泥質砂巖高鐵隧道光面爆破施工關鍵技術

康大偉KANG Da-wei

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030000）

1 工程概況

趙卜峪隧道位于山西省晉中市榆社縣云竹鎮狐家溝村北側境內，全長2893m，最大埋深120.80m，隧道圍巖主要以弱風化泥質砂巖和泥巖為主，巖體較為破碎，巖質較軟。其中Ⅲ級圍巖100m，占3.45%，Ⅳ級圍巖1141.5m，占39.45%，Ⅴ級圍巖192m，占6.64%。開挖方法主要采用三臺階法和三臺階臨時仰拱法。

2 鉆爆設計與優化

2.1 初始上臺階鉆爆設計

共計98 個炮眼，其中：41 個周邊眼，間距45cm；26 個掏槽眼，間距45～65cm；8 個底板眼（又為抬炮眼），間距150cm；23 個輔助眼，間距75～90cm（其中輔助壓炮眼15個）。

2.2 初始中臺階爆破設計

共計28 個炮眼。包括：10 個周邊眼，間距60～65cm；8個底板眼（又為抬炮眼），間距200cm；10 個輔助眼，間距85～200cm。

2.3 初始下臺階爆破設計

共計24 個炮眼。包括：8 個周邊眼，間距60cm；8 個底板眼（又為抬炮眼），間距170cm；8 個輔助眼，間距170cm。

2.4 Ⅳ級圍巖鉆爆技術參數（見表1）

表1 初始Ⅳ級圍巖鉆爆技術參數表

2.5 光爆參數優化

整個光爆實施過程對爆破參數經歷多次細節調整，大致可分為最初措施、初步調整及技術改進三個階段，見表2。

表2 Ⅳ級圍巖光爆實施過程爆破參數調整表

3 開挖工法

3.1 地質條件

趙卜峪隧道進口址區地層以三疊系中統二馬營組第二亞組泥巖、泥質砂巖為主，為弱風化，泥質結構，層狀構造。受褶皺和斷層構造影響，巖體較破碎，裂隙較發育，多呈微張～張開狀，部分裂隙夾泥且賦存地下水，開挖后松弛掉塊、順層滑塌現象突出。隧道施工中超欠挖控制是施工難點。

3.2 設計開挖工法

Ⅴ級圍巖開挖斷面143.5m2，開挖斷面高度10.7m，設計開挖工法為三臺階臨時仰拱法，Ⅳ級圍巖開挖斷面138.7m2，開挖斷面高度10.3m，設計開挖工法為三臺階開挖法。

3.3 工法優化

結合隧道地質條件進行光面爆破控制技術的深入研究，目的除了控制超挖、確保開挖輪廓圓順外，主要是提高爆破效果從而提升隧道整體施工進度、降低施工成本。施工過程中應根據圍巖整體穩定性動態優化施工工法。

Ⅴ級圍巖地質條件下，圍巖破碎，整體穩定性差，應控制循環開挖進尺，減小上臺階臨空面。綜合考慮大型機械作業和楔形掏槽進尺要求，循環開挖進尺0.6～1.2m，上臺階開挖高度為4m，中臺階高度3.5m，下臺階3.2m。

Ⅳ級圍巖地質條件下，圍巖整體穩定性相對較好，應通過調整掏槽眼深度加大循環開挖進尺，提高爆破效率。上臺階開挖高度優化為5m，中臺階高度3.2m，下臺階高度2.1m，循環開挖進尺可達3～3.5m。

地質條件整體穩定性滿足的前提下，為更好地控制周邊眼外插角角度，初期支護與開挖掌子面應錯開一段距離，約1.5m，最大程度減少因外插角造成的超挖。

4 光爆設計參數優化

上臺階采用楔形掏槽方式，內圈眼與周邊眼間距80cm（即抵抗線為80cm），上中下臺階的周邊眼間距為30～35cm。周邊眼裝藥方式：除去每個臺階拱腳處4～5 個炮眼，其余均采用導爆索+0.1kg 炸藥及導爆索+0.2kg炸藥間隔裝藥的方式，周邊眼外插角為2°左右。上中下臺階所有的炮眼均要使用炮泥封堵密實。

當圍巖自穩能力滿足安全的情況下，每個循環噴射砼后，初期支護與掌子面預留1.5m 的空間，利于控制起鉆眼的外插角。

4.1 上臺階光爆設計

共計114 個炮眼，包括53 個（1～53）周邊眼，間距35cm，周邊眼1 和53 為抬炮眼；26 個掏槽眼（73～98），間距45～65cm；8 個（103～110）底板眼（又為抬炮眼），間距150cm；27 個（54～72，99～102）輔助眼，間距75～90cm，54～68 為輔助壓炮眼，54～62 又為內圈眼。其中63-1，68-1，72-1，99-1 這四個輔助眼根據圍巖的好壞增加或減少。

上臺階光爆炮眼布置見圖1，上臺階掏槽眼布置平面剖圖見圖2，上臺階周邊眼反向裝藥結構圖見圖3，上臺階掏槽眼及輔助眼反向裝藥結構圖見圖4，Ⅳ級圍巖鉆爆技術參數見表3。

圖1 IV 級圍巖上臺階光爆炮眼布置圖

圖2 上臺階掏槽眼布置平面剖圖（進尺3m）

圖3 上臺階周邊眼反向裝藥結構圖

圖4 上臺階掏槽眼及輔助眼反向裝藥結構圖

表3 適合本隧道Ⅳ級泥質砂巖的光爆技術參數表

4.2 中臺階爆破設計

共計36 個炮眼，包括18 個（1～18）周邊眼，間距35cm，周邊眼1 和18 為抬炮眼；8 個（29～36）底板眼（又為抬炮眼），間距200cm；10 個（19～28）輔助眼，間距85～200cm，見圖5。

圖5 IV 級圍巖中臺階爆破炮眼布置圖

4.3 下臺階爆破設計

共計30 個炮眼，包括14 個（1～14）周邊眼，間距35cm，周邊眼1 和14 為抬炮眼；8 個（23～30）底板眼（又為抬炮眼），間距172cm；8 個（15～22）輔助眼，間距172cm，見圖6。

圖6 IV 級圍巖下臺階爆破炮眼布置圖

4.4 爆破連線設計

上臺階分為4 個部分，各部分每個炮眼的毫秒管綁扎到一起連接到一個電雷管上，且每個周邊眼的導爆索都串聯到一起。中臺階分為2 個部分，下臺階分為2 個部分，各部分每個炮眼的毫秒管綁扎到一起連接到一個電雷管上，且每個周邊眼的導爆索都串聯到一起。最后兩個電雷管并聯到引爆線上，采用起爆器引爆。起爆方法為電力爆破。

4.5 光爆技術參數（見表3）

5 優化效果

5.1 光爆效果

按照上述鉆爆方案進行施工，超欠挖得到了明顯控制，平均循環進尺達3.0m，上臺階炮眼殘留率最高達到30%，噴射砼超耗系數降低，縮短了工序作業時間。改變方案前后的爆破效果對比見表4、表5。

表4 改進方案前的爆破效果（進尺3m）

表5 改進方案后的爆破效果（進尺3m）

5.2 采用光爆方案前后經濟對比分析

①優化爆破方案前每個循環線性平均超挖為20～30cm，噴射砼超耗為120%～130%；優化爆破方案后每循環平均線性超挖為8～18cm，噴射砼超耗為80%～90%，平均超挖減小12cm，超耗降低40%。每延米設計方量7.15m3，噴射砼單價370 元/m3，隧道延米噴射混凝土超耗成本降低1058 元。②爆破方案優化前炸藥單耗量為0.59m2/kg～0.67m2/kg；改進方案后周邊眼數量增加，但單孔裝藥量減小，循環總裝藥量減少，每個循環裝藥單耗量為0.55m2/kg～0.62m2/kg，采用炮泥封堵，保證了爆破效果，且有效地控制了超挖。③改進措施前由于爆破后超挖較大，噴射砼方量較多，超耗率較大，導致噴射砼單工序時間在8.0～9.5h 之間，每個循環的施工時間為22～24h。改進措施后超欠挖得到有效的控制，噴射砼超耗率降低，從而使噴射砼單工序時間降為6～7h，循環作業時間為18～20h，循環時間加快3～4h，大大加快了施工進度，降低了成本，提高了效益。

6 結束語

①專家指導，方案先行。隧道進洞之初，公司應安排內部專家進駐現場指導，通過多循環試驗，優化確定爆破方案，使現場人員通過實際案例學習爆破參數調整的技術精髓。②團隊建設，人才培養。通過專家現場指導、參加學習培訓和自主學習等方式培養公司內部專業人才，如地質能手、爆破技術能手等。③經濟激勵，嚴格考核。確定適合本隧道的爆破方案后，嚴格方案執行力度，每循環通過線型超挖值進行考核，重獎輕罰，鼓勵一線工人鉆研鉆爆技術的積極性，大幅降低噴砼超耗，縮短工序時間。④重視隧底超挖控制。大斷面隧道建議增加一臺挖掘機，可安裝破碎錘，仰拱爆破嚴格控制鉆眼深度和裝藥量，局部欠挖采用破碎錘鑿除，避免大藥量和超鉆造成隧底虛渣清理后的嚴重超挖。