層狀圍巖隧道施工爆破與錨固研究

畢征

（廣東龍浩公路橋梁工程有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在施工過程中，遇到層狀圍巖需要進行爆破，并在爆破后進行錨固。主要步驟是：首先，利用現代化技術對爆破位置的數據進行預估分析，通過數據推算出圍巖能夠承受的最大數值，從而得出爆破可能造成的后果和可能產生的影響；其次，在爆破前，根據當地情況與具體數據選擇適當的爆破方式；最后，在實際施工中，根據現場實際調整爆破參數以指導爆破施工。除此之外，還需要對錨固長度以及間距進行確定。

1 層狀圍巖的含義

圍巖就是在隧道等地下工程施工過程中，較為容易受到影響導致其應力狀態出現變化的巖石。層狀圍巖并非某一塊巖石的名稱，而是具有一定范圍的巖石。圍巖是洞室四周圍繞的巖石，洞室可以是人工開鑿的，如各種隧道、地下倉庫等，也可以是天然形成的，如山洞、溶洞等。在地下工程開挖時，層狀圍巖往往不易被打成拱形或圓形，爆破后頂面經常呈平板狀，如不加支護，就常發生彎曲張開，然后逐漸坍塌。因此，對于此類圍巖，應以錨桿為主要的支護手段。

2 層狀圍巖隧道施工爆破

對層狀圍巖隧道進行施工爆破時，需要先對爆破數值進行模擬，隨后根據模擬結果進行爆破相關理論分析。在此過程中，施工人員需要根據以往的爆破經驗進行分析，同時結合層狀圍巖的實際數據進行綜合考量后，實施爆破試驗。在試驗過程中，可以獲得所需要的數據，并應用到爆破項目中。在應用時，需要注意根據具體情況進行調節，確保其對爆破工作的指導作用。

2.1 數值模擬

數值模擬過程能夠對爆破可能發生的情況進行模擬和計算，通過模擬找出爆破過程中可能存在的問題，并有效解決，避免在實際爆破過程中出現相同類型的情況，以此提升實際爆破過程的安全性、可靠性與科學性，確保爆破工作能夠正常進行。數值模擬技術的地位和作用之所以不斷上升，主要是數值模擬技術的計算精度和可靠性都較高，其計算結果已經成為爆破工程進行問題分析的主要依據。數值模擬能夠把計算力學的理論成果、算法轉換為工程實際問題，綜合應用最新的計算機技術、軟件工具、算法以及工程知識。數值模擬的主要作用體現在以下幾個方面：

第一，數據模擬相對于試驗和理論而言更加真實可靠。試驗與理論只能依靠經驗對爆破可能出現的情況進行評估，而數據模擬可以將爆破過程的各項數據直接展示出來[1]。

第二，數值模擬可以更直觀地顯示目前還不容易被觀測到的情況，便于相關人員進行分析，還可以顯示任何試驗都無法看到的情況以及可能會發生的情況。除此之外，部分爆破由于危險性較高或需要花費大量資金導致難以進行試驗，而數據模擬可以有效代替這部分試驗內容。

第三，數據模擬對相關試驗的進一步發展存在推動作用，為爆破制定科學合理的方案，確定爆破的具體過程與最佳位置，為爆破提供了可靠的理論指導。

第四，在實際爆破試驗中進行數值測試需要消耗大量的資金和資源，并且存在較大的危險性。因此，需要進行數值模擬。

2.2 爆破作用分析

在爆破過程中，炸藥爆炸會對周圍的圍巖產生一定的影響，其穩定性會下降，影響的大小與爆破開挖的程度有直接的聯系。因此，在進行爆破時，需要結合數值模擬的情況，選擇適當的爆破方法，確保在不嚴重破壞圍巖穩定性的前提下完成爆破工作。影響炸藥的爆破作用的因素很多，主要有以下幾種：

第一，炸藥性能。炸藥的裝藥密度、爆速、炸藥波阻抗、爆轟壓力、爆炸壓力、爆炸氣體體積以及爆炸能量利用率等因素都會對爆破作用產生影響。爆炸壓力的大小與爆炸氣體的破巖能力直接相關。爆炸應力波在巖體中造成的初始裂紋為爆炸氣體的氣楔作用創造了條件[2]。

第二，巖體特性。巖體特性對爆破作用的影響可以從兩個方面來理解，一是巖體特性對爆炸荷載性質的影響，如巖體特性對爆炸荷載的傳遞效率以及傳遞速度的影響，對爆炸應力波傳播規律的影響，對爆炸氣體壓力作用方式的影響等；二是巖體本身的強度和變形特點對爆破作用的影響。

第三，炸藥與巖石的匹配關系。在耦合裝藥條件下，炸藥與巖石緊密接觸，設爆轟波垂直入射到藥室壁面，則在藥室壁面處產生反射波和透射波，透射波進入巖石，反射波返回藥室中的爆轟產物。如果把入射爆轟波當作壓縮波處理，即采用所謂沖擊波聲學近似假設，則公式為：

當巖石的聲阻抗等于炸藥的聲阻抗時，沒有反射波，稱為阻抗匹配。這表明炸藥傳遞給巖石的能量最多。從應力波觀點看，炸藥的波阻抗應盡可能與所爆破巖石的波阻抗相匹配。因此，波阻抗比R 成為選擇炸藥的重要依據。由于一般工業炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相差較大，要完全匹配是很困難的或不經濟的，而且并非對所有巖石都需要強的應力波。

2.3 爆破參數確定

確定爆破參數需要從以下幾個角度進行：第一，炮眼的大小。炮眼的大小會對所用炸藥的數量、能夠爆破的范圍以及爆破后巖石的平整情況造成一定的干擾。因此，在選擇炮眼的大小時，需要結合爆破位置的實際數據。第二，炮眼的長度。炮眼的長度也會對爆破造成一定的干擾。在確定炮眼的長度時，應依據所需爆破位置巖石的性質、巖石斷面的面積、所使用作業機械的種類、所使用炸藥威力的大小以及操作工人的能力水平等諸多因素。現階段在進行爆破時，一般會選擇較大的炮眼長度，但也要根據上述內容并結合實際進行選擇，確保能夠高質高效的完成作業[3]。第三，炮眼的個數。炮眼數也會對層狀圍巖爆破參數的確定造成干擾。需要考慮到所爆破位置巖石的實際狀況、斷面的大小以及炸藥威力大小等諸多內容，結合實際情況選擇適當的炮眼個數，以保障爆破的質量。在確定炮眼的個數時，需要先對巖石的實際狀況和斷面的大小進行評估，從而初步得出炮眼個數的大概數值，通過數據評估，將數據進一步精確化，不斷結合實際情況進行調節。炮眼的個數也可以按照下列公式進行確定，公式為：

式（3）中：N 為炮眼個數；q 為所用炸藥情況，kg/m3；S為巷道掘進的大小；m 為一個炸藥的具體長度值；η 為炮眼的實際利用情況；a 為裝入的炸藥系數情況；P 為一卷炸藥實際的質量情況。第四，炸藥的使用情況。這里所說的炸藥的使用情況并非完成整個爆破所需的炸藥總數，而是1m3范圍所使用的炸藥數量。計算炸藥數量也有一個公式：

炸藥的使用情況會對爆破所需應用的資金數量、爆破后圍巖的穩定情況、炮眼的利用情況以及整體爆破的效果等諸多內容造成一定的影響。

2.4 爆破參數的調整

在爆破的過程中，應關注鉆入的部位、鉆入的深度、使用炸藥的情況等數據的控制。即便進行了精準控制，也存在較多的易變性，層狀圍巖的實際情況會隨著施工的進行出現細微變化。因此，在爆破時，需要結合隧道內層狀圍巖的實際情況進行實時參數調整，以確保爆破效果不受影響[4]。

2.5 爆破過程中需要注意的事項

在爆破過程中，需要注意以下幾點內容：第一，裝填炸藥和鉆孔工作不應同時進行，盡管同時進行能夠有效減少工作時長，但會產生較大的安全隱患，為避免出現安全事故應按照正常步驟進行。第二，爆破設備處理場所的問題。首先，爆破設備處理場所應該設置在洞外，不應為了方便設置在洞內，且需要距離洞口至少50m。其次，不能在爆破設備處理場所之外的地方進行處理作業。最后，爆破器材加工房必須符合國家有關安全規范的規定。第三，相關工作人員不能穿化纖材質的衣物或使用化纖材質的日常用品。第四，在爆破的過程中，應確保工作人員都不在爆破范圍內，避免對工作人員的生命安全造成威脅。第五，不能在放炮之后立刻裝填炸藥，放炮的次數需要嚴格遵守相關規定。第六，在裝填炸藥之前，需要對周圍支護情況進行檢查，確保其較穩定后再裝填炸藥。第七，爆破點在洞中時，不能使用黑色火藥，以確保爆破的安全性。

3 層狀圍巖隧道施工錨固

3.1 層狀圍巖中錨固的原理

3.1.1 懸吊

懸吊就是將不穩定的部分懸吊在穩定的部分上，尤其是在直接頂較薄，老頂相對牢固的情況下，需要使用錨桿。錨桿能夠將危巖或軟巖部分的重量分攤到自己身上，從而確保其穩定，避免出現坍塌或其他安全事故。錨桿懸吊也存在一定的弊端，主要表現為沒有考慮到圍巖的自承能力，并且被錨固體與原巖體是分開的。

3.1.2 組合梁

組合梁是為解決懸吊的弊端而提出的。組合梁能夠在沒有穩定巖層的情況下使用，主要通過應用錨桿的拉力將層狀地層組合起來，形成組合梁結構進行支護。錨桿存在一定抵抗剪切破壞的能力，利用錨桿的這項能力保障巖層的層間不會出現錯動的情況，以組合的形式，有效提升頂板的穩定性。

3.1.3 減跨

將不穩定的頂板巖層看成支撐在兩幫的疊合梁，將懸吊在老頂上的錨桿作為支點，安裝錨桿就等同于在頂板上設置了一個支點，有效減小頂板的跨度，使頂板巖層的彎曲應力和撓度得到降低，維持了頂板與巖石的穩定性，避免巖石由于各種力的作用出現變形或損壞的情況，提升施工過程的安全性。

3.1.4 圍巖松動圈理論

從國內外大量的測試結果中能夠分析得出，圍巖松動圈在隧道中是普遍存在的。在試驗室相似模型試驗中，通過更改圍巖強度和應力之間互相作用的情況，能夠制造出大小各異的圍巖松動圈，圍巖的狀態特征如大小、強度、性質等能夠影響支護的情況。處于彈塑性狀態的圍巖可以自己保持穩定，但在圍巖出現破碎的情況時，會對支護結構造成一定的影響。圍巖松動圈并非瞬間造成的，想要形成圍巖松動圈需要耗費一定的時間，其主要過程有兩個階段：

第一階段，形成即時松動圈。即時松動圈是圍巖中集中應力超過圍巖瞬時強度形成的，巖石硬時即時松動圈數值高，巖石軟則數值低。

第二階段，這種圍巖松動圈一般出現在支護結構完成后，由于強度下降，導致松動圈不斷擴大，出現最后長時強度狀況下的較為穩定的松動圈數值。

3.2 錨桿參數的確定

3.2.1 長度值

錨桿的長度值是錨固長度值+自由段長度值+外錨段長度值，并應滿足下列要求：

第一，自由段長度值及錨桿錨固段長度應按規定計算。

第二，巖石錨桿相關錨固段的長度值需大于3m，小于45D 和6.5m，或55D 和8m。

第三，位于軟質巖中的預應力錨索，可根據地區經驗確定最大錨固長度。當計算錨固段長度超過上述數值時，應采取改善錨固段的巖體質量、改變錨頭構造或擴大錨固段直徑等技術措施，提高錨固力。

3.2.2 錨桿平均間距確定

一般按照規范的規定和已有的工程經驗確定錨桿的間距范圍，再通過計算確定。比如，錨桿擋墻按《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2002）的規定，錨桿垂直間距不宜小于2.5m，水平間距不宜小于2m，可以設定垂直間距為4m，水平間距為3m 試算，計算通過，間距即可確定。

4 結語

綜上所述，在層狀圍巖隧道爆破時，需要結合隧道的實際情況進行數值模擬、爆破作用分析、爆破參數確定等工作，確保爆破能夠正常且有效進行。在錨固過程中，可以采用組合梁的原理進行錨桿設計。由此可知，無論是爆破還是錨固，都需要結合現場的實際情況，選擇適當的爆破或錨固方式，從而提升施工過程的安全系數，確保施工能夠正常進行。