距，取0.5m；

w——光爆層厚度，取0.83m。

計算出線裝藥密度Q約為0.2kg∕m[4]。同時根據經驗動態調整Q，隧道采用的普通2號巖石乳化炸藥，Q一般取0.15～0.25kg∕m。

2.3.4 炮孔裝藥結構

周邊孔裝藥結構一般采用軸向空氣間隔不耦合裝藥結構，如圖2所示。在軸向上分段布置炸藥，藥卷直徑小于炮孔直徑，使每段藥卷之間形成空氣間隔層，增加不耦合系數。空氣間隔層對爆破產生的沖擊波起到緩沖作用，延長爆生氣體在孔內的作用時間[5]。根據光爆孔深度和線裝藥密度Q（0.2kg∕m），3.4m深的光爆孔中需放3段0.2kg的乳化炸藥藥包，用泡泥堵塞好孔口，堵塞長度不小于0.3m；再用導爆索串聯所有光爆孔，形成起爆網絡（見圖3），用同一段毫秒雷管（13段）起爆，各炮眼裝藥量如圖4所示。

圖2 周邊眼間隔不耦合裝藥結構

圖3 光面爆破炮孔布置及起爆網絡圖

圖4 各炮眼雷管段數及裝藥量

2.3.5 光面爆破的分區起爆順序

鳳凰包隧道采用一次分段延期起爆法，釆用簇聯起爆網絡，用導爆索一次同時起爆各炮孔的炸藥，達到最好的爆破效果。起爆順序為：掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼。經過試驗，周邊孔在最后起爆，且相鄰兩周邊孔的起爆時差小于10ms時光爆效果最好。

3 施工方法及技術控制要點

光面爆破效果與施工期間的測量布孔、鉆孔、裝藥、封堵、起爆連線、爆破順序等諸多環節有很大關系。

3.1 測量布孔

鉆孔前，測量人員用全站儀測量出隧道中心線和拱頂高程，用激光斷面儀測量出隧道開挖輪廓線，用紅油漆畫出隧道開挖輪廓線，并標出炮孔位置，其誤差不得超過5cm。

3.2 鉆孔要求

按照測量放點標注的孔位進行鉆孔，鉆周邊孔時一般以2°～3°的角度外插，并根據炮孔深度來調整外插角度，保證孔底不超過設計的開挖輪廓線10cm，以控制超挖范圍，并力求孔底在同一垂直面上，確保爆破后形成較為光滑平整的掌子面，有利于掌子面的安全。其他各類炮眼深度、角度按設計施工，并控制誤差均不大于10cm。鉆眼過程中先鉆掏槽眼，再鉆其他輔助眼，掏槽眼應比其他眼加深20cm。為有利于起爆和方便出渣，鉆孔方向應盡量垂直于巖體層理或節理面。

為合理控制超欠挖區域，上一個循環初期支護末端應與掌子面留有一段距離，以便鉆機架設，同時保證鉆桿的外插角度。若上一循環初期支護末端與掌子面距離過短，則會造成外插角過大，從而造成超挖增大，單次循環進尺越大，超挖越嚴重。

3.3 裝藥及封堵要求

裝藥前要用高壓風管進行清孔處理，防止炸藥和雷管塞不進去；各類孔內裝藥量和雷管段數需要與設計方案對應，不得混裝。為防止爆炸能量過早地泄漏到炮孔外導致爆破效果降低，所有炮孔均用炮泥堵塞。孔口封堵長度L0一般按L0=（0.2～0.5）W計算求出，也可按經驗封堵，一般堵塞長度不小于30cm，嚴禁不堵孔爆破。

3.4 網絡設計及起爆方法

按照設計好的簇聯起爆網絡，按照掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼的起爆順序連接，導爆索連接采用扭接方式，且搭接長度不小于15cm。起爆網絡連好后需經專人負責檢查，起爆前清除洞內作業人員至安全警戒線范圍外，再由起爆人員利用起爆器實施爆破，爆破完成30min后再進入爆破區檢查，確認無盲炮后方可解除警戒，再進行下一步工序。如果檢查發現盲炮，必須由專職爆破員進行處理。

4 光面爆破實施效果與經濟效益

4.1 光爆效果

鳳凰包隧道光爆效果明顯，炮孔的殘留率在90%以上（見圖5所示）。經過斷面測量，超挖控制在15cm以內，欠挖率控制在8%以內，最大欠挖不超過10cm，開挖后實測斷面輪廓如圖6所示。爆破后隧道周邊形成一個光滑平整的邊壁，從而保證了圍巖的相對完整性和自身承載能力，增加了巖壁的穩定性，有效降低了施工安全風險。

圖5 光面爆破效果

圖6 開挖斷面實測圖

4.2 經濟效益

（1）節省時間：雖然光面爆破比普通爆破在鉆眼及裝藥環節延長了近半小時，但后期減少了欠挖補炮、排除危巖、裝渣出渣、初噴混凝土等環節所需的時間，可節省約1.5h。

（2）保證工程質量：實施光爆后輪廓光滑平整，初噴混凝土后拱頂后不容易出現空洞，初噴混凝土平順，后續掛土工布、防水板施工更方便，也更平整，不容易在初期支護與防水板之間出現空洞，減少處置質量通病的時間與成本[6]。

（3）節省材料：經過與非光面爆破的對比分析，光面爆破比非光面爆破減少超挖量15%，超噴率平均減少76%，具體統計如表1；同時也節省了補炮消耗的炸材和額外的系統錨桿、超前錨桿等。

表1 光面爆破與非光面爆破初噴混凝土對比表

5 結束語

光面爆破不管是在爆破效果、殘眼率、超欠挖控制、開挖耗時、噴混凝土用量、初噴混凝土質量等方面都比普通爆破法具有優勢。但在光面爆破施工中，需注意以下幾個問題：

（1）要對圍巖的工程地質條件有一個較為準確的認識，根據圍巖類別進行動態調整循環進尺和爆破參數；

（2）加強對開挖班組的培訓與技術交底，使他們充分掌握光面爆破的施工注意事項和一些有效可行的施工方法，提高操作熟悉程度；

（3）提高鉆孔精度，能有效地減少超欠挖。