徐振紅　蓋英志

摘要：硬質(zhì)圍巖隧道的施工，關(guān)鍵工序是開(kāi)挖，控制開(kāi)挖質(zhì)量的關(guān)鍵因素則是光面爆破。影響光面爆破效果的因素很多，本文對(duì)光面爆破的機(jī)理、影響光面爆破效果的主要因素進(jìn)行了分析，并以連云港后云臺(tái)山隧道為例，介紹了控制光面爆破實(shí)例和取得的效果。

關(guān)鍵詞：隧道施工；堅(jiān)硬巖石；光面爆破

一、工程概況

連云港東疏港高速公路是直通連云港市港區(qū)的第一條高速公路，起點(diǎn)為連徐高速公路NK15+460，徑直向東北方向，設(shè)置四座互通并以路塹開(kāi)挖方式過(guò)中云臺(tái)山，先后穿過(guò)后云臺(tái)山隧道和炮臺(tái)頂隧道后進(jìn)入港區(qū)。其中后云臺(tái)山隧道總長(zhǎng)3740m，為特長(zhǎng)隧道，隧道結(jié)構(gòu)型式為分離式雙向六車(chē)道，最大開(kāi)挖斷面高11.44m，寬16.24m。后云臺(tái)山為典型的‘單面山，圍巖級(jí)別85%以上為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，僅各個(gè)洞口存在約15%左右的Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖；巖體多為堅(jiān)硬的淺粒巖和變粒巖，隧道穿越的巖層平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度約100Mpa；地層結(jié)構(gòu)多為厚層結(jié)構(gòu)，完整性較好，相對(duì)較差的地層存在含云母質(zhì)的較軟弱巖層和比較明顯的擦面結(jié)構(gòu)。

二、光面爆破的作用機(jī)理及影響因素

隧道成型技術(shù)的核心是光面爆破技術(shù)。由于鉆爆法施工工藝特點(diǎn)決定了超挖是不可避免的，所以合理的超挖成為施工控制的關(guān)鍵，盡量使炮孔中心與開(kāi)挖輪廓線重合、仰角按炮孔深度適當(dāng)確定，這樣才能達(dá)到光面爆破的效果。

光面爆破首先是選擇爆破方案，其次是鉆孔、爆破、組織管理、測(cè)量放線等。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，影響光面爆破效果的主要因素不是地質(zhì)條件，而是鉆孔技術(shù)，其次是爆破技術(shù)和施工組織管理，這三項(xiàng)影響光面爆破效果達(dá)到82%[ ]。

以下就以連云港后云臺(tái)山隧道為例，分析影響光面爆破效果的各種因素。

（一）爆破方案的選擇

本工程采用預(yù)切割（或預(yù)裂）爆破，周邊眼按設(shè)計(jì)間距鉆孔、裝藥。具體做法是：在設(shè)計(jì)間距內(nèi)加密鉆孔作為空孔，將開(kāi)挖面與圍巖切割；在破碎地層地段，同一炮孔內(nèi)采用微差減震爆破技術(shù)，必要時(shí)采用短進(jìn)尺鉆孔，從總體上提高光面爆破的效果。

（二）鉆孔技術(shù)

①、鉆孔技術(shù)表現(xiàn)在插鉆位置、外插角控制、鉆桿左右向擺動(dòng)的控制等幾個(gè)方面。

鉆頭的正確位置應(yīng)是隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線中心，偏外側(cè)則超挖，偏內(nèi)側(cè)則欠挖。在三車(chē)道隧道最大跨度位置，開(kāi)挖弧長(zhǎng)約為18m。鉆頭位置如平均偏上5cm，則每延米超挖將近1m3。

②、外插角是由于鑿巖機(jī)的外型尺寸所決定的，它是指向孔底的"設(shè)計(jì)位置"，該"設(shè)計(jì)位置"在隧道開(kāi)挖底部端面弧線以外，位于弧線法線上的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)既能使得超挖量最小，又可以為下一循環(huán)開(kāi)挖提供較好的設(shè)置風(fēng)鉆的空間。在正常情況下，外插角在2°左右是可以滿足工藝要求的，所以《公路隧道施工規(guī)范》中給出了允許超挖值：硬巖（Ⅰ級(jí)），拱部平均超挖10cm，最大20cm；中硬、軟巖（Ⅱ~Ⅳ級(jí)），拱部平均超挖15cm，最大25cm；破碎松散巖石（Ⅴ~Ⅵ級(jí)），拱部平均超挖10cm，最大15cm。以開(kāi)挖進(jìn)尺3m為例，仰角每加大1°，則線超挖量約為5cm，每延米增加超挖量約為0.75m3。

鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)按上圖標(biāo)識(shí)的準(zhǔn)確位置進(jìn)行，偏向外側(cè)，會(huì)造成超挖；偏向內(nèi)側(cè)，則會(huì)欠挖，并對(duì)下一個(gè)循環(huán)的鉆孔造成影響，嚴(yán)重時(shí)，還須"扒皮"[2]，以消除欠挖對(duì)支護(hù)的影響。

（三）爆破技術(shù)

爆破技術(shù)首先需要選擇的是雷管和炸藥，其次是裝藥方式和炮孔的封堵。

1、雷管

目前電雷管已經(jīng)發(fā)展為瞬發(fā)電雷管、毫秒延期電雷管、秒延期電雷管、半秒延期電雷管四大系列，隧道爆破中最常用的是毫秒延期電雷管。在爆破設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，毫秒延期在50ms以?xún)?nèi)時(shí)，沖擊波的迭加還是明顯的。目前毫秒延期電雷管的1~7段位間隔時(shí)間在25~40ms之間，需隔段使用，避免沖擊波和振動(dòng)速度的迭加，以避免圍巖過(guò)大擾動(dòng)和保護(hù)初期支護(hù)。

2、炸藥

隧道施工一般均采用硝銨類(lèi)炸藥。硝銨類(lèi)炸藥是以硝酸銨為主要成分，與其他物質(zhì)機(jī)械混合而成的。硝酸銨是爆炸劑，可以作為單質(zhì)炸藥，但其敏感度不穩(wěn)定，而且產(chǎn)生大量有毒氣體。當(dāng)摻入少量烈性炸藥如硝化甘油、TNT和某些易燃物質(zhì)如松脂、木炭、木屑或石蠟等之后，可充分改善其敏感度，增強(qiáng)其爆炸力，并且使用更安全。

連云港后云臺(tái)山隧道爆破選擇的就是2#巖石硝銨炸藥，其特點(diǎn)是：爆炸力適中，使用安全度高，產(chǎn)生有害氣體較少，成本較低。

3、裝藥

爆破效果與裝藥的均勻度有關(guān)，藥卷直徑越小，均勻度越高，施工中一般宜選取小直徑藥卷。有試驗(yàn)資料顯示，不同的裝藥方式對(duì)爆破效果影響也較大，a詳見(jiàn)下表：

連云港后云臺(tái)山隧道實(shí)際施工情況顯示，采用藥卷直徑為32mm、間隔裝藥方式，其光面爆破效果差于藥卷直徑20~25mm、連續(xù)裝藥方式。

4．炮眼需采用炮泥進(jìn)行封堵，以減小爆破凌空面積，增加爆破效能。

4、 組織管理

組織管理的核心是充分認(rèn)識(shí)開(kāi)挖工程的重要性和科學(xué)性，并在此基礎(chǔ)上提高施工人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平和實(shí)際操作能力。"感覺(jué)到了的東西我們不能立刻理解它，只有理解了的東西，才能更深刻地感覺(jué)它"。只有讓現(xiàn)場(chǎng)一線操作人員真正掌握了施工中的關(guān)鍵影響因素，比如外插角的含義、各種炸藥的成分及其特性，才能主動(dòng)去落實(shí)技術(shù)措施。此外，還要從優(yōu)質(zhì)優(yōu)酬方面給以物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì),鼓勵(lì)工人提高施工水平，確保光面爆破施工的有力開(kāi)展。

5、 測(cè)量放線

1.嚴(yán)格控制隧道中線及標(biāo)高。在洞外控制測(cè)量成果的基礎(chǔ)上，利用人行或車(chē)行橫通道對(duì)左右洞進(jìn)行中線和水平的閉合導(dǎo)線測(cè)量，確保測(cè)量精度。

2.采用先進(jìn)儀器，比如利用激光投點(diǎn)，可直接劃出開(kāi)挖輪廓線。

3.周邊眼距離和最小抵抗線，要按不同的石質(zhì)，選取效果較好的參數(shù)。一般情況下，周邊眼距離E，略小于最小抵抗線的距離V，其比例一般是E/V≈0.8。如果V值較大，則圍巖會(huì)受到很大擾動(dòng)，"殘孔"[3]難以保留，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)小型塌方；如果V值太小，爆炸的沖擊力能輕易將外層爆開(kāi)，而相臨周邊眼之間會(huì)留下一道"鼓包"，從而形成了欠挖。

6、 地質(zhì)變化

隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的發(fā)展，受地質(zhì)條件的限制影響光面爆破效果這一因素相對(duì)較小。若缺少先進(jìn)施工技術(shù)措施作為保障，受地質(zhì)條件的影響也是非常大的。應(yīng)對(duì)地質(zhì)變化的技術(shù)措施，主要有以下兩個(gè)方面：

1.通過(guò)觀察、分析，預(yù)測(cè)控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的位置。

巖石的構(gòu)造面是不規(guī)則的、成立體狀分布在巖體中，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，某條結(jié)構(gòu)面會(huì)在某一部位率先被揭露，借助巖層的產(chǎn)狀要素等，就可以推測(cè)關(guān)鍵部位遇到控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的里程（見(jiàn)下圖）。比如當(dāng)控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面在隧道下部首先被揭露，則可通過(guò)巖層走向、傾向和傾角，推算該結(jié)構(gòu)面在拱部出現(xiàn)的里程；當(dāng)控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面自拱部首先被揭露時(shí)，要特別注意，因?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)的進(jìn)尺，為3m左右，即使是較嚴(yán)重的控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面，也是剛剛進(jìn)入開(kāi)挖面，從橫斷面看，可能還沒(méi)有進(jìn)入最大跨度范圍內(nèi)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和采取應(yīng)對(duì)措施，將有效的降低塌方風(fēng)險(xiǎn)，保證施工質(zhì)量。

超前地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)方法，目前尚停留在定性階段，比較可靠的方法仍是鉆取巖芯，通過(guò)

巖芯中顯示的結(jié)構(gòu)面，判定是否為控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面，并依此確定控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面到達(dá)隧道拱部斷面的里程。

2.針對(duì)控穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的具體情況，制定和實(shí)施恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。

當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)擦面在拱部交會(huì)的情況時(shí)，首先縮小開(kāi)挖進(jìn)尺，一般以1m為宜；加長(zhǎng)、加密超前錨桿；嚴(yán)格控制炸藥裝藥量，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

當(dāng)遇到巖石破碎，且地下水較豐富時(shí)，要設(shè)置超前錨桿并注漿，同時(shí)縮小開(kāi)挖進(jìn)尺。

當(dāng)控穩(wěn)結(jié)構(gòu)層較厚、松散并富含地下水時(shí)，以超前小導(dǎo)管注漿為主，宜采用雙液漿，以便控制漿液的凝固時(shí)間和擴(kuò)散半徑。

7、 其他

按照現(xiàn)行《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，"當(dāng)巖石完整、巖石抗壓強(qiáng)度大于30Mpa，并確認(rèn)不影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度時(shí)，允許巖石個(gè)別突出部分（每1m2內(nèi)不大于0.1m2）但其隆起量不得大于5cm"。據(jù)此，可在周邊眼放線時(shí)，在設(shè)計(jì)輪廓線向內(nèi)按4~5cm放線（見(jiàn)下圖）。如此處理，約可將允許超挖再降低50%。

三、 光面爆破效果實(shí)例總結(jié)

連云港后云臺(tái)山隧道經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的施工，已完成開(kāi)挖支護(hù)約2200m，隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖已全部完成，現(xiàn)將Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖和部分Ⅲ級(jí)圍巖的光面爆破情況作如下小結(jié)。

1、全斷面開(kāi)挖，一般進(jìn)尺3~3.5m，掏槽采用8個(gè)斜孔，另加3個(gè)Φ100鉆孔，形成臨孔面；周邊眼間距50cm，最小抵抗限75cm，單位布孔率約為1.2~1.3孔/m2，一般采用10段毫秒雷管，隔段位使用。

2、隧道石質(zhì)為變粒巖，大部分地段的節(jié)理、裂隙為密閉型，巖體內(nèi)孔隙較少。雖然抗壓強(qiáng)度一般均大于60Mpa，但單位用藥量不大，平均單位用藥量約為0.7~0.8kg/m3。由于巖體密實(shí)度較大，爆破能量得到了充分發(fā)揮。

3、采用全站儀對(duì)初支表面進(jìn)行檢測(cè)，沒(méi)有出現(xiàn)欠挖，最大超挖個(gè)別點(diǎn)達(dá)0.55m，各洞口、各種圍巖級(jí)別的超挖數(shù)量詳見(jiàn)下表。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)：一是局部超挖比較大，按要求的位置開(kāi)孔，按標(biāo)準(zhǔn)的2°外插角，超挖應(yīng)為0.75m2，考慮各種誤差，超挖應(yīng)在1m2左右。但統(tǒng)計(jì)的超挖量已大出2倍多；二是圍巖級(jí)別越高，超挖量反倒越大，Ⅳ級(jí)圍巖超挖量是Ⅴ級(jí)圍巖的115%，而Ⅲ級(jí)圍巖超挖量是Ⅵ級(jí)圍巖的136%。說(shuō)明單憑巖石級(jí)別較高，不能肯定光面爆破效果就必然是好的；同時(shí)也從側(cè)面反映出施工組織管理對(duì)光爆效果也能產(chǎn)生很大影響。

4、在檢測(cè)的開(kāi)挖斷面內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了很多斷面的超挖是比較理想的。如ZK6+685斷面，超挖量為0.62m2（見(jiàn)以下照片），說(shuō)明光面爆破的潛力還是很大的。

四、 結(jié)語(yǔ)

由于連云港后云臺(tái)山隧道主要為淺粒巖和變粒巖，該巖為硬質(zhì)巖，致密堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度大，抗分化性能好，巖體完整性好，在使用風(fēng)鉆鉆孔施工時(shí)，機(jī)械能耗較大，施工進(jìn)度較慢。實(shí)踐證明，當(dāng)采用光面爆破施工時(shí)，能有效控制開(kāi)挖斷面，減少?lài)婂^支護(hù)工程量，降低工程造價(jià)，對(duì)施工進(jìn)度也能有所加快。

注釋?zhuān)?/p>

[1]引自：關(guān)寶樹(shù)《隧道工程施工要點(diǎn)集》

[2]由于欠挖，在爆破后開(kāi)挖輪廓線不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要再次爆破

[3]爆破后殘存的炮眼，常用于測(cè)算炮眼殘存率

參考文獻(xiàn)：

[1]周愛(ài)國(guó).隧道工程現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù).北京：人民交通出版社，2004.

[2]關(guān)寶樹(shù).《隧道工程施工要點(diǎn)集》.北京：人民交通出版社，2003.

[3]張軍，柯小華，李建華.淺埋大跨軟弱地層老山隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工技術(shù).江蘇寧淮高速公路老山隧道環(huán)保型建設(shè)技術(shù)暨大跨徑隧道建設(shè)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.人民交通出版社，2006.