光面爆破技術在鎮廣高速秦家嶺隧道中的應用

李 鈺

（四川路航建設工程有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

鉆爆法作為隧道開挖的首選方式，具有成本低、進度快、可靠性高的優點。然而使用傳統的爆破隧道開挖技術，容易出現超挖和欠挖的現象，使得隧道開挖斷面凹凸不平，并對隧道圍巖產生較大擾動和破壞，因此，目前在隧道開挖的過程中使用較多的是光面爆破技術。

隧道光面爆破技術[1-2]是指通過合理的孔網參數設計和起爆方式，使得隧道輪廓線較為光滑和完整。由于是通過分段間隔裝藥的方式，使炸藥爆炸的能量和沖擊力在炮孔內壁分布較為均勻，因此在減小爆破震動的同時，也減少了對周圍圍巖的損害，使得圍巖在爆破施工后仍具有很強的穩定性[3-5]，有利于后續斷面的施工和操作。本文以鎮廣高速秦家嶺隧道工程為背景，研究在該地質條件下隧道的合理孔網參數和起爆方式，以減小和控制隧道斷面的超欠挖，提高隧道圍巖的穩定性，加快后續施工環節的進度，進而減小隧道施工的時間，節約工程成本。

1 工程背景

秦家嶺隧道是鎮廣高速的核心區間之一，秦家嶺隧道處于大巴山—米倉山南麓，區域內構造較為復雜，隧址區分布地層巖性以紫紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖等軟質巖為主，部分段見灰白色中厚—厚層狀細砂巖，巖體裂隙發育，早期應力多已釋放。巖層傾角較陡，巖體發育有豎向裂隙且自穩性較差，部分巖體裂面不平直，略有彎曲且有泥質充填。隧道圍巖大多屬于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，局部區段屬于Ⅲ級圍巖，巖石單軸抗壓強度大致為30MPa。隧道周邊200m 范圍內無建（構）筑物和地下管線。

按照非光面爆破方法進行施工，雖然每次爆破施工循環作業的單次進尺滿足需要，但由于單次起爆藥量大，裝藥方式不合理，且使用耦合裝藥方式，過多的能量被用來粉碎炮孔周圍的巖體，炸藥能量利用率低，使得周圍巖體爆破震動過大，對工程結構的安全性和穩定性產生危害。并且爆后隧道的輪廓面不光滑平順，隧道斷面輪廓線凹凸不平（圖1），超欠挖現象非常嚴重，單次爆破循環的平均超欠挖達到了20～25cm，遠遠高于隧道輪廓線規定的平均標準15cm。由于該隧道巖石強度高，對炮孔底部的夾制作用強，爆炸能量大部分集中在孔底，使得炮孔底部的破碎較為明顯，因此炮孔的利用率和半孔率較低。

圖1 原方案爆后效果圖

2 爆破參數分析

2.1 爆破設計相關公式

由于設計隧道斷面面積較大，屬于大斷面隧道，因此采用臺階爆破法開挖。原方案對周邊孔采用非光面爆破的方式，即對周邊孔采取連續線裝藥的方式，周邊孔鉆孔徑為40mm，設計孔深約為3.7m，沿著隧道輪廓線外插約為10cm，按照堵塞長度為40cm 來計算，實際周邊孔裝藥長度約為330cm，裝藥質量約為3.3kg，線裝藥密度達到了0.33kg/m。但由于周邊孔與外圈掘進孔之間的排距不合理，最小抵抗線在1m 左右，導致周邊孔與外圈掘進孔之間的炸藥單耗較小，且炸藥能量集中，因此起爆后對周邊孔的破壞較大。并且原方案采用導爆管雷管延時起爆的方式進行引爆，導爆管雷管起爆的延時時間存在一定的誤差（15 段雷管毫秒延時誤差可達50～100ms），使得炮孔之間的起爆順序并非按照設定的段別進行起爆，容易在起爆時出現抵抗線小于設計抵抗線的情況，可能會產生不合理的自由面，影響后面炮孔的爆破效果，使得炸藥能量整體分布不均，導致爆破掌子面和輪廓線凹凸不平。最后，通過對原方案起爆后爆破效果的分析，以及對掌子面和炮孔的觀察發現，掌子面凹凸不平，不平整度達到了30cm，殘孔深度深淺不一，周邊孔炮孔外插過大，說明炮孔之間偏差較大，且鉆孔深度不一。導致爆破后平均超挖過大，初期支護的實際噴射混凝土量約為設計值的2倍以上，即超噴率超過100%。

為有效解決以上問題，需要用光面爆破法進行爆破設計。根據現場實際情況，選用38mm 的鉆頭，鉆孔直徑為40mm，選用炸藥種類為2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32mm，單卷藥量為300g，長度為300mm。

（1）由于隧道開挖爆破只有一個臨空面，因此需要設置掏槽眼擴大自由面，而斜眼掏槽因其良好的效果被廣泛使用，其中斜眼掏槽孔的長度由下式確定：

式中：L——掏槽眼的鉆孔長度；

B——開挖斷面的寬度，斜眼掏槽孔與隧道斷面的夾角由巖性和進尺深度來確定。

由于隧道圍巖大多屬于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，屬于中等硬度巖石，在隧道開挖爆破作業中，掏槽孔的裝藥量最大，炸藥單耗最高，如果采用單級掏槽會產生較大的爆破震動，因此采用二級斜眼掏槽。經過現場反復爆破試驗，以及對爆后爆破效果的總結分析，得出單次爆破循環最佳進尺為3.5m。此時一級斜眼掏槽孔的深度約為3.9m，與隧道掌子面的夾角為45°，二級斜眼掏槽孔的孔深約為4.8m，與隧道掌子面的夾角為55°，同一級的掏槽眼的孔底間距均為20cm。

（2）炸藥采用不耦合裝藥，裝藥方式為空氣間隔裝藥，在不耦合裝藥作用下，炸藥爆炸后的壓力均勻分散在炮孔中，一般小于所爆巖石的極限抗壓強度而大于極限抗拉強度，因此隧道周邊孔的間距可采用以下公式計算：

式中：E——周邊孔的孔距，cm；

K——周邊孔的密集系數；

d——炮孔直徑，mm；

W——光爆層厚度（即周邊孔抵抗線）。

對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖等中等硬度巖石，一般周邊孔的密集系數K取0.8，炮眼間距E取50～75cm，氣即光爆層厚度W取60～80cm，裝藥線密度一般為0.12～0.2kg/m，由于現場巖石屬于中強度巖石，因此線裝藥密度取0.15kg/m，經過現場爆破試驗，當光爆層厚度W取為65cm，周邊孔孔間距取為50cm時，爆破效果最佳。

（3）炸藥單耗q。隧道掘進爆破的炸藥單耗主要與巖性和開挖斷面積有關，由下式給出：

式中：q——炸藥單耗，kg/m3；

f——巖石普氏系數；

k0——考慮炸藥做功能力的修正系數；

s——開挖斷面積，m2。

按（3）式計算得q=1.10～1.70kg/m3。設計時，按1.5kg/m3選取。

（4）單循環裝藥量Q。按照一次爆破的巖體體積計算單循環爆破的裝藥量[8]

式中：η——炮孔利用率，一般取0.80～0.95。

對之前爆破效果分析發現，單次循環爆破進尺長度均能達到預定的進尺長度，且沒有較大的塊體產生，說明之前爆破擴槽孔以及掘進孔的打孔位置以及孔網參數較為合理，能夠滿足進尺要求，只是打孔精度和鉆孔質量需要提高，因此周邊孔、外圈掘進孔以及掏槽孔孔網參數需要調整，其余孔網參數可按照之前的方式布置。

2.2 光面爆破參數設計

2.2.1 掌子面孔網參數

根據上述設計公式以及借鑒之前爆破孔網參數，可得光面爆破布孔方式。由于隧道直徑長度為13.13m，單次進尺為3.5m，進尺長度較大，為減小對圍巖和初期支護的擾動，采用二級復式斜眼掏槽孔，一級斜眼掏槽孔的深度約為3.9m，與隧道掌子面的夾角為45°，二級斜眼掏槽孔的孔深約為4.8m，與隧道掌子面的夾角為55°，一級掏槽孔設置為4對，孔距為45cm，二級掏槽孔設置為6對，孔距為55cm，兩排炮孔的孔口距離為30cm。擴槽孔與二級掏槽孔孔口距為65cm，與掌子面的夾角約為62°。兩排掘進孔之間孔口距均為70cm，與掌子面之間夾角分別為70°與80°。光爆層厚度為65cm，周邊孔孔距：除靠近底板孔的間距為30cm外，其余孔間距均取為50cm。

2.2.2 裝藥密度和堵塞長度

除周邊孔外，其余炮孔均采用連續線裝藥的方式，所使用藥卷長度為300mm，一級掏槽孔裝藥長度為2.1m，堵塞長度約為1.2m。二級掏槽孔裝藥長度為2.4m，堵塞長度為2.4m。其余炮孔（非周邊孔）堵塞長度約為1.3m，剩余炮孔長度進行連續線裝藥。周邊孔采用空氣間隔裝藥，間隔距離為50cm，裝藥密度為0.15kg/m，周邊孔各炮孔之間使用導爆索進行T 型連接，使用雷管同時起爆。

2.2.3 起爆網路設計

根據隧道臺階爆破設計要求，掏槽孔需最先起爆，因此在滿足震動要求的前提下，一級和二級掏槽孔起爆段分別設置為毫秒1段和3段，擴槽孔、掘進孔I和掘進孔II分別設置為毫秒5段、7段和9段。外圈掘進孔與底板孔設置為毫秒13段，該段起爆后能確保自由面平行于周邊孔，提高光面爆破效果。周邊孔采用15段雷管最后起爆，周邊孔之間必須使用導爆索連接，以保證能夠同時起爆。

3 爆破效果分析

采用隧道光面爆破方案進行開挖，并不斷對光面爆破參數進行優化，取得了良好的爆破效果。

（1）在保證單次爆破循環進尺的條件下，隧道輪廓面凹凸不平的情況得到了明顯的改善。輪廓面整體的不平整度基本控制在15cm 以下，超挖欠挖的現象明顯減小。

（2）炮孔的利用率高，基本能達到95%，隧道掌子面較為光滑平整，沒有出現欠挖的現象。周邊孔的半孔率達到了85%，并且由于對周邊孔采用空氣間隔裝藥的方式，因此對圍巖的擾動大幅度減小。通過對爆破后圍巖變形的監測分析，圍巖的收斂變形量小于所給的設計安全值，爆破后沒有出現掉塊落塊的現象，充分保證了圍巖的自身強度，使得圍巖能夠依靠自身的承載維持穩定（圖2），使初期支護不再緊跟掌子面，極大地增加了下一爆破循環的鉆孔作業面，使得鉆孔精度和鉆孔質量能夠得到提高，加快了施工進度，有效地提高了施工效率。

圖2 光面爆破的效果

4 結束語

綜上所述，采用光面爆破能夠有效地解決隧道爆破的超欠挖問題，使得隧道輪廓面不平整度由20～25cm降到了15cm 以下，減少了隧道初期支護的噴射混凝土用量，節省了工程成本，加快了施工速度；在光面爆破中采用空氣間隔裝藥，使得炸藥爆炸時壓力能夠均勻分布在炮孔壁上，提高了炮孔的半孔率，減少了炸藥爆炸對圍巖的擾動，使圍巖能夠依靠自身的強度維持穩定性，加快下一個爆破循環鉆孔作業的進度；采用光面爆破能使單次爆破循環進尺達到3.5m，并且能夠減小大塊碎石的產生，爆破產生的碎石塊度合理，易于清理和轉運，為下一個隧道作業的循環提供了時間，能夠提高施工效率和加快施工進度，值得在隧道施工中大面積推廣和應用。