預(yù)裂光面綜合爆破在層理發(fā)育隧道中的應(yīng)用

儲寧吉 馮進(jìn) 畢文生 謝運東 黃林

（中化學(xué)交通建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250014）

1 工程概況

本文選取臨沂至滕州公路施工四標(biāo)段崮山隧道開展試驗，通過與光面爆破效果對比，對超挖量、施工成本、安全、質(zhì)量等進(jìn)行了全面分析。

崮山隧道進(jìn)口位于臨沂市費縣崮山東頭村以南約210m處，出口位于崮山西頭村以北約120m處。隧道左線起止樁號為ZA3K57+584～ZA3K58+491.5，長907.5m，進(jìn)口設(shè)計標(biāo)高158.57m，出口設(shè)計標(biāo)高170.35m，最大埋深138m；右線起止樁號為k57+570～k58+496，長926m。隧道地質(zhì)較復(fù)雜，巖體整體較破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育較好，結(jié)構(gòu)面類型為節(jié)理、裂隙、層面，層間結(jié)合一般，為中、薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體穩(wěn)定性一般，左洞拱頂圍巖較完整，右洞拱頂層理發(fā)育較破碎，層理發(fā)育較明顯，拱部無支護(hù)時可能產(chǎn)生坍塌、冒頂，爆破開挖后，找頂過程中拱頂出現(xiàn)較大超挖，拱頂右側(cè)局部出現(xiàn)“平頂”現(xiàn)象。集中降雨時，洞室可能出現(xiàn)點滴狀或淋雨狀出水。

2 爆破機理與預(yù)裂爆破原理

2.1 爆破機理

2.1.1 動力學(xué)理論

炸藥爆破時，強大的沖擊波沖擊和壓縮周圍的巖體，在巖體中激發(fā)成強烈的應(yīng)力波。當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到自由面時，從自由面反射而形成拉伸應(yīng)力波，當(dāng)拉伸應(yīng)力波的強度超過巖體的極限抗壓強度時，則產(chǎn)生拉伸片裂破壞作用。

2.1.2 靜力學(xué)理論

炸藥爆破時，會產(chǎn)生大量高溫高壓的爆生氣體，當(dāng)這種氣體膨脹時所產(chǎn)生的壓力作用在周圍的巖壁上，會引起巖石質(zhì)點的徑向位移。由于作用力不等引起不同徑向的位移，導(dǎo)致在巖石中形成剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過巖石的極限抗剪強度時，會引起巖石的破裂。當(dāng)爆生氣體的推力大到一定程度時，則會引起巖石隆起、拋擲。

2.1.3 動力學(xué)與靜力學(xué)聯(lián)合作用理論

應(yīng)力波拉伸破壞與爆生氣體的推力、尖劈共同作用，根據(jù)巖體的性質(zhì)不同，作用程度不同。在整體性較好、致密堅韌的巖體中，因其波阻抗較高，應(yīng)力波傳播性能好，巖石的破壞程度主要取決于應(yīng)力波拉伸破壞作用；在圍巖較破碎、完整性較差的巖體中，因其波阻抗較低，存在不同介質(zhì)，應(yīng)力波傳播性能較差，巖石的破壞程度主要取決于爆生氣體的作用。

2.2 預(yù)裂爆破原理

預(yù)裂爆破先于其他炮眼起爆，預(yù)先形成貫通裂縫，裝藥方式為不耦合間隔裝藥，利用導(dǎo)爆索或多發(fā)雷管等方式，實現(xiàn)傳爆。待外圈輔助眼爆破時，爆生氣體及應(yīng)力波到達(dá)貫通裂縫時，因介質(zhì)發(fā)生變化，應(yīng)力波穿過不同介質(zhì)，會發(fā)生較大的衰減，作用于圍巖的應(yīng)力將大大減弱，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)貫通裂縫時，因介質(zhì)的改變，會發(fā)生反射作用，在相互疊加的作用下，破巖作用得到增強。一旦爆生氣體到達(dá)貫通裂縫，會沿已形成的裂縫尖劈，減小對圍巖的作用，且可以二次切割貫通裂縫。

3 工藝要點及難點

3.1 工藝要點

對測量人員開展技術(shù)交底，明確開挖輪廓線尺寸，確保輪廓線、孔位標(biāo)注準(zhǔn)確；嚴(yán)格對司鉆工進(jìn)行技術(shù)交底，保證周邊眼外插角不大于2°；調(diào)整雷管段位，保證拱頂周邊眼先起爆，掏槽眼、輔助眼、側(cè)墻周邊眼、底板眼再依次起爆；確保拱頂周邊眼僅有孔口一個臨空面，爆破效果不受制于抵抗線；預(yù)先在拱頂形成有效貫通裂縫，減小輔助眼對圍巖的擾動；引導(dǎo)輔助眼破巖外的爆生能量，二次切割貫通裂縫，提高預(yù)裂效果。

3.2 工藝難點

拱頂周邊眼貫通裂縫能否有效形成是重中之重，會直接影響整體爆破效果及超欠挖；拱頂處周邊眼炸藥單耗較光面爆破較大，炮眼間距較光面爆破較小，在保證炮眼間不欠挖的條件下，控制孔底超挖為關(guān)鍵所在。

4 光面爆破實施效果

4.1 左洞光面爆破效果

左洞ZA3K57+842段設(shè)計為Ⅳ級加強襯砌類型，襯砌厚度40cm，初期支護(hù)I18工字鋼，噴射混凝土厚度24cm，設(shè)計預(yù)留變形量8cm。

圖1 左洞設(shè)計斷面圖

施工中根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，預(yù)留5cm變形量，采取正臺階法開挖，實際開挖輪廓線如圖2所示。鉆孔前測量人員使用全站儀對掌子面開挖輪廓線實施放樣，紅油漆標(biāo)注孔位，保證鉆孔精度。

圖2 左洞開挖輪廓線示意圖

周邊眼爆破參數(shù)為炮孔間距E=50 cm，最小抵抗線W=60cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數(shù)m=0.83，周邊眼采用MS-15非電毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)兩發(fā)雷管實現(xiàn)間隔裝藥，左洞周邊眼布置如圖3所示。

圖3 左洞周邊眼布置示意圖

左洞爆破開挖找頂后，掃描掌子面斷面，掌子面斷面圖如圖4所示。

圖4 ZA3K57+842掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析，該循環(huán)超挖控制較好，線性平均超挖10.8cm，每延米超挖2.22m3。最大超挖18.2cm，位于拱頂處，通過現(xiàn)場跟班作業(yè)分析后得出，主要原因為開挖臺架高度偏低，作業(yè)人員鉆孔作業(yè)困難，角度偏大導(dǎo)致。

分析現(xiàn)場掌子面實拍影像可知，拱頂處存在部分欠挖、掛口現(xiàn)象，雖有部分殘孔，但孔間有炮茬，存在不同程度的超欠挖。總體來說，超挖較可控，但輪廓線形有待提高。

4.2 右洞光面爆破效果

右洞k57+789段設(shè)計為Ⅳ級加強襯砌類型，襯砌厚度40cm，初期支護(hù)I18工字鋼，噴射混凝土厚度24cm，設(shè)計預(yù)留變形量8cm。設(shè)計類型、開挖輪廓線、炮眼布置與左洞一致。

右洞爆破開挖找頂后，掃描掌子面斷面，示意圖如圖5所示。

圖5 k57+815.3掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析得知，此循環(huán)超挖較大，最大超挖27.7cm，位于拱腰處，拱頂超挖較嚴(yán)重，存在多處20cm以上超挖，通過計算，線性平均超挖19cm，開挖斷面輪廓線弧長20.56m，每延米超挖3.91m3。經(jīng)分析，拱頂圍巖層理較發(fā)育，爆破效果受地質(zhì)條件影響較大，孔底爆破漏斗過大，因圍巖層理發(fā)育，爆生氣體無法完全有效作用于巖體，且受到應(yīng)力波不規(guī)則拉伸破壞，致使拱頂整體超挖嚴(yán)重。

分析現(xiàn)場掌子面實拍影像得知，拱頂處全面超挖，尤其拱肩處超挖較大，現(xiàn)場分析為水平層理巖層，開挖后線形尚可，找頂后掉塊較嚴(yán)重，且圍巖平整度較差。經(jīng)分析，內(nèi)圈輔助眼、周邊眼對圍巖的擾動過大，致使找頂后超挖嚴(yán)重。

5 預(yù)裂光面綜合爆破實施效果

考慮左洞、右洞拱頂部分超挖較大，擬在拱頂處采用預(yù)裂爆破，側(cè)墻按原爆破設(shè)計采用光面爆破，為保證預(yù)裂區(qū)與光爆區(qū)之間能有效形成貫通裂縫，設(shè)計在預(yù)裂區(qū)與光爆區(qū)之間打設(shè)空眼，深度與周邊眼深度相同，起到導(dǎo)向作用。

5.1 左洞預(yù)裂光面綜合爆破效果

左洞選取ZA3K57+845、ZA3K57+849段，設(shè)計襯砌形式、開挖工法、實際開挖輪廓線同ZA3K57+842段，實際預(yù)留量取5cm。

周邊眼爆破參數(shù)為側(cè)墻周邊眼間距E=50cm，最小抵抗線W=60cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數(shù)m=0.83，周邊眼采用MS-15非電毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)兩發(fā)雷管實現(xiàn)間隔裝藥；拱頂周邊眼間距E=40cm，最小抵抗線W=50cm，線裝藥密度q=0.25kg/m，炮眼密集系數(shù)m=0.8，拱頂周邊眼采用MS-1非電毫秒導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)兩發(fā)雷管實現(xiàn)間隔裝藥，周邊眼布置如圖6所示。

拱頂預(yù)裂區(qū)周邊眼線裝藥密度與其他周邊眼相同，但因炮眼間距減小，總體炸藥單耗提高。

圖6 預(yù)裂光面綜合爆破周邊眼布置

左洞開挖找頂后，掃描掌子面斷面，實際超欠挖如圖9所示。

圖7 ZA3K57+845掌子面斷面圖

分析掌子面斷面得知，此循環(huán)超挖較光面爆破略有增大，最大超挖25.2cm，位于拱頂處，線性平均超挖13.6cm，每延米超挖2.8m3。采用預(yù)裂爆破后，平均線性超挖和最大超挖均增大，經(jīng)分析，左洞拱頂巖體較完整，周邊眼炮眼間距減小，炸藥單耗提高后，炮孔間爆破漏斗重疊，應(yīng)力波作用加強，導(dǎo)致較大超挖。

圖8 ZA3K57+849掌子面斷面圖

從掌子面斷面圖分析，此循環(huán)超挖控制較好，最大超挖29.1cm，位于拱肩處，線性平均超挖12.6cm，每延米超挖2.59m3。同ZA3K57+845斷面分析，均因炸藥單耗增大所致。

分析現(xiàn)場掌子面實拍影像得知，拱頂處存在較大超挖，尤其是最大超挖達(dá)到30cm，經(jīng)過數(shù)據(jù)收集與現(xiàn)場分析，主要原因為單耗增大所致，其次為司鉆工打眼時外插角度過大所致。初步結(jié)論判斷，預(yù)裂爆破不適用于巖體較完整的隧道。

5.2 右洞預(yù)裂光面綜合爆破效果

右洞選取k57+794、k57+797段，設(shè)計襯砌形式、開挖工法、實際開挖輪廓線、炮眼布置、爆破參數(shù)等同左洞。

右洞開挖找頂后，對掌子面斷面進(jìn)行掃描，實際超欠挖見下。

從掌子面斷面圖分析，此循環(huán)超挖較小，最大超挖11.3cm，位于左拱肩處，線性平均超挖7.6cm，每延米超挖1.56m3。

圖9 K57+794掌子面斷面圖

圖10 K57+797掌子面斷面圖

分析掌子面斷面圖可知，此循環(huán)超挖控制較好，最大超挖18.5cm，位于右拱肩處，線性平均超挖9cm，每延米超挖1.85m3。

分析現(xiàn)場掌子面實拍影像可知，右洞爆破開挖后，炮孔殘存率高，拱頂預(yù)裂區(qū)域達(dá)到100%，且超挖較小，較光面爆破超挖有所減小，但兩個循環(huán)最大超挖均出現(xiàn)在拱肩處，此處為預(yù)裂區(qū)與光爆區(qū)結(jié)合處，應(yīng)適當(dāng)增大預(yù)裂區(qū)與光爆區(qū)的周邊眼炮眼間距。初步結(jié)論判斷，預(yù)裂爆破適用于層理發(fā)育的隧道。

6 施工成本比較

每循環(huán)進(jìn)尺3.2m，拱頂區(qū)域光面爆破打設(shè)18個周邊眼，預(yù)裂爆破打設(shè)22個周邊眼，炮眼增加4個，雷管增加8發(fā)，炸藥增加3kg。增減成本具體如表1所示。

表1 光面爆破與預(yù)裂光面綜合爆破成本比較

7 開挖效果分析

左洞采用預(yù)裂光面爆破后，平均線性超挖由10.6cm增大至13.6cm、12.6cm，超挖由2.22m3增大至2.8m3、2.59m3，平均每延米超挖增大0.495m3，超挖率增大22.3%；左洞最大超挖由18.2cm，增大至25.2cm、29.1cm，且隨機性較強，基本位于拱頂、拱肩處。

圖11 左洞爆破效果對比圖

右洞采用預(yù)裂光面爆破后，平均線性超挖由19cm減小至7.6cm、9cm，超挖由3.91m3減小至1.56m3、1.85m3，平均每延米超挖減少2.205m3，超挖率較小56.4%；右洞最大超挖由24.9cm，減小至11.3cm、18.5cm，且均位于拱肩光爆區(qū)與預(yù)裂區(qū)交界處。

圖12 右洞爆破效果對比圖

8 結(jié)束語

通過實踐表明，預(yù)裂光面綜合爆破技術(shù)可應(yīng)用于層理發(fā)育隧道，但不適用于圍巖完整隧道。

從整體效果來看，預(yù)裂光面綜合爆破技術(shù)能有效減少拱頂處超挖，并可將線性超挖整體控制在10cm左右，最大超挖不超過20cm，爆破后掌子面圍巖輪廓較好，圓順平整，超挖率降低近60%，考慮因周邊眼外插角度造成不可避免的超挖因素，此爆破技術(shù)已從很大程度上減少了超挖。

從成本來看，采取預(yù)裂光面綜合爆破雖增加了炸藥、雷管成本，但大大節(jié)約了噴射混凝土，每延米降低成本900元。同時減少了混凝土的總耗量，也減少了回彈量，按定額規(guī)定回彈20%來計算，節(jié)約成本180元，總體每延米降低成本1080元。

從進(jìn)度來看，降低了超挖量，減少了出渣的時間，縮短了噴漿的時間，整體循環(huán)工效得到提升。

從安全來看，拱頂爆破炮痕保存率近100%，巖面圓順，降低了拱頂?shù)魤K和地應(yīng)力的集中，提高了安全系數(shù)。

從質(zhì)量來看，巖面圓順，可減少找頂時間，第一時間對圍巖進(jìn)行初噴，保證了應(yīng)力的重分布，提高了整體質(zhì)量。