李 勇

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，唐山 064000)

隨著我國(guó)隧道建設(shè)進(jìn)程不斷加快，公路隧道總量和建設(shè)規(guī)模持續(xù)增大，現(xiàn)階段鉆爆法因其技術(shù)效果顯著且經(jīng)濟(jì)性高，仍是公路隧道掘進(jìn)過(guò)程中普遍采用的工法之一。國(guó)內(nèi)典型工程如秦嶺終南山隧道工程和新疆天山勝利隧道工程等均采用鉆爆法施工工藝[1-3]。鉆爆法施工過(guò)程中，當(dāng)隧道開(kāi)挖地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，若按照統(tǒng)一的爆破方案而未充分考慮到相關(guān)區(qū)域巖性、水文等地質(zhì)條件的變化，可能會(huì)導(dǎo)致隧道施工效率降低甚至發(fā)生安全事故。如在襄渝二線新蜀河隧道施工中，由于未考慮不同巖層巖性差異及軟弱破碎巖層的流變性，隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形過(guò)大，發(fā)生塌方事故。針對(duì)隧道鉆爆法施工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了具體研究，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)Jong等[4]研究了地質(zhì)條件對(duì)隧道爆破裝藥量的影響，分析發(fā)現(xiàn)巖性和巖層結(jié)構(gòu)特征是爆破裝藥量等參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)整的重要依據(jù)；Deng等[5]研究了薄基巖頂板隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中圍巖振動(dòng)及損傷特征，并對(duì)隧道爆破影響范圍進(jìn)行了預(yù)估，強(qiáng)調(diào)爆破負(fù)面效應(yīng)對(duì)隧道開(kāi)挖的顯著影響；李啟月等[6]采用預(yù)留光爆層水壓爆破方法，一定程度上改善了爆破效果，但由于該方法需要預(yù)留光爆層，存在工序轉(zhuǎn)換頻繁且復(fù)雜的缺陷，技術(shù)交底若不到位極易產(chǎn)生安全隱患；張繼春等[7]以漿水泉隧道實(shí)際工程為背景，對(duì)爆破方案進(jìn)行改進(jìn)并解決了爆破掘進(jìn)中的超欠挖問(wèn)題，但由于方案中要使用小直徑低爆速的專(zhuān)用藥卷，限制了改進(jìn)后方案推廣應(yīng)用的范圍；李建旺等[8]以延崇高速玉渡山隧道工程為背景，采用交互式建模軟件構(gòu)建了復(fù)雜的地質(zhì)隧道模型，而建模過(guò)程中某些處理過(guò)于理想化，導(dǎo)致模擬結(jié)果不能完全應(yīng)用于工程實(shí)踐；袁紅所等[9]為了降低爆破施工對(duì)鷓鴣山隧道圍巖體的擾動(dòng)，根據(jù)該隧道地層特征并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了適合于隧道Ⅴ級(jí)圍巖條件的控制爆破方案，但由于實(shí)驗(yàn)段巖性單一，對(duì)軟弱巖體掘進(jìn)并未進(jìn)行深入探討；劉錦東等[10]通過(guò)對(duì)隧道爆破方案和減振技術(shù)等進(jìn)行研究，確定了科學(xué)有效的隧道爆破參數(shù)，并綜合運(yùn)用水壓爆破和微差爆破等方法有效控制爆破次生災(zāi)害，保障隧道施工安全，然而并未對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下爆破效果進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。雖然近年來(lái)隧道鉆爆法施工的工藝技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于隧道所處的地層巖性千差萬(wàn)別，目前依舊未有普適性的爆破方案，復(fù)雜隧道爆破施工仍面臨眾多挑戰(zhàn)。

以福建省三明市境內(nèi)莆炎高速公路YA18標(biāo)段隧道工程為依托，針對(duì)原有爆破方案存在的超欠挖嚴(yán)重、光爆效果差和爆破振動(dòng)強(qiáng)烈等一系列難題，研究針對(duì)不同巖層巖性的差異化掘進(jìn)方案，結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)和三明地區(qū)盛產(chǎn)毛竹的區(qū)域優(yōu)勢(shì)，確定合理的爆破孔網(wǎng)參數(shù)并降低施工成本，實(shí)現(xiàn)理想的爆破成型效果，減小圍巖擾動(dòng)范圍，將爆破振動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效且綠色安全的公路隧道施工效果。

1 工程概況

莆炎高速公路YA18標(biāo)段線路總長(zhǎng)為6.062 km，其中3座隧道總長(zhǎng)2 657.5 m，該段地質(zhì)條件復(fù)雜、富水破碎帶多、隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較高，具體表現(xiàn)為：①隧道穿越粉質(zhì)黏土、不同風(fēng)化砂巖及夾泥質(zhì)砂巖，圍巖地質(zhì)條件差且洞身位于地下水位線以下，側(cè)壁和洞頂穩(wěn)定性較差，施工時(shí)因圍巖的強(qiáng)烈擾動(dòng)極易產(chǎn)生坍塌。②隧道Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖寬度達(dá)17.2 m(3車(chē)道)，且左右線間距約為40 m。大斷面隧道施工工程量大、工序時(shí)間長(zhǎng)，圍巖裸露時(shí)間隨之增加，降低了圍巖的自承能力和掌子面施工安全性，施工難度增大。③隧道洞口淺埋段位于溝谷處，自然坡度陡。上述條件增加了隧道施工難度，相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)踐表明：通過(guò)爆破參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，可有效降低爆破對(duì)圍巖體的擾動(dòng)，將超欠挖量控制在合理范圍內(nèi)，從而提升斷面輪廓開(kāi)挖的平整度。

2 具體爆破方案與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

由于隧道所處地段地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性變化大，施工時(shí)通過(guò)試爆和參數(shù)調(diào)整確定了差異化爆破施工方法，具體為：由于Ⅲ級(jí)圍巖整體性較好，完整性系數(shù)為0.70～0.79，主要為中風(fēng)化或弱風(fēng)化層，結(jié)構(gòu)面有滲水，因此為了降低對(duì)圍巖體的擾動(dòng)，Ⅲ級(jí)圍巖地段采用臺(tái)階法施工。Ⅳ級(jí)圍巖節(jié)理裂隙局部發(fā)育，主要為中等風(fēng)化砂巖夾泥質(zhì)砂巖，完整性系數(shù)為0.51～0.59，巖體較破碎，因此Ⅳ級(jí)圍巖淺埋巖質(zhì)較完整段或斷層影響帶以及Ⅳ級(jí)圍巖深埋地段采用環(huán)形留核心土法施工。Ⅴ級(jí)圍巖洞口段主要為全、強(qiáng)風(fēng)化層，圍巖穩(wěn)定性很差，開(kāi)挖時(shí)洞頂易坍塌，洞身段主要為中等或強(qiáng)風(fēng)化夾泥質(zhì)砂巖，巖體呈厚層夾中層狀，節(jié)理、裂隙顯著發(fā)育，巖體完整性較差，拱頂易出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，地下水豐富，因此Ⅴ級(jí)圍巖洞口淺埋或斷層破碎帶、Ⅳ級(jí)圍巖緊急停車(chē)帶地段采用中隔壁法施工。

2.1 Ⅲ級(jí)圍巖開(kāi)挖方案

隧道Ⅲ級(jí)圍巖掘進(jìn)采用光面爆破，三臺(tái)階法開(kāi)挖施工。選用2#巖石乳化炸藥，氣腿式風(fēng)鉆打眼，炮孔孔徑為42 mm，單循環(huán)進(jìn)尺為2 m。

在隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中，掏槽孔爆破是最為關(guān)鍵的技術(shù)，直接影響隧道開(kāi)挖速度，開(kāi)挖進(jìn)尺與掏槽孔的深度關(guān)系密切。掏槽孔爆破具有巖石夾制力大、炸藥單耗高的特點(diǎn)，施作二級(jí)楔形掏槽是較為有效的減振措施[11-13]。從減小振動(dòng)強(qiáng)度的角度出發(fā)，對(duì)于完整度較好的Ⅲ級(jí)圍巖掏槽孔采取二級(jí)楔形掏槽形式，傾角分別為68°和70°，超深為200 mm，裝藥段為炮孔長(zhǎng)度的80%，第一楔長(zhǎng)度為1.30 m，單孔裝藥量qt1為1.0 kg；第二楔為2.35 m，單孔裝藥量qt2為1.9 kg。復(fù)式楔形掏槽布置如圖1所示。

圖1 復(fù)式楔形掏槽布置(單位：mm)

決定隧道掘進(jìn)質(zhì)量的關(guān)鍵在于周邊孔，周邊孔(底孔除外)采用光面爆破時(shí)孔距取0.5 m，孔深為2.0 m，光爆層厚度取0.7 m，孔距小于光爆層厚度，便于形成沿炮孔連線方向的貫通裂紋。由于隧道巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，不宜形成裂縫，線裝藥密度取0.2 kg/m3，則單孔藥量qz為0.4 kg。

輔助孔間距通常為0.6～1.0 m，排間距為0.5～0.9 m，施工中應(yīng)視巖石硬度進(jìn)行調(diào)整，巖石完整且硬度大時(shí)取小值，反之則取大值?，F(xiàn)場(chǎng)試爆確定輔助孔間距a為0.9 m，排間距b為0.8 m，孔深為2.0 m，裝藥段長(zhǎng)度為孔深的50%～60%，裝藥量qf為1.0 kg/孔。底眼孔間距為0.7 m，孔深為2.0 m，單孔裝藥量qd為1.2 kg。三臺(tái)階法爆破參數(shù)(Ⅲ級(jí)圍巖)如表1所示。

表1 三臺(tái)階法爆破參數(shù)(Ⅲ級(jí)圍巖)

2.2 Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖方案

Ⅳ級(jí)圍巖淺埋段巖質(zhì)較完整或處于斷層影響帶，對(duì)其采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法開(kāi)挖施工，循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m，采用楔形掏槽孔，傾角為65°，超深為200 mm，裝藥段長(zhǎng)度為炮眼的80%，裝藥量qt為1.0 kg/孔。楔形掏槽布置如圖2所示。

圖2 楔形掏槽布置(單位：mm)

周邊孔(底孔除外)采用預(yù)裂爆破，孔深為1.0 m，孔間距為0.5 m，預(yù)裂層厚度為0.7 m。預(yù)裂炮孔線裝藥密度為0.1～0.2 kg/m3效果最佳，綜合考慮確定qz為0.2 kg/m。

輔助孔間距通常為0.6～1.0 m，排距為0.5～0.9 m，為使炮孔分布相對(duì)均勻，應(yīng)根據(jù)隧道尺寸對(duì)孔間距進(jìn)行調(diào)整并按照規(guī)范要求使孔間距誤差≤100 mm。試爆確定孔間距a為0.9 m，排距b為0.8 m，孔深為1.0 m，裝藥量為0.5 kg/孔，根據(jù)隧道實(shí)際取底眼裝藥量為0.6 kg/孔。環(huán)形開(kāi)挖留核心土法爆破參數(shù)(Ⅳ級(jí)圍巖)如表2所示。

表2 環(huán)形開(kāi)挖留核心土法爆破參數(shù)(Ⅳ級(jí)圍巖)

2.3 Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖方案

Ⅴ級(jí)圍巖深埋地層、圍巖洞口淺埋或處于斷層破碎帶，采用中隔壁法爆破施工工藝。對(duì)隧道拱墻部位進(jìn)行預(yù)裂爆破，循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m。爆破參數(shù)(間距、孔深和單孔裝藥量)同Ⅳ級(jí)圍巖爆破方案，但由于開(kāi)挖方式不同，總裝藥量、炮孔數(shù)以及炸藥單耗有所不同。中隔壁法爆破參數(shù)(Ⅴ級(jí)圍巖)如表3所示。

表3 中隔壁法爆破參數(shù)(Ⅴ級(jí)圍巖)

不同巖石類(lèi)型開(kāi)挖鉆孔布置如圖3所示。

3 爆破網(wǎng)絡(luò)布置及效果對(duì)比分析

3.1 爆破網(wǎng)絡(luò)布置

施工裝填炸藥時(shí)充分利用三明地區(qū)盛產(chǎn)毛竹這一地域優(yōu)勢(shì)以降低施工成本，將藥卷間隔布置在預(yù)先加工好的毛竹條上并全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索，孔底藥量適當(dāng)增加避免產(chǎn)生根底，隧道內(nèi)無(wú)瓦斯涌出，為提高爆破效果采用反向起爆。炮孔均采用不耦合裝藥和孔內(nèi)延期，并確保導(dǎo)爆管雷管有足夠的連接長(zhǎng)度，同時(shí)確保炸藥裝填到位并進(jìn)行有效堵塞。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 不同圍巖超欠挖及損傷控制效果

公路隧道掘進(jìn)中如何做好超欠挖現(xiàn)象的合理控制是現(xiàn)階段亟待解決的難題[14-16]，超欠挖現(xiàn)象的影響因素眾多，而測(cè)量精度是其中重要的影響因素之一。因此在實(shí)際操作過(guò)程中，須通過(guò)拱部和墻部激光指向儀做好精確測(cè)量。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行炮孔鉆鑿，爆破后應(yīng)測(cè)量超欠挖形態(tài)，及時(shí)反饋并調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

為便于統(tǒng)計(jì)，采用激光斷面儀選取隧道拱頂、左側(cè)腰部和右側(cè)腰部這3個(gè)部位作為測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)32次常規(guī)爆破和差異化爆破方案下各局部斷面的平均超挖量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同圍巖超欠挖量統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 不同圍巖超欠挖量統(tǒng)計(jì)

由表4可知，巖石強(qiáng)度越高，在周邊裝藥合理的條件下爆破效果越明顯。差異化爆破方案對(duì)超欠挖現(xiàn)象起到了很好的控制作用。其中，Ⅲ級(jí)圍巖爆破后半眼痕明顯，輪廓面平整，成型質(zhì)量好，半眼痕率90%以上，通過(guò)激光斷面儀檢測(cè)超欠挖情況時(shí)發(fā)現(xiàn)平均超挖量不超過(guò)60 mm；Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖由于預(yù)裂爆破先于其他炮孔起爆，初始擾動(dòng)大，加之南方雨季隧道涌水量增加等因素，開(kāi)挖后局部有少許片落，但平均超挖量控制在100 mm以?xún)?nèi)，總體爆破效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示： Ⅴ級(jí)圍巖中隔壁法開(kāi)挖爆破當(dāng)天拱頂沉降為-7.0 mm；Ⅳ級(jí)圍巖拱頂沉降為-5.5 mm；Ⅲ級(jí)圍巖拱頂沉降為-4.0 mm，均小于1.0 cm限值，差異化爆破施工效果優(yōu)良，滿(mǎn)足工程要求。

3.3 爆破振動(dòng)效應(yīng)分析

為了科學(xué)評(píng)估隧道爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，采用TC-4850型測(cè)振儀對(duì)不同巖石類(lèi)型條件下的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為防止爆破飛石對(duì)測(cè)振儀的破壞，同時(shí)考慮到隧道周邊零星民房均位于隧道開(kāi)挖掌子面50 m范圍以外，因此在距離隧道開(kāi)挖掌子面15 m處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可反映該區(qū)域范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)響應(yīng)情況。測(cè)點(diǎn)布置選擇在巖性穩(wěn)定的區(qū)域，傳感器通過(guò)膨脹螺釘固定在隧道拱腰部位，并用石膏粉充填接觸不貼合處，設(shè)置儀器為外觸發(fā)模式，觸發(fā)閾值為0.5 cm/s。測(cè)點(diǎn)布置時(shí)將三向振動(dòng)傳感器的X向指向隧道開(kāi)挖軸線方向，Y向指向與X向垂直的水平方向，Z向指向隧道拱頂方向[17-18]。從監(jiān)測(cè)到的三向振速對(duì)比可以看出，沿隧道軸線方向的水平X向振速峰值較其余兩向振速峰值大，原因在于隧道爆破自由面單一，巖石夾制作用顯著，爆破飛石的運(yùn)動(dòng)方向與X向相同，隧道已開(kāi)挖區(qū)域形成的空洞效應(yīng)也對(duì)X向的振速有一定貢獻(xiàn)。因此，這里選取X向振速進(jìn)行分析，不同圍巖條件下差異化爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波形時(shí)程曲線如圖5所示。圖5(a)中Ⅲ級(jí)圍巖條件下第一臺(tái)階爆破振動(dòng)波峰值為7.13 cm/s，波谷值為-4.24 cm/s，主頻值為90 Hz；圖5(b)中Ⅳ級(jí)圍巖條件下第一部分波峰值為4.87 cm/s，波谷值為-5.47 cm/s，主頻值為71.01 Hz；圖5(c)中Ⅴ級(jí)圍巖條件下第一部分產(chǎn)生的波峰值為3.78 cm/s，波谷值為-2.27 cm/s，主頻值為102.5 Hz?，F(xiàn)階段爆破振速和振動(dòng)主頻仍是體現(xiàn)爆破振動(dòng)效應(yīng)較為權(quán)威的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中對(duì)交通隧道爆破規(guī)定：當(dāng)主頻f≤10 Hz時(shí)，允許振速峰值范圍為10～12 cm/s；當(dāng)10 Hz<主頻f≤50 Hz時(shí)，允許振速峰值范圍為12～15 cm/s；當(dāng)主頻f>50 Hz時(shí)，允許振速峰值范圍為15～20 cm/s。3種巖性開(kāi)挖工況下產(chǎn)生的三向振速峰值均在安全范圍內(nèi)，保障了周邊建(構(gòu))物安全，爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)為后續(xù)爆破方案及參數(shù)的調(diào)整提供理論依據(jù)，同時(shí)為隧道周邊建(構(gòu))筑物振動(dòng)響應(yīng)提供科學(xué)的評(píng)價(jià)手段。

(a) Ⅲ級(jí)圍巖(臺(tái)階法)

(a) 光面或預(yù)裂孔

(a) Ⅲ級(jí)圍巖

4 結(jié)論

通過(guò)莆炎高速公路隧道YA18標(biāo)段鉆爆法施工實(shí)踐，得到以下結(jié)論。

(1) 隧道巖性不同，應(yīng)采取不同的爆破方案。莆炎隧道在復(fù)雜地質(zhì)條件下，Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，Ⅳ級(jí)圍巖采用留核心土法開(kāi)挖，Ⅴ級(jí)圍巖采用中隔壁法開(kāi)挖，差異化爆破方案對(duì)巖性變化適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。

(2) 總體爆破效果較好，超欠挖現(xiàn)象控制到位，圍巖變形較小。隧道差異化爆破效果會(huì)因巖性較好而有所提升，隧道開(kāi)挖后周邊輪廓平整度也會(huì)提高。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖周邊采用預(yù)裂爆破，由于先于其他炮孔起爆，周邊孔起爆自由面單一，眼痕率有一定程度降低。同時(shí)，借助三明地區(qū)盛產(chǎn)毛竹的區(qū)域優(yōu)勢(shì)，降低了施工成本，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 振速監(jiān)測(cè)表明與隧道軸線方向接近平行或一致的X向振速最大，這與自由面的數(shù)量、爆破飛石的運(yùn)動(dòng)方向等有密切關(guān)系，后續(xù)施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)水平X向振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和控制。

(4) 隧道施工中針對(duì)具體地質(zhì)條件，通過(guò)提升測(cè)量精度、制定科學(xué)合理的爆破方案以及加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理等措施可有效減少隧道超欠挖現(xiàn)象，達(dá)到精準(zhǔn)高效且綠色安全的施工目的。