鄭 靜， 李啟月， 趙新浩， 張建秋， 邊志偉

（1.中交一公局第五工程有限公司，新疆 哈密839000； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

隧道爆破是在有限空間下進(jìn)行的，自由面僅有一個(gè)，因此隧道爆破需要掏槽以創(chuàng)造第二自由面和補(bǔ)償空間［1-2］。 常見的掏槽方式有直眼掏槽與斜眼掏槽。直眼掏槽較斜眼掏槽存在炮孔數(shù)目多、所需雷管段別多、炸藥單耗高、鉆孔難度大等系列問題［3-5］，在隧道爆破掘進(jìn)施工中，應(yīng)用不及斜眼掏槽廣泛，其中楔形掏槽應(yīng)用最為普遍［6］。 以往的工程實(shí)踐表明，隧道爆破進(jìn)尺大都在2.5 m 以下，其主要原因是：鉆孔使用的氣腿式鑿巖機(jī)，鉆孔速度隨鉆孔深度增大而降低，當(dāng)達(dá)到某一孔深后鉆孔速度會(huì)大幅度降低，因而鉆孔深度普遍在1.6～2.5 m［7］。 但是隨著隧道斷面加大以及機(jī)械化水平提高，鑿巖臺(tái)車在隧道爆破掘進(jìn)施工中的應(yīng)用愈加廣泛［8-11］，不同于氣腿式鑿巖機(jī)，鑿巖臺(tái)車的鉆孔速度受鉆孔深度的影響較小，可鉆孔深一般為5 m 左右，這為提高楔形掏槽爆破進(jìn)尺提供了可能性。 在機(jī)械化水平日益提高的今天，爆破進(jìn)尺越大，越有利于提高施工效率、降低經(jīng)濟(jì)成本。 因而，提高楔形掏槽隧道爆破進(jìn)尺具有極重要的現(xiàn)實(shí)意義。 但在實(shí)際施工過程中，往往難以取得理想的爆破進(jìn)尺。 基于此，本文以東天山隧道工程為背景，對(duì)影響楔形掏槽爆破進(jìn)尺的因素進(jìn)行分析，并針對(duì)性地提出增加爆破進(jìn)尺的技術(shù)措施，研究結(jié)果對(duì)類似工程有指導(dǎo)借鑒意義。

1 楔形掏槽爆破進(jìn)尺影響因素分析

在裝藥結(jié)構(gòu)合理、起爆順序合理、炸藥性能與圍巖力學(xué)特性相匹配的前提下，將影響楔形掏槽循環(huán)進(jìn)尺的因素歸為兩類，一是掏槽角度，二是輔助掏槽孔底部抵抗線。 輔助掏槽孔是指在掏槽區(qū)兩側(cè)與掌子面夾角小于90°的炮孔。 炮孔分區(qū)如圖1 所示。

圖1 炮孔分區(qū)圖

1.1 掏槽角度對(duì)楔形掏槽爆破進(jìn)尺的影響

掏槽角度是指主要掏槽區(qū)主要掏槽孔與掌子面的夾角，該角度對(duì)循環(huán)進(jìn)尺的影響主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：一是掏槽角度決定了掏槽深度，角度越大，深度越深，而掏槽深度直接決定了爆破進(jìn)尺的極限值，如果掏槽部分的巖石沒有崩落下來，輔助掏槽區(qū)及其他區(qū)域的巖石便沒有了被崩落的可能性；二是掏槽角度決定了掏槽效果，良好的掏槽效果應(yīng)保證掏槽孔底部裂隙貫通，破碎巖石被有效拋擲，同時(shí)實(shí)際掏槽深度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)深度的90%以上。 為了達(dá)到該效果，兩排掏槽孔孔底夾角需達(dá)到60°以上［12］，亦即掏槽角度應(yīng)小于等于60°。 工程實(shí)踐中，掏槽角度受斷面寬度和鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁長(zhǎng)度的影響。

1.1.1 斷面寬度對(duì)掏槽角度的影響

斷面寬度直接決定了掏槽角度。 若斷面寬度較小，則掏槽孔無法滿足角度要求，其拋擲效果一般，這也是小斷面隧道、巷道多采用直眼掏槽的主要原因。若斷面過大，雖能夠滿足角度要求，亦可取得良好的掏槽效果，但掏槽深度較小，同時(shí)后續(xù)起爆孔的底部抵抗線過大，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)爆破深度，這也是為什么大斷面、超大斷面隧道全斷面一次爆破采用楔形掏槽進(jìn)尺低的主要原因。

斷面寬度對(duì)掏槽孔角度的影響如圖2 所示。 從中可以看出：在相對(duì)兩排掏槽孔孔口距相同、孔底距相同的情況下，斷面越大，掏槽孔角度越小，掏槽深度越淺；斷面越小，掏槽孔角度越大，掏槽深度越深。 但是其相對(duì)兩排掏槽孔夾角越小，其最終崩落的掏槽深度可能是最小的。 圖中α1、α2、α3為掏槽孔與掌子面的最小夾角。

圖2 隧道斷面寬度對(duì)掏槽孔角度的影響

1.1.2 鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁長(zhǎng)度對(duì)掏槽角度的影響

不管是氣腿式鑿巖機(jī)還是鑿巖臺(tái)車，在空間受限的隧道內(nèi)鉆鑿炮孔，往往鉆不了機(jī)械本身可以鉆鑿的設(shè)計(jì)角度，因?yàn)闅馔仁借弾r機(jī)的釬桿長(zhǎng)度、鑿巖臺(tái)車的推進(jìn)梁長(zhǎng)度均會(huì)影響鉆孔角度。 但對(duì)于氣腿式鑿巖機(jī)而言，其影響較小，甚至可以忽略不計(jì)，究其原因：氣腿式鑿巖機(jī)在鉆鑿炮孔時(shí)可以通過不斷地更換不同長(zhǎng)度的釬桿來滿足鉆孔角度要求。 但鑿巖臺(tái)車的推進(jìn)梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般可達(dá)7 m，而且長(zhǎng)度不可調(diào)，因此，一旦開眼位置和斷面寬度確定，則鉆孔角度也被確定了。 圖3為鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁對(duì)鉆孔角度的影響，其中α為鑿巖臺(tái)車所能鉆鑿炮孔的最小角度，可用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖3 鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁對(duì)掏槽孔角度的影響

式中B1＝min｛B11，B12，…，B1n｝，為掏槽孔開眼位置至初支輪廓線水平距離的最短距離，B1n為不同掏槽孔開眼位置至初支輪廓線的水平距離；L1為鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁長(zhǎng)度。 同時(shí)α要滿足：一級(jí)掏槽α≤60°，二級(jí)掏槽α＝65°～70°。

結(jié)合以上對(duì)影響掏槽角度的因素分析，可以推導(dǎo)出楔形掏槽爆破進(jìn)尺的極限值為：

同時(shí)必須滿足：

式中l(wèi)為設(shè)計(jì)爆破進(jìn)尺；B2為相對(duì)兩排掏槽孔孔口距，由施工條件決定；B3為相對(duì)兩排掏槽孔孔底距，取值0.2～0.4 m；α為掏槽孔與掌子面夾角，可用式（1）進(jìn)行計(jì)算；η為炮孔利用率，η≥90%；L為掏槽孔孔長(zhǎng)；L′為鉆桿可鉆孔深。 考慮到掏槽孔一般是炮孔中最深的炮孔，因此在計(jì)算極限掏槽深度時(shí)，可取孔深為鉆機(jī)最大鉆孔深度，則式（2）～（3）可簡(jiǎn)化為：

圖4 為掏槽孔俯視圖，其中l(wèi)′為掏槽孔孔深。

圖4 掏槽孔俯視圖

1.2 輔助掏槽孔底部抵抗線對(duì)爆破進(jìn)尺的影響

施工中，作業(yè)人員往往只意識(shí)到掏槽對(duì)于爆破進(jìn)尺的重要性，而忽略了輔助掏槽孔的影響，實(shí)際上輔助掏槽孔對(duì)進(jìn)尺的影響亦不容小覷，甚至在某些條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懕七M(jìn)尺的主控因素。 具體影響為：若實(shí)際抵抗線大于可爆破抵抗線，則巖石無法按預(yù)計(jì)部位崩落，造成循環(huán)進(jìn)尺低下。 由于輔助掏槽孔與掌子面有一定夾角，炮孔底部抵抗線是最大的，因此該影響主要體現(xiàn)在底部抵抗線上，輔助掏槽底部抵抗線對(duì)爆破進(jìn)尺的影響受兩個(gè)因素制約：

1） 底部抵抗線設(shè)計(jì)值大小。 如果底部抵抗線設(shè)計(jì)值W1過大，則炮孔底部夾制作用大，炮孔將不能按照預(yù)計(jì)位置爆落下來，只會(huì)從實(shí)際可爆破抵抗線W2爆落下來，由此造就爆破進(jìn)尺“前移”（如圖5 所示）。此種情況為爆破進(jìn)尺小于掏槽爆破深度，亦即后續(xù)崩落孔的利用率不高。

圖5 底部抵抗線對(duì)爆破進(jìn)尺的影響

表1 不同炮孔長(zhǎng)度下偏斜角度對(duì)擴(kuò)大底部抵抗線的影響

圖6 孔偏引起的底部抵抗線增大對(duì)爆破進(jìn)尺的影響

2） 孔偏。 鉆孔偏斜會(huì)導(dǎo)致炮孔底部的抵抗線發(fā)生變化，如表1 所示，當(dāng)偏斜角度相同時(shí)，炮孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，孔偏引起的抵抗線增大值越大。 當(dāng)炮孔長(zhǎng)度相同時(shí)，偏斜角度越大，孔偏引起的抵抗線增大值越大。 當(dāng)實(shí)際抵抗線大于炸藥可崩落抵抗線時(shí)，該處巖石不會(huì)被有效崩落、拋擲，只會(huì)將處在可崩落抵抗線范圍內(nèi)的巖石崩落、拋擲，最終影響爆破進(jìn)尺，其影響如圖6 所示。 表1 中給出的數(shù)據(jù)僅考慮了炮孔“外偏”一種情況，實(shí)際鉆孔時(shí)會(huì)有“內(nèi)偏”現(xiàn)象，這對(duì)于減小炮孔底部抵抗線會(huì)有益處。在此需指明：在炮孔排數(shù)不增加的情況下，前排炮孔角度偏小，必然造成后續(xù)炮孔角度相對(duì)偏大，仍然會(huì)造成底部抵抗線增大。

2 增大爆破進(jìn)尺技術(shù)措施

通過以上分析可知，影響爆破進(jìn)尺的因素主要包括兩個(gè)方面：掏槽角度與輔助掏槽孔底部抵抗線。 一般情況下，掏槽角度是影響爆破進(jìn)尺的主要因素，決定了爆破進(jìn)尺的極限值。 但輔助掏槽孔底部抵抗線大小可以在某些條件下轉(zhuǎn)變?yōu)橛绊懷h(huán)進(jìn)尺的主控因素，具體表現(xiàn)為掏槽區(qū)域爆破深度足夠，但后續(xù)炮孔崩落深度比掏槽深度小。 因此為了得到理想的爆破進(jìn)尺、提高炮孔利用率，可從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 優(yōu)化掏槽參數(shù)

一般而言，一級(jí)掏槽適用于3.0 m 以下的爆破進(jìn)尺，二級(jí)掏槽適用于4.0 m 以下的爆破進(jìn)尺，在此基礎(chǔ)上增加掏槽級(jí)數(shù)，比如選用二級(jí)掏槽、三級(jí)掏槽，不僅可使掏槽效果得到保障，更可增加掏槽孔與掌子面的角度，進(jìn)而增加輔助掏槽孔與掌子面的角度，減少其底部抵抗線。 同時(shí)根據(jù)圍巖、設(shè)備確定合理的掏槽眼個(gè)數(shù)，對(duì)于圓形隧道開挖斷面尤為重要。 從圖3 可知，距地平不同高度的斷面寬度是不同的，斷面寬度過窄，不利于鉆鑿合適的掏槽角度。

2.2 減小輔助掏槽孔底部抵抗線

輔助掏槽孔在某些條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹萍s循環(huán)進(jìn)尺的主控因素，出現(xiàn)崩落孔的爆破深度小于掏槽孔爆破深度的現(xiàn)象。 因此，減小輔助掏槽孔底部抵抗線是極其有必要的，而減小輔助掏槽孔底部抵抗線最佳途徑便是增加輔助掏槽孔排數(shù)。 當(dāng)然，增加了輔助掏槽孔排數(shù)，亦需要增加雷管段別數(shù)。

2.3 選擇合理的起爆順序

因起爆順序不合理而造成循環(huán)進(jìn)尺低的事例屢見不鮮，究其原因：起爆順序不合理會(huì)造成局部炮孔抵抗線發(fā)生變化，進(jìn)而影響后起爆炮孔，形成連鎖反應(yīng)，最終影響爆破進(jìn)尺。 合理的起爆順序應(yīng)保證后起爆炮孔充分利用先起爆炮孔創(chuàng)造的自由面。

2.4 提高鉆孔質(zhì)量

如表1 所示，不管是輔助掏槽孔還是主要掏槽孔，孔偏對(duì)循環(huán)進(jìn)尺的影響都是巨大的。 控制鉆眼偏差、提高鉆孔質(zhì)量、減少開眼偏差與鉆孔偏差，對(duì)提高循環(huán)進(jìn)尺十分有意義。

3 工程實(shí)例

東天山隧道是新疆維吾爾自治區(qū)G575（一級(jí)公路）線巴里坤至哈密公路建設(shè)項(xiàng)目的控制工程，隧道總長(zhǎng)度11 870 m，為特長(zhǎng)隧道。 隧道開挖部分為受力較好的單心圓，開挖跨度12.5 m，開挖高度8.75 m，斷面積91.7 m2；隧道施工采用鉆爆法，總體上采用全斷面一次爆破的技術(shù)方案，局部地段采用臺(tái)階法施工。鉆孔采用阿特拉斯·科普柯新型BoomerXL3D 三臂鑿巖臺(tái)車，具體參數(shù)見表2。 采用2＃巖石乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，藥卷長(zhǎng)度300 mm，質(zhì)量300 g。 裝藥在自主研制的鑿巖臺(tái)架上進(jìn)行。

表2 BoomerXL3D 三臂鑿巖臺(tái)車參數(shù)

采用二級(jí)掏槽，取二級(jí)掏槽孔孔底距0.4 m，相對(duì)兩排掏槽孔孔口距依據(jù)斷面寬度以及鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁長(zhǎng)度確定為5.0 m，二級(jí)掏槽孔開眼位置至初支輪廓線最短距離為3.2 m，應(yīng)用式（1）計(jì)算得二級(jí)掏槽角度63°，應(yīng)用式（2）計(jì)算得掏槽孔孔深為4.5 m，設(shè)計(jì)爆破進(jìn)尺l＝4.05 m，應(yīng)用式（3）進(jìn)行驗(yàn)算，得孔長(zhǎng)5.0 m，滿足要求。

圖7（a）為預(yù)留光爆層全斷面一次開挖炮孔布置圖，自掏槽至周邊共9 排炮眼。 工程實(shí)踐結(jié)果表明：掏槽部位爆破進(jìn)尺達(dá)到了4.0 m，爆破進(jìn)尺僅為3.668 m，呈現(xiàn)出倒三角的情形，即：掏槽深度足夠（達(dá)到4 m），后續(xù)炮孔爆破存留根坎，其爆破痕跡線如圖中虛線所示。 如果對(duì)炮孔布置稍作改變，由9 排炮孔變成8 排炮孔，掏槽孔、周邊孔布置不作變化，僅改變輔助掏槽孔，其炮孔布置如圖7（b）所示，則爆破進(jìn)尺由3.668 m下降到3.34 m，其爆破痕跡線如圖中虛線所示。 對(duì)比圖7（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用9 排炮孔，則炮孔底部抵抗線大都能夠控制在0.75 ～0.80 m 之間，而應(yīng)用8 排炮孔，則炮孔底部抵抗線大都在0.8 ～1.0 m 之間，因此，影響東天山隧道爆破進(jìn)尺的控制因素不是掏槽，而是輔助掏槽孔，其底部抵抗線越大，爆破進(jìn)尺越小。

4 結(jié) 論

1） 分析了掏槽角度、輔助掏槽孔底部抵抗線對(duì)楔形掏槽爆破進(jìn)尺的影響，分析表明：掏槽角度是影響爆破進(jìn)尺的最主要因素因素，該角度既決定了掏槽深度，又決定了拋擲效果。 考慮到隧道斷面寬度、掏槽孔孔口距、鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁長(zhǎng)度、最大鉆孔深度以及掏槽角度，給出了掏槽極限深度的計(jì)算公式；輔助掏槽底部抵抗線受設(shè)計(jì)值大小以及孔偏制約，其影響主要體現(xiàn)在炮眼底部抵抗線越大越不利于爆破進(jìn)尺的提高，在某些情況下，底部抵抗線可能轉(zhuǎn)變成影響隧道爆破進(jìn)尺的主控因素。

2） 提高爆破進(jìn)尺的技術(shù)措施有：優(yōu)化掏槽參數(shù)、減小輔助掏槽孔底部抵抗線、選擇合理的起爆順序和提高鉆孔質(zhì)量。

3） 東天山隧道工程應(yīng)用結(jié)果表明：掏槽深度達(dá)4.0 m，實(shí)際循環(huán)進(jìn)尺僅為3.334～3.668 m，爆破痕跡線呈中間深兩邊淺的倒三角形狀，該結(jié)果表明東天山隧道實(shí)際循環(huán)進(jìn)尺仍有0.332～0.660 m 的進(jìn)步空間。 該實(shí)例表明文中對(duì)影響楔形掏槽爆破進(jìn)尺的因素分析是正確的，驗(yàn)證了所提出的極限掏槽深度計(jì)算公式的合理性，同時(shí)表明輔助掏槽孔底部抵抗線是影響東天山隧道爆破進(jìn)尺的主控因素。

圖7 輔助掏槽孔底部抵抗線對(duì)爆破進(jìn)尺的影響