高速公路隧道施工中光面爆破技術的應用

何歐

摘 要：當前，在我國高速公路隧道網絡建設速度的不斷加快下，已經廣泛應用了爆破法。隨著超長距離、大斷面以及大埋深高速公路隧道開挖工程在高海拔及高寒等惡劣環境下的深入落實，逐漸增加了工程的施工難度。特別是在爆破施工過程中，不符合實際或掏槽方式，起爆方法、設計的爆破參數、裝藥設置等，都會增加隧道施工風險，甚至會引發難以預知的重大傷亡事故。為了解決這些問題，以某高速公路隧道工程為例，重點研究預留光爆層水壓爆破技術在該項工程中的應用效果。首先闡述了光面爆破技術的原理及特點，其次在明確總體施工工藝的基礎上，嚴格按照炮眼布置及鉆孔要求、炮預留光爆層厚度的計算、起爆順序、裝藥結構等施工方法，詳細介紹了光面爆破技術在高速公路隧道工程中的應用流程，最后針對應用成果進行了探討，已充分證實在工程中應用這種施工方法，每茬炮平均進尺可達到3.87m，周邊輪廓圓順，炮眼殘留率達到85%，線性超挖能控制在12 cm以內，而且洞內爆破后空氣中可吸入物顆粒（PM10）及總懸浮粒物（TSP）含量均有明顯下降，縮短了通風排煙時間，加快了施工進度。由此可見，所提出的施工方法，在高速公路隧道工程中應用后取得的效果較為顯著，具有較大的應用價值。

關鍵詞：高速公路;隧道施工;光面爆破技術;應用

中圖分類號：U459 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）05-0013-03

0 引言

根據新奧法施工的理論要求，隧道開挖應采用光面爆破施工工藝。光面爆破主要是在爆破面上的指定位置實施開挖，于掌子面的中心位置開展巖體爆破，并在設計各段輪廓線上，由內而外進行分段微差起爆，但是在隧道光面爆破過程中，應該注意需要同時起爆掌子面左右兩部分，這樣光爆效果才能得到保證，以此全部去除設計方案中開挖面積內的巖體，最終形成一個平整的開挖輪廓。而預留光爆層是為了更好的達到光爆效果而采用的一種爆破方法，它基于爆炸氣體的膨脹作用，水會產生“水楔”效應，既能降低裝藥量，還可以破碎巖石。同時，水袋爆破后能進一步降低粉塵對環境的污染，起到霧化降塵的作用[1]。

1 光面爆破技術原理

針對光面爆破的理論研究，它的原理從外在而言，指有目的、分段設置隧道開挖截面上許多相互對稱平行且間隔較小的炮眼，運用低爆速的工程炸藥在科學控制裝藥結構、炮眼角度及深度的前提下開展分段微差起爆，這樣同一段內的所有炮眼必將形成貫穿巖體的裂縫，從而有順序的脫落。這種破壞形式從斷裂力學的觀點而言，屬于在爆炸發生過程中，巖石受拉力影響導致自身承載能力不足造成的破壞，在日常生活中這種現象也經常能遇見，與我們在撕開兩張郵票時，它們之間小孔處斷開的現象較為相似，皆是因為突然應力集中造成的拉應力現象而導致的斷裂。縱觀當前工程實際情況而言，可從以下幾點體現爆破控制管理[2]：

1.1 爆破振動

它的控制管理針對地鐵開挖爆破或地下工程來說，一般包括對已建地下工程和周圍構筑物的影響分析、地表沉降控制以及基本的爆破效果控制。爆破效果的控制涵蓋了超欠挖工程量與巖體的爆出程度，這對整個工程進度與施工成本有直接影響;在城市地下工程開展過程中，已有地下空間較多且地下管道與周圍構筑物密集，極需對地表沉降予以有效控制，例如，我國上海某工程施工過程中，因為沒有全面了解周圍地質環境，造成周圍居民樓和公路地表在施工過程中出現傾斜和下沉，引發了非常嚴重的安全隱患;當前對已建工程和工程周圍構筑物的影響分析，主要表現在爆破振動引發的影響程度，作為一種爆破施工難以預防的負影響，爆破振動在城市建設中的導致的負效應較大，需要制定相關的動態反饋措施，并進行實時監控，不然極易造成結構出現松動及周圍建筑開裂的現象。故而，需要嚴格控制爆破振動對周圍的影響程度。

1.2 循環爆破

在建設高速公路隧道過程中，雖然說它沒有城市地下的密集管道與構筑物，但是因為地形條件的復雜性，控制管理難度依然不容忽視。近年來，我國出臺了相關標準，逐漸規范了爆破施工，但針對高速公路建設方面，管理與監督手段仍然不足，除了上述需要控制爆破振動對周圍的影響程度外，還需要重視對每次循環爆破效果的管控。爆破效果的好壞對高速公路來說與城市工程有一樣的要求，都需要對爆破面的規則與超挖欠挖進行嚴格控制;在控制振動大小過程中，因為每次循環開挖的單次裝藥量較多，進尺也比城市工程大，怎樣才能在保證施工安全的前提下，推動施工的快速開展將于下面予以更深入的探討及分析。

2 光面爆破技術特點分析

在我國現階段高速公路隧道施工中，光面爆破這種控制爆破開挖方式較為常用，其能有效控制開挖后圍巖的爆破輪廓線較為規則、平整，不僅減少了對周圍巖體帶來的破壞，還能控制開挖爆破中的超挖欠挖，為圍巖自身穩定性提供了充足保障。縱觀當前施工情況和理論研究得知，其具有特點在隧道掘進施工中可表現為以下幾個方面[3]：

設計爆破參數，對單次爆破量和超欠挖進行嚴格控制，特別是在較差的地質條件下，不穩定巖石效果相對較為明顯。

光面爆破技術與其他爆破方法相比，針對于周圍地層的爆破振動影響，在開挖過程中較小;能對開挖爆破時過大振動導致的對地面構筑物的影響和塌方現象予以有效避免，在增強作業安全性的同時，還能提升施工效率，其效果在巖質較差或圍巖等級不高的條件下更為顯著。FE2EA4C7-3244-48AE-9847-AEA3170429DE

通過合理鉆孔和布孔方法及對巖性的分析，在光面爆破開挖中，運用炸藥能量，能對施工成本予以最大程度降低。

3 光面爆破技術的施工工藝及方法

3.1 工程基本情況

作為國家“一帶一路”戰略部署“絲綢之路大通道”的重要組成部分，本工程中的高速公路隧道是某地區建設項目的控制性工程，左線長11.764 km，右線11.775 km，共設置兩處斜井，輔助施工兼運營通風。整個隧道地形地質、水文氣象條件復雜，最大埋深1 225 m，隧道建設具有超長距離獨頭掘進、涌水量大、地應力高、施工風險高、氣溫極寒等顯著特點，是目前國內設計施工難度最大、風險最高的高速公路隧道之一[4]。

隧址區以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，地層巖性上覆第四系全新統粉質黏土、卵石、碎石、塊石、漂石;下伏基巖以石炭系凝灰巖、熔結泥灰巖、凝灰質砂巖和泥盆系中統大南湖組凝灰質砂巖、花崗巖、輝綠巖為主。隧道進口段獨頭掘進長度3.9 km，出口段3.6 km，通過斜井輔助施工的中間區段更是長達4.2 km以上，超長距離通風在一定程度上增強了隧道施工的難度。

開挖爆破是整個施工過程的關鍵環節，其效果好壞決定了隧道的施工質量、進度和效益，乃至決定著整個項目何時通車運營。因此在隧道施工中，爆破開挖采用兩臺阿特拉斯BOOMERXL3D型三臂巖機鉆孔，根據隧道圍巖條件，采用預留光爆層水壓爆破技術，嚴格控制超欠挖，減少對圍巖擾動，降低爆破開挖的粉塵濃度，改善洞內施工環境等一系列措施的應用，是項目管理的關鍵環節。

3.2 總體施工工藝

本隧道Ⅲ級圍巖采用全斷面法施工，在掌子面圍巖完整性較好、自承能力較強地段，為了給周邊眼的爆破創造更多的臨空面，在開挖過程中采用了預留光爆層分次光面爆破法。即第一循環爆破時周邊眼不爆破，只起爆掏槽眼、輔助眼和底眼;第二循環爆破時上循環的周邊眼和本循環掏槽眼同時起爆。這樣使周邊眼爆破時沿隧道縱向增加了一個臨空面，更好的提高光爆效果。

在爆破過程中采用水壓爆破技術，施工現場配備了水袋機和炮泥機，按工藝要求加工水袋和堵塞炮泥。裝藥時在孔底和孔口放置1～2個水袋，炮泥封口，以降低粉塵濃度，改善洞內環境[5]。

3.3 施工方法

3.3.1 炮眼布置及鉆孔要求

隧道Ⅲ級圍巖斷面開挖面積86.65 m2，布置炮眼184個。鉆孔前，測量人員在掌子面精確放樣各炮眼位置并做好標記，鉆孔時按放樣位置施鉆。鉆眼應符合下列要求：

第一，掏槽眼。嚴格遵循設計深度和角度標準開展作業，在5 cm內控制眼口排距與行距偏差。

第二，輔助眼。嚴格遵循設計深度和角度標準開展作業，在5 cm內控制眼口排距與行距偏差。

第三，周邊眼。在設計斷面輪廓線上，針對開眼位置可以調整輪廓線，并在5 cm內控制偏差;炮眼眼底與開挖斷面輪廓線相比不能超出15 cm，盡量控制在10 cm內，外斜率要控制在50 mm/m。

第四，應在5 cm范圍內控制內圈炮眼至周邊眼的排距偏差。

第五，按炮眼布置圖，在完成鉆眼后開展檢查并詳細記錄相關數據，遇到不滿足規定的炮眼時應重鉆，待檢查完全符合后即可裝藥實施起爆。

第六，裝藥前需要使用吹洗干凈炮眼內的石粉與泥漿。所有裝藥的炮眼均應堵塞炮泥，確保堵塞質量完好。

3.3.2 預留光爆層厚度的計算

在光面爆破中，光爆層的厚度即為最小抵抗線。利用馬芹永學者給出的公式，將圖1數據代入公式W=Q/C×a×Lb，其中Q為單孔裝藥量，取1.35kg;C為爆破系數，相當于炸藥單耗值，取1.2 kg/m3;a為孔距，取0.45 m;Lb為炮孔深度，取4.3 m。

計算得w=1.35/0.45×4.3=0.5

在本公式中，W應根據巖石性質及地質條件加以調整，經多次試驗，實際取值0.65 m。

3.3.3 起爆順序

第一循環只起爆掏槽眼、輔助眼和底板眼，預留周邊65 cm的光爆層。使用毫秒雷管微差起爆，起爆順序及連線如圖1。

第二循環周邊眼和掏槽眼連均用1段雷管，使用預留的光爆層和本循環掏槽眼同時起爆，起爆順序及連線如圖2。

3.3.4 裝藥結構

利用三臂臺車鉆孔速度快，孔深長的優勢，采用二級楔形掏槽方式，炮眼長度350～500 cm。裝藥結構周邊眼間隔裝藥，間隔裝藥時將藥卷綁在竹片上（如圖3），其他炮眼連續裝藥。炮眼孔徑45 mm，藥卷為Φ35×200 mm乳化炸藥、炮泥直徑35 mm，水袋用聚乙烯塑料制作，厚0.8 mm、長200 mm、直徑35 mm（如圖4）。

在裝藥過程中應注意以下：第一，施工時經常發生輔助眼炮孔內裝藥質量及連線均完好，但炮孔殘藥較多。經多次試驗在掏槽眼起爆藥包前的一級掏槽30 cm、二級掏槽60 cm長度內采用耦合裝藥，加大眼底的起爆力度，給輔助眼形成較大的臨空面，取得了較好的爆破效果。第二，孔口炮泥的堵塞質量要保證，否則孔口水袋在爆破瞬間將射出炮孔。未形成水霧，起不到降塵效果[6]。

4 應用成果

在施工中運用以上方法，經過多個循環的統計，每茬炮平均進尺達到3.87 m，周邊輪廓圓順，炮眼殘留率達到85%，線性超挖控制在12 cm以內。同時，通過采樣點的觀測洞內爆破后空氣中可吸入物顆粒（PM10）及總懸浮粒物（TSP）含量均有明顯下降，縮短通風排煙時間10 min，加快了施工進度30%，并且在Ⅲ級圍巖中月施工進度達到了160 m以上。

5 結論

本文結合工程實例，通過對高速公路隧道中預留光爆層水壓爆破技術的應用研究，得出了以下結論：

預留光爆層水壓爆破技術應用在隧道工程中，能更加精確的起爆周邊孔，以此來促使相鄰炮孔間形成貫穿裂縫，取得較為顯著的光面爆破效果;另外，通過對光爆層厚度的合理選擇，能最大程度降低炸藥沖擊波破壞內壁的情況，運用新自由面反射拉伸波切向拉伸光爆層巖體，從而減少超挖量，為光爆效果提供了充足保障。

在工程開展中運用預留光爆層水壓爆破技術，能減少巖石在周圍孔起爆時的堆積現象，降低炸藥的單耗，并且夾制作用較小，自由面相對增大，大幅度降低了破壞周圍巖體與爆破振動的程度。

在工程開展中應用周邊孔內水壓爆破方法，通過高溫高壓下產生的水霧化對爆破中粉塵顆粒予以的潤濕吸附，可以起到明顯的降塵效果和作用，實現了對人工作業環境的有效改善。

參考文獻

[1] 謝全敏，殷建強，楊文東.基于Hoek-Brown方程的邊坡光面爆破參數設計方法[J].中國鐵道科學，2017，38（2）：1-5.

[2] 王軍.聚能水壓光面爆破技術在崤山隧道施工中的應用研究[J].鐵道建筑技術，2017（5）：81-84.

[3] 沈顯才.地鐵暗挖隧道聚能水壓光面爆破新技術應用分析[J].鐵道建筑技術，2017（5）：102-105+123.

[4] 劉海波，白宗河，劉學攀，等.隧道掘進聚能水壓光面爆破新技術與應用[J].工程爆破，2017，23（1）：81-84.

[5] 馬芹永.光面爆破炮眼間距及光面層厚度的確定[J].巖石力學與工程學報，1997，1（6）：590-594.

[6] 張繼春，潘強，鄭爽英，等.特大斷面公路隧道的光面爆破技術研究[J].爆破，2018，35（4）：52-57.FE2EA4C7-3244-48AE-9847-AEA3170429DE