白竹山隧道爆破超挖原因分析與控制研究

田興朝，陶鐵軍，婁乾星，劉榮欣，劉春舵，陳 航

(1.貴州大學土木工程學院，貴陽 550025；2.貴州大學礦業(yè)學院，貴陽 550025；3.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；4.貴陽學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，貴陽 550005)

鉆爆法具有高效經(jīng)濟的優(yōu)點，是我國隧道開挖的主要方法，在隧道鉆爆法施工中，超欠挖問題一直都是亟待解決卻始終沒有很好解決的技術(shù)難題。超欠挖不僅影響爆破質(zhì)量，還會增加作業(yè)成本，降低施工進度，因此，探明隧道爆破超欠挖的根本原因，提出應(yīng)對措施，對隧道高效安全經(jīng)濟爆破具有重要意義。

超欠挖一直是隧道爆破的研究熱點，大量專家學者對此進行了諸多研究：郝廣偉等[1]基于蟠龍山隧道工程，開展了不同循環(huán)進尺大小的掘進爆破試驗，對比分析了不同循環(huán)進尺下隧道超挖值及圍巖成型效果。袁樹成[2]結(jié)合甘河隧道工程中特殊的水平薄層狀巖層易導致超欠挖的特征，提出了將信息化施工與新爆破技術(shù)相結(jié)合的“三組一新”控制超欠挖方法。張運良等[3]對周邊孔的外插角、裝藥參數(shù)、內(nèi)移距離及裝藥結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化，減少了水平層狀圍巖光面爆破造成的超欠挖。楊玉銀等[4]提出從施工技術(shù)、爆破技術(shù)等方面減小超挖的方法，得出了控制單循環(huán)進尺可有效減少超挖的結(jié)論。王海亮等[5]提出的周邊孔采用“長短眼”布孔方式，克服了鋼拱架對周邊孔鉆鑿的限制，有效控制了超欠挖，同時降低了周邊孔的爆破振動。鄧顯平[6]提出“在影響隧道超欠挖的諸因素中，鉆孔精度和爆破技術(shù)對超欠挖的影響最大，分別為44. 2%和20. 3% ”。馮海暴等[7]以九瑞高速隧道建設(shè)為工程背景開展現(xiàn)場試驗，分析了影響超欠挖和造價耗費的主要因素，表明鉆孔偏差是造成超欠挖的主要原因。張運良等[8]以大林隧道為背景分析了影響光面爆破效果的主要因素, 總結(jié)了一套水平層狀圍巖光面爆破的施工技術(shù)。王承山[9]闡述了鉆爆法隧道開挖時超欠挖產(chǎn)生的原因, 提出了強化現(xiàn)場施工管理是減少超欠挖的根本措施。劉冬等[10]分析了影響隧道超欠挖產(chǎn)生的主要因素，并從提高周邊孔鉆孔精度和測量放線精度、加強現(xiàn)場管理等角度提出了一些控制措施。

上述研究對隧道爆破超欠挖的原因進行了詳細分析，提出了應(yīng)對策略，成果頗豐，但似乎都停留在理論層面，鮮有對現(xiàn)場炮孔布設(shè)的實地測量，周邊孔實測傾斜角度對超欠挖影響規(guī)律以及影響機理未見相關(guān)報道。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，以貴州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道為工程依托，對現(xiàn)場爆破參數(shù)進行了數(shù)據(jù)采集，討論了當前爆破工藝下導致隧道超欠挖的主要原因，并提出了應(yīng)對措施，為現(xiàn)場爆破施工提供指導。

1 工程概況

白竹山隧道為分離式特長隧道，右幅隧道長4 404 m，最大埋深323 m，左幅隧道長4 358 m，最大埋深318 m，隧道左右幅測設(shè)線間距為16～41 m。數(shù)據(jù)采集段為左幅隧道ZK19+984～ZK19+954區(qū)段，圍巖為中風化薄～中厚層狀凝灰質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，無支護時受震動易產(chǎn)生松動變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現(xiàn)象。本段巖體Kv=0.58，[BQ]=290，按Ⅳ級圍巖進行襯砌支護。

對現(xiàn)場爆破進行了9個循環(huán)的數(shù)據(jù)采集，超欠挖情況如表1所示，現(xiàn)場爆破基本都為超挖，基本無欠挖，超挖平均值在20 cm以上，最大超挖平均值為51.8 cm，最大超挖值為91.9 cm，遠超過規(guī)范[11]規(guī)定的最大允許超挖值150 mm，超挖嚴重，且每循環(huán)爆破由于超挖增加的混凝土成本約為2萬元，嚴重增加了施工成本。因此，迫切需要分析導致現(xiàn)場爆破超欠挖嚴重的原因，提出應(yīng)對措施，改善爆破效果，降低超挖。

表1 超欠挖情況統(tǒng)計

2 超欠挖產(chǎn)生的原因分析

鄧顯平[6]、馮海暴等[7]經(jīng)過對隧道拱部超挖因素的分析，認為造成隧道爆破超挖的主要因素有6個，即裝藥量與鉆孔精度、孔網(wǎng)布設(shè)、施工管理、測量放線、地質(zhì)變化以及其他因素，如圖2所示，其中裝藥量與鉆孔精度、爆破技術(shù)、施工管理分別占比44.2%、20.3%、17.7%，對隧道爆破超欠挖的影響最大，現(xiàn)對以上3因素對超欠挖的影響規(guī)律做進一步分析。

圖1 超欠挖影響因素統(tǒng)計分析[6]

根據(jù)9次數(shù)據(jù)采集資料，每循環(huán)所采用的爆破技術(shù)基本相同，現(xiàn)場爆破人員都是持證上崗，并有爆破專家對爆破人員進行培訓，且每循環(huán)上臺階爆破均為同一班工人開展，但超挖值卻有較大變化，說明孔網(wǎng)布設(shè)及施工管理不是導致白竹山隧道超挖嚴重的主要原因。

3 裝藥量及鉆孔角度對超欠挖影響規(guī)律

雖然每循環(huán)爆破均為同一班工人開展，但現(xiàn)場并未進行相應(yīng)的測驗工作，如打孔位置、鉆孔角度以及單孔裝藥量等，本文在對現(xiàn)場進行的9次爆破參數(shù)采集中，均對上述參數(shù)進行了詳細采集。

3.1 裝藥量對超欠挖影響規(guī)律

對每個炮孔的裝藥量進行數(shù)據(jù)采集，如表2所示。每個炮孔的裝藥量都是固定的，但超挖值卻有較大變化，說明裝藥量不是導致白竹山隧道超挖嚴重的主要原因。

表2 炮孔裝藥量統(tǒng)計

3.2 周邊孔孔口位置對超欠挖影響規(guī)律

以6～9次現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為例，對周邊孔孔口布設(shè)位置進行準確標定，將周邊孔孔口布設(shè)輪廓線與超欠挖輪廓線進行對比，如圖2所示?，F(xiàn)場技術(shù)人員在進行周邊孔鉆孔時，往往以上一循環(huán)初支混凝土表面為參照，初支混凝土表面的凹凸不平以及人工鉆孔時的不可控因素，使得周邊孔孔口位置布設(shè)不整齊，距離隧道輪廓線的距離不統(tǒng)一，同時周邊孔的間距不均勻。由圖2b)分析可知，周邊孔孔口位置不是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因，然而，由h=a+tanθ(h為隧道超欠挖，a周邊孔開口位置，θ為周邊孔外斜角度)可知，周邊孔開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

圖2 周邊孔孔口布設(shè)輪廓線與超欠挖輪廓線

3.3 鉆孔角度對超欠挖影響規(guī)律

1)鉆孔角度對超欠挖的影響規(guī)律。對現(xiàn)場爆破工藝進行現(xiàn)場檢測時發(fā)現(xiàn)，由于受到開挖臺車結(jié)構(gòu)構(gòu)造、鉆孔設(shè)備以及技術(shù)人員作業(yè)空間的制約，使得周邊孔鉆孔時都會向外傾斜一定角度，當外斜角度過大，周邊孔爆破時將會對保留巖體產(chǎn)生類似楔形掏槽孔的作用效應(yīng)，如圖3所示，保留巖體損傷嚴重。

圖3 周邊孔三維模型

鉆孔完成后，對每個周邊孔的角度進行準確測量，定義周邊孔的傾斜角度為90°與現(xiàn)場測量角度的差值，正值代表周邊孔外斜，負值代表周邊孔內(nèi)斜。限于篇幅，此處僅對第7、8、9次現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行分析，如圖4所示(注：個別炮孔為淺孔裝藥，未進行角度測量，導致周邊孔傾斜角度曲線不連續(xù))。由圖可知，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內(nèi)斜角度的增大，超挖值逐漸減小，說明周邊孔的傾斜角度是影響白竹山隧道超欠挖的主要原因。

圖4 超欠挖與周邊孔傾斜角度關(guān)系

2)鉆孔角度導致超挖原因分析。現(xiàn)場圍巖為層狀板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，在應(yīng)力波與爆生氣體共同作用下，巖體易脫落，造成超挖。

粉碎區(qū)半徑可按下式進行計算[12]：

(1)

式中：R0為粉碎區(qū)半徑；rb為炮孔半徑；ρ0為炸藥密度；ρm為巖石密度；D為炸藥爆速；Cp為巖石縱波波速；K為不耦合裝藥系數(shù)。

選用2號巖石乳化炸藥進行計算，密度ρ0=1.24 g/cm3，爆速D=4 200 m/s，炮孔半徑rb=2.1 cm，依據(jù)式(1)進行粉碎區(qū)半徑計算，炮孔直徑為42 mm，藥卷直徑為32 mm，不耦合裝藥系數(shù)K=1.30，計算得出粉碎區(qū)半徑R0=2.02 cm。

裂隙區(qū)半徑可按下式進行計算[13]：

(2)

式中：RL為裂隙區(qū)半徑；σtd為巖石抗拉強度；D*為損傷因子；λ為側(cè)壓力系數(shù)，λ=μd/(1-μd)，μd為巖石的動態(tài)泊松比，μd=0.8μ；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)，α=1-λ。

(3)

現(xiàn)場板巖的抗拉強度σtd=10.3 MPa，泊松比μ=0.22，可得A=5.16，α=1.78，不同不耦合裝藥系數(shù)條件下，裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系如圖5所示。

圖5 裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系

由圖5可知，不同不耦合裝藥系數(shù)條件下，裂隙區(qū)半徑RL與損傷因子D*關(guān)系的變化規(guī)律基本相同，隨著損傷因子的逐漸增加，裂隙區(qū)半徑逐漸增大，當損傷因子達到0.5時，裂隙區(qū)半徑達到極值，損傷因子繼續(xù)增加時，裂隙區(qū)半徑逐漸減小，這是由于隨著損傷因子的增大，巖石中的裂隙不斷增多，裂隙的發(fā)育消耗了應(yīng)力波的大部分能量，因此裂隙區(qū)半徑會逐漸減小。本文現(xiàn)場爆破的不耦合裝藥系數(shù)K=1.30，取損傷因子D*=0.5，計算得出裂隙區(qū)半徑RL=78.93 cm。

分析周邊孔傾斜角度造成超欠挖的原因：由圖5可知，現(xiàn)場板巖爆破時產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑RL為78.93 cm，每個周邊孔爆破都將產(chǎn)生一個類似圓柱體的裂隙損傷區(qū)域，此裂隙損傷區(qū)域以周邊孔底部中心為圓心，半徑為裂隙區(qū)半徑RL，高為裝藥長度，如圖6所示。ZK19+984～ZK19+954數(shù)據(jù)采集區(qū)段，圍巖為中風化薄～中厚層狀凝灰質(zhì)板巖，Rc=25 MPa，屬于較軟巖，Kv=0.58，[BQ]=290，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～較完整，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，隧道自穩(wěn)能力差，無支護時受震動易產(chǎn)生松動變形、擠壓破壞和坍塌及掉塊現(xiàn)象。依據(jù)此區(qū)段板巖性質(zhì)，輔助孔爆破為周邊孔爆破提供了臨空面，同時對周邊圍巖產(chǎn)生了“卸載”作用，裂隙的發(fā)育使本來破碎的板巖更加不穩(wěn)定，周邊巖體在爆破振動作用、自重應(yīng)力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，形成超挖區(qū)域。

圖6 周邊孔爆破形成的裂隙損傷區(qū)域

4 應(yīng)對措施

由上述分析可知，周邊孔的布設(shè)對隧道超欠挖的影響較大，合理的周邊孔布設(shè)參數(shù)能夠較好的控制超欠挖。

1)周邊孔孔口布設(shè)在距離設(shè)計輪廓線15 cm位置，與輔助孔的間距控制在60 cm，周邊孔間距為50 cm，孔深控制在3.5 m，確保布孔整齊均勻。

2)為了控制超欠挖，同時便于鉆孔操作，在開挖臺車上安裝鉆孔定位裝置，使周邊孔控制在以3°的斜率向斷面外傾斜。

3)周邊孔采用不耦合裝藥和空氣間隔裝藥，裝藥量為4條/孔，確保炸藥爆炸時能量在巖體中均勻分布，如圖7所示。

圖7 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)

爆破參數(shù)優(yōu)化后，超挖厚度控制在15 cm以內(nèi)，噴混超耗率控制在90%以內(nèi)，超欠挖控制效果較好，如圖8所示。

圖8 參數(shù)優(yōu)化后的爆破效果

5 結(jié)語

1)周邊孔的外斜角度過大是造成白竹山隧道爆破超挖嚴重的主要原因，隨著周邊孔外斜角度的增大，超挖值逐漸增大，隨著周邊孔內(nèi)斜角度的增大，超挖值逐漸減小，周邊孔孔口位置雖然對超欠挖的影響較小，但其開口位置將影響周邊孔孔底分布位置。

2)不耦合裝藥系數(shù)為1.30時，2號巖石乳化炸藥在板巖中爆破形成的粉碎區(qū)半徑為2.02 cm，裂隙區(qū)半徑為78.93 cm，周邊孔爆破時會形成一個類似圓柱體的裂隙損傷區(qū)域，周邊巖體在爆破振動作用、自重應(yīng)力作用以及裂隙的分割作用下從保留巖體中脫落，周邊孔的外斜角度越大，超挖越嚴重。

3)白竹山隧道爆破降低超挖量的核心是嚴格控制周邊孔的外斜角度，將周邊孔孔口布設(shè)在距離設(shè)計輪廓線內(nèi)15 cm位置，在開挖臺車上安裝鉆孔定位裝置，以≤3°的斜率向斷面外傾斜，能夠?qū)⒊诤穸瓤刂圃?5 cm以內(nèi)，爆破效果較好。