復雜地質條件下隧道爆破工藝優化

肖武寧XIAO Wu-ning；李學鋒LI Xue-feng；楊一豪YANG Yi-hao；黃緒興HUANG Xu-xing；段善達DUAN Shan-da

（廣西大學資源環境與材料學院，南寧 530004）

0 引言

在當今社會，城市基礎設施建設日新月異，隧道工程在交通、水利、能源等領域的應用日益廣泛。然而，復雜地質條件如斷層、軟巖、涌水等，常常對隧道爆破施工形成巨大挑戰。因此，如何在復雜地質條件下優化隧道爆破工藝，提高施工效率，確保工程安全，成為當前研究的熱點問題[1-5]。本文以東風路隧道爆破施工為例，探討復雜地質條件下隧道爆破工藝的優化策略，為同類項目提供借鑒與參考。

東風路隧道項目地質復雜多變，施工難度大。傳統的爆破工藝往往難以適應這種多變的地質環境，導致施工進度受阻，甚至引發安全事故[6]。因此，本文旨在通過分析東風路隧道的地質特點，爆破理論與實地實踐經驗相結合。對爆破工藝提出針對性優化方案。以期在確保工程安全的前提下，提高施工效率，降低工程成本，為類似工程提供有益的參考。

1 工程概況及爆破工藝

1.1 工程概況

東風路（建設路-銀嶺路）項目位于南寧市五象新區，設計起點位于與現狀建設路交叉口邊緣，東風路隧道穿越五象嶺公園，起點位于建設路一側，終點位于東風南路一側，起止樁號為K0+344～K0+924，全長580m，為雙洞小凈距隧道，凈距11.5m，隧道凈空為13.5×5m。隧道內設置1處人行通道。隧道由進口向出口方向為上坡、最大坡率3.38%。起點洞口位置左側略有起伏，右側地勢平坦。隧道出口地形相對陡峭。最大埋深78m。隧道一覽表及東風路隧道標準斷面圖如表1 和圖1。

圖1 東風路隧道標準斷面

表1 隧道一覽表

1.2 原有爆破工藝

東風路隧道工程位于五象嶺公園內，面臨著復雜多變的地質條件，如斷層、軟巖、涌水等，這使得隧道爆破施工成為一個技術性和挑戰性并存的任務。原爆破工藝主要采用了淺孔爆破法，該方法在一般地質條件下具有較好的效果，但在東風路隧道的復雜地質環境下，其局限性顯得尤為突出。首先，淺孔爆破法對于軟巖和斷層等軟弱地層的適應性較差，容易導致超挖和欠挖現象，對隧道施工質量和進度造成嚴重影響。其次，原爆破工藝中的炮孔直徑、孔距和裝藥量等關鍵參數的設計主要依賴于經驗公式和現場試驗，缺乏針對性和精確性。

2 隧道爆破工藝優化

2.1 隧道爆破施工要求

在東風路隧道爆破施工中，采用2 號巖石乳化炸藥和數碼電子雷管起爆系統，對數碼電子雷管采用并聯方式進行組網，雷管通過快速線夾與通訊母線進行快速連接，使用終端控制器進行起爆。這不僅確保了施工的高效率，也大大增強了施工的安全性。為了確保爆破效果達到最佳，并減少對周圍巖體的擾動，爆破參數，我們做了精心的選擇。

2.1.1 爆破參數的選擇

選擇爆破與爆破效果和施工安全直接相關。經過對東風路隧道地質條件的詳細分析，結合現場實際情況和多年的施工經驗，制定了爆破參數表如表2。

表2 爆破參數表

在東風路隧道爆破施工中，根據巖石的種類和硬度，選擇了合適的炮眼間距（E）和最小抵抗線（W），以確保炸藥能量能夠充分釋放并達到預期的爆破效果。同時，還通過調整裝藥集中度（q），實現了炸藥能量的均勻分布，避免了能量的浪費和對周圍巖體的過度擾動。

2.1.2 裝藥結構及堵塞方式

①周邊眼裝藥結構：對周邊眼，則采取連裝結構。確保炸藥在炮孔內均勻分布。這種裝藥方式有助于提高爆破的均勻性和效果，減少超挖和欠挖現象。

②掏槽眼裝藥結構：掏槽眼是爆破施工中的關鍵部分，采取分段裝藥結構，提高了炸藥利用率，提高了爆破作用。通過合理控制各段炸藥的裝藥量和引爆時間，實現了對巖石的有效破碎和拋出。

③其他眼裝藥結構：對于其他炮眼，根據巖石的發育的節理，選擇了適宜的裝藥結構及投放量。同時，還采用了適當的堵塞方式和堵塞材料，確保炸藥在炮孔內的穩定性，防止炸藥在爆破過程中的泄露和早爆現象。

2.2 隧道爆破參數設計

在東風路隧道這種復雜地質條件下的爆破施工中，合理設計爆破參數是至關重要的。爆破參數設計不僅影響爆破效果，還直接關系到施工的安全性和效率[8]。因此，根據東風路隧道的地質特性、施工要求以及炸藥性能等因素，進行了細致的爆破參數設計。

2.2.1 周邊眼的設計

周邊眼的設計是隧道爆破中至關重要的一環。其參數的選擇直接影響到隧道的成形質量和安全。

裝藥不耦合系數B 是指炮孔直徑與炸藥直徑之比。在東風路隧道爆破施工中，根據巖石的硬度和節理發育情況，選擇了適當的裝藥不耦合系數B=1.5。已知炮孔直徑為32mm，則炸藥的直徑D 可以通過以下公式計算：

D=炮孔直徑/B

D=32mm/1.5≈21.3mm

因此，選用了直徑為21.3mm 的炸藥進行裝藥。

周邊眼間距E 和最小抵抗線W 的選擇對于控制爆破效果至關重要。經過計算和分析，確定了E=45cm 和W=60cm。這一選擇既保證了炸藥能量的充分利用，又避免了對周圍巖體的過度擾動。

周邊眼的裝藥量直接影響爆破效果和隧道的成形質量。根據東風路隧道的地質條件和炸藥性能，計算了周邊眼的裝藥量。具體計算過程如下：

裝藥量=炮孔體積×裝藥集中度

裝藥量=（π×（炮孔直徑/2）^2×炮孔深度）×裝藥集中度

裝藥量=（π×（32mm/2）^2×炮孔深度）×0.1kg/m3

炮孔深度為2m，則：

裝藥量=（π×16^2×2）×0.1≈1.6kg

因此，每個周邊眼的裝藥量約為1.6kg。

周邊眼的數量應根據隧道的斷面形狀和尺寸進行確定。在東風路隧道爆破施工中，根據隧道的實際尺寸和形狀，計算了周邊眼的數量。具體計算過程如下：

周邊眼數量=隧道周長/周邊眼間距周邊眼數量=π×隧道直徑/E

隧道直徑為6m，則：

周邊眼數量=π×6/45≈4.2

考慮到實際施工的方便和效果，選擇了5 個周邊眼進行布置。

2.2.2 其他炮眼

①計算總裝藥量。

總裝藥量是根據隧道的斷面面積、巖石性質、炸藥性能等因素綜合確定的。在東風路隧道爆破施工中，計算了總裝藥量以確保隧道開挖的順利進行。具體計算過程如下：

總裝藥量=隧道斷面面積×單位面積裝藥量

總裝藥量=（π×（隧道直徑/2）^2）×單位面積裝藥量

單位面積裝藥量為0.2kg/m2，則：

總裝藥量=（π×3^2）×0.2≈5.7kg

②計算除周邊眼外其他炮眼的平均裝藥量。具體計算過程如下：

平均裝藥量=總裝藥量/（其他炮眼數量）

其他炮眼數量為10 個，則：

平均裝藥量=5.7kg/10≈0.57kg/眼

因此，除周邊眼外其他炮眼的平均裝藥量約為0.57kg/眼。

2.2.3 上臺階掏槽眼的設計

掏槽眼設置在距離上臺階核心土的上、左、右方各10cm 處，以確保能夠有效破碎核心土并為后續爆破作業創造有利條件。掏槽眼的數量和裝藥量應根據實際情況進行調整和優化，開挖順序及爆破開挖炮孔布置圖示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 單側壁法爆破開挖順序示意圖

圖3 單側壁法爆破開挖炮孔布置圖

2.3 爆破施工工法的優化

在進行東風路隧道的爆破施工時，選擇合適的施工工法至關重要。不同的工法不僅影響施工效率，更直接關系到爆破振動的控制效果和隧道結構的穩定性。不同的施工工法對降低爆破振速具有顯著作用[7]。為了更具體地分析不同工法下的爆破效果，結合表3 和表4 的數據進行深入探討。

表3 不同工法下關鍵質點振速表（cm/s）

表4 不同工法下關鍵質點振速表（cm/s）

表3 展示了不同工法下關鍵質點的振速。從數據中可以明顯看出，全斷面法的振速普遍高于臺階法和單側壁導洞法。具體來說，全斷面法下關鍵點1 的振速為4.8934 cm/s，而臺階法下該點的振速僅為1.7564cm/s，單側壁導洞法則進一步降低至1.1234cm/s。這種趨勢在其他關鍵點也同樣明顯。這表明，通過采用臺階法和單側壁導洞法，可以有效地降低爆破產生的振速，從而減少對周圍巖體的影響。

表4 則展示了不同工法下關鍵質點的位移情況。與振速數據類似，全斷面法下的合位移也是最大的，臺階法次之，單側壁導洞法最小。例如，全斷面法下關鍵點1 的合位移為0.4567mm，而單側壁導洞法下該點的合位移僅為0.1645mm，位移量減少了近三分之二。這說明，通過選擇更為精細的爆破工法，可以顯著減少隧道圍巖的位移，從而提高隧道的穩定性。

綜上所述，通過對不同工法下爆破振速和質點位移的深入分析，在東風路隧道的爆破施工中，單側壁導洞法是最優選擇，在降低爆破振速和減少圍巖位移方面，單側壁導洞法均表現出最佳效果。在實際施工中，應根據具體的地質條件、施工要求和安全標準等因素，綜合考慮選擇最合適的工法，以確保隧道施工的高效性和安全性。

2.4 爆破效果

在東風路隧道爆破施工中，通過合理設計裝藥參數、炮眼布置和施工工法以及掏槽眼策略，實現了對巖石的高效破碎和隧道的精確成形。爆破后，隧道輪廓清晰，巖石破碎均勻，未出現超挖或欠挖現象，證明優化后的爆破工藝有效提升了施工質量和效率。爆破效果如圖4 所示。

圖4 爆破效果圖

3 結語

通過對東風路隧道在復雜地質條件下的爆破施工進行深入研究，我們成功優化了爆破工藝，顯著提高了施工效率和質量。裝藥不耦合系數、炮眼間距、裝藥量等關鍵參數的合理設計，確保了炸藥能量的有效利用和對周圍巖體的最小擾動。此外，上臺階掏槽眼和中下臺階炮眼的設計也充分考慮了地質特性和施工要求，進一步增強了爆破效果。這一研究成果不僅為東風路隧道的順利施工提供了有力支持，也為復雜地質條件下同類工程的爆破建設提供了寶貴的經驗和參考。