俞 定

（中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000）

花崗巖地層地鐵隧道主要采用鉆爆法施工，在爆破作業(yè)過(guò)程中，爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆破荷載必然會(huì)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如何在施工過(guò)程中控制爆破的不利影響，保證地鐵隧道的質(zhì)量是工程建設(shè)是否安全可靠的關(guān)鍵問(wèn)題之一。光面爆破技術(shù)作為一種更加科學(xué)的開(kāi)挖手段，可以使爆破后達(dá)到設(shè)計(jì)所需求的平整輪廓，合理控制圍巖超欠挖，為后續(xù)的盾構(gòu)管片安裝提供了極大的便利；空氣間隔裝藥可通過(guò)空氣對(duì)爆破荷載進(jìn)行緩沖，從而減弱沖擊作用破壞圍巖，有效保持了圍巖穩(wěn)定性，從而提高爆破施工的質(zhì)量。文章以廣州地鐵21號(hào)線科學(xué)廣場(chǎng)站至蘇元站區(qū)間隧道為依托，通過(guò)光面爆破方案設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合理論對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到良好的爆破效果，保證工程質(zhì)量。

1 工程概況

廣州地鐵21號(hào)線是廣州地鐵規(guī)劃線路中重要線路之一，隧道內(nèi)部?jī)舾呒s為5.40m，寬度為6.8m，隧道橫斷面面積為30.93m2。

根據(jù)普通爆破方案，隧道周邊孔間距離基本控制在0.6m以上，抵抗線0.65m以上，臨近周邊孔的一排掘進(jìn)孔在1m左右。實(shí)際孔距最大達(dá)到1.4m，爆破后導(dǎo)致超欠挖，周邊孔爆破時(shí)光爆層厚度不均勻，隧道爆破后隧道壁面凹凸不平，出現(xiàn)了明顯的超欠挖現(xiàn)象；另外周邊孔連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)能量過(guò)于集中，導(dǎo)致炸藥爆炸處巖石破碎，對(duì)圍巖造成了較大的損傷。為了降低圍巖的爆破荷載對(duì)圍巖造成的損傷程度，減少超欠挖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)證實(shí)，光面爆破技術(shù)可以有效地提高爆破質(zhì)量，提高施工安全性及效率。

2 隧道光面爆破方案

隧道采用全斷面法進(jìn)行開(kāi)挖爆破，設(shè)計(jì)進(jìn)尺2.0m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，光面爆破方案采用單根直徑32mm、長(zhǎng)度300mm、重量300g的乳化炸藥。

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）炮孔直徑D。炮孔直徑D=40mm。

（2）炮孔深度L。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，炮孔深度按式（1）計(jì)算。

式中：B為隧道寬度，m。

中等硬度的巖體，其巖石韌性相對(duì)較大，當(dāng)設(shè)計(jì)的的炮孔深度較大，爆破時(shí)巖體的體積較大，巖石之間的夾制性增大，導(dǎo)致巖體之間的作用力增加，形成爆破內(nèi)部作用現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆破振動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致圍巖的完整性降低。通過(guò)數(shù)次掘進(jìn)爆破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)炮孔的深度取2.2m較為合理，掏槽角選取在50～75°，深度約為2.8m。

（3）炸藥單耗q。隧道單次開(kāi)挖斷面面積大小直接影響了爆破作業(yè)的炸藥使用量，炸藥單耗由式（2）給出：

式中：q為炸藥單耗，kg/m3；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；k0為修正系數(shù)；s為開(kāi)挖斷面積，m2。

計(jì)算可得q=1.10～1.70kg/m3。設(shè)計(jì)時(shí)，按1.5kg/m3選取。

（4）單循環(huán)裝藥量Q。即一次爆破循環(huán)炮孔內(nèi)的裝藥量。

式中：η為炮孔利用率，一般取0.80～0.95。

科蘇區(qū)間隧道巖體的可爆性較好，單循環(huán)炸藥量約為1.5kg/m3。

（5）炮孔間距α。隧道中軸線兩側(cè)設(shè)計(jì)兩排對(duì)稱(chēng)掏槽孔，孔底之間的間距設(shè)計(jì)取0.2m，輔助掏槽孔的孔底與掏槽孔相距0.9m。孔深設(shè)計(jì)超過(guò)循環(huán)深度h0=0.2～0.4m，鉆孔深度深度均為2.4m。掘進(jìn)孔排距在0.6～0.8m，孔距在0.6～1.2m。

（6）周邊孔參數(shù)。

周邊光爆孔的孔距可按下面經(jīng)驗(yàn)式（4）選取：

式中：a為孔距，m；d為孔徑，m。

周邊光爆孔相鄰孔間距設(shè)計(jì)為0.5m。周邊孔最小抵抗線0.65m。

周邊孔的單孔裝藥量根據(jù)類(lèi)似花崗巖地層工程選取線裝藥密度為0.2～0.3kg/m，則：

式中：Q光為單孔裝藥量，kg；q0為線裝藥密度，kg/m；l光為孔深，m。

計(jì)算得Q光為0.4～0.6kg?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取0.45kg，周邊空采用空氣間隔裝藥，軸向不耦合系數(shù)為4.0，爆破后得到了較好的爆破效果。

各類(lèi)炮孔的參數(shù)如表1所示。

2.2 掘進(jìn)爆破施工設(shè)計(jì)

（1）炮孔布置與單孔裝藥量。科蘇區(qū)間隧道開(kāi)挖斷面寬度6.8m，設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺要求達(dá)到2.0m。為了避免爆破過(guò)程中巖體之間產(chǎn)生較大的夾制作用，降低爆破地震效應(yīng)，設(shè)計(jì)沿用原方案中垂直單級(jí)楔形掏槽方式，為擴(kuò)大槽腔在掏槽孔外側(cè)設(shè)置輔助掏槽孔。相鄰掏槽孔間距0.45m，掏槽孔孔口相隔3m，與掌子面之間取60°角；相鄰輔助掏槽孔間距0.6m，與隧道開(kāi)挖掌子面間成75°角。光面爆破周邊孔沿隧道開(kāi)挖輪廓布置，其鉆孔角度與掌子面夾角在2～3°，即向外側(cè)傾斜，孔底要求向輪廓線外偏離5～10cm。相鄰周邊孔間距0.5m，光爆層厚度0.65m，均勻布置在隧道輪廓線上。在巖石破碎處周邊孔間距取40cm，光爆層厚度可降低至55cm。為確保爆后渣體塊度均勻，大塊率低，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，優(yōu)化后的掘進(jìn)炮眼一般垂直開(kāi)挖掌子面布置，相鄰掘進(jìn)孔距離80～90cm，排間距離75～80cm。在炮孔鉆孔時(shí)，掘進(jìn)炮孔可在5～10cm范圍內(nèi)調(diào)整位置，其余的調(diào)整距離需在5cm之內(nèi)。

表1 光面爆破方案設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方法。為集中炮孔炸藥爆破產(chǎn)生的爆轟能量，提高開(kāi)挖部分巖石破碎程度，除周邊孔外均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)爆管插入孔底藥卷，從孔底反向引爆孔內(nèi)炸藥，延長(zhǎng)爆破荷載作用時(shí)間。周邊孔采用空氣間隔裝藥，采用導(dǎo)爆索作為引爆工具，導(dǎo)爆索傳爆速度快，可保證起爆時(shí)間一致，保證爆破效果。除周邊孔外炮孔采用多段雷管起爆，破碎孔和掏槽孔采用1段雷管起爆，輔助掏槽孔采用3段，掘進(jìn)孔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由內(nèi)向外采用5、7、9段，底板孔采用11段起爆，周邊孔導(dǎo)爆索連接13段雷管作為起爆工具。光爆周邊孔用導(dǎo)爆索連接，用雷管激發(fā)導(dǎo)爆索引爆周邊孔炸藥。另外，炮孔堵塞一定程度上直接影響到光面爆破效果，各炮孔采用黏性較好的黏土堵塞，可延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，充分發(fā)揮炸藥的能量，提高巖石的破碎效果和周邊孔光面爆破效果。

3 爆破效果分析

在光面爆破方案的基礎(chǔ)上，分別在科蘇區(qū)間隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了圍巖擾動(dòng)檢測(cè)，對(duì)爆破效果分析如下：

在光面爆破方案下，隧道一次爆破掘進(jìn)2.0～2.1m，炮孔利用率在95%以上；破碎孔加上黏土堵塞是開(kāi)挖部分巖體破碎均勻，巖塊平均大小約為0.3m，部分巖塊0.5m以下，大塊巖石較少，破碎效果得到明顯改善，便于出渣。另外，光面爆破隧道輪廓較為平整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋，周邊孔半孔率達(dá)85%。

在位于掌子面附近50cm出設(shè)置3個(gè)平行測(cè)試孔，編號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，通過(guò)聲波測(cè)試分析圍巖的擾動(dòng)狀況，測(cè)試孔沿隧道縱向間隔50cm布置，設(shè)定測(cè)試剖面編號(hào)為Ⅰ-Ⅱ剖面、Ⅱ-Ⅲ剖面，每個(gè)剖面沿孔深布置20個(gè)測(cè)試點(diǎn)提取巖石波速。圍巖波速-深度關(guān)系曲線圖如圖1所示。根據(jù)圖1結(jié)果可知，光面爆破后圍巖波速要高于常規(guī)爆破方案，光面爆破測(cè)試所得波速在0～20cm深度變化明顯，常規(guī)爆破方案波速在0～60cm深度范圍內(nèi)發(fā)生較大的起伏，說(shuō)明前者的圍巖破壞程度及深度要明顯低于后者，采取光面爆破可很好地保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。

圖1 圍巖波速-深度關(guān)系曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)爆破方案的優(yōu)化應(yīng)用于花崗巖地層地鐵隧道，對(duì)爆破效果分析可得出以下結(jié)論：

（1）光面爆破明顯優(yōu)于常規(guī)方案，掘進(jìn)過(guò)程中可最大限度控制開(kāi)挖進(jìn)尺，減少單次爆破炸藥用量，降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，可用于城市花崗巖地層地鐵隧道開(kāi)挖施工。

（2）周邊孔采用空氣間隔裝藥，降低了爆破沖擊力減小炸藥使用量的同時(shí)提升了爆破效果，爆破后隧道輪廓周?chē)鷰r體基本完整，泡孔壁沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋，半孔率達(dá)到85%，隧道洞壁沒(méi)有出現(xiàn)松散破碎的危巖。

（3）單次爆破開(kāi)挖的平均循環(huán)進(jìn)尺在2.1m，炮孔利用率達(dá)到95%；爆渣塊度得到改善，變得更為均勻，大塊率降低，有利于爆渣的清除達(dá)到預(yù)期施工進(jìn)尺，大大加快了施工進(jìn)度。