隧道微爆破開(kāi)挖施工技術(shù)研究

張立爽，丁志剛，王會(huì)軍

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)的公路建設(shè)得到了空前的發(fā)展。高速公路的快速發(fā)展，極大地提高了中國(guó)公路網(wǎng)的整體水平，優(yōu)化了交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，對(duì)緩解交通運(yùn)輸?shù)钠款i制約發(fā)揮了重要作用，有力地促進(jìn)了中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。隧道則成為了現(xiàn)代化交通系中的重要一環(huán)，然而在實(shí)際施工過(guò)程中由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工技術(shù)等原因，隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中的超挖現(xiàn)象較為普遍，而超挖將造成襯砌質(zhì)量缺陷，還將對(duì)危巖的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，并且超挖回填將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，如何避免隧道開(kāi)挖過(guò)程中的超挖問(wèn)題便是一個(gè)研究重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的開(kāi)挖方式雖然能夠較好地保證施工進(jìn)度、開(kāi)挖效率，但針對(duì)軟弱圍巖地區(qū)卻存在較大的弊端。以傳統(tǒng)的爆破方式進(jìn)行隧道施工開(kāi)挖將導(dǎo)致在隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)超挖的現(xiàn)象，且超挖回填將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失；振動(dòng)強(qiáng)烈將導(dǎo)致洞身地表的水塘及周?chē)木用褡≌粨p傷破壞，并存在一定的安全隱患[1]。而微爆破能夠很好地避免爆破地震效應(yīng)，減小沖擊波所帶來(lái)的危害；既可以減小超挖現(xiàn)象也可以對(duì)隧道洞身地表的水塘和居民住宅起到保護(hù)的作用。因此，相比之下，微爆破方式更適用于軟弱圍巖地區(qū)的隧道開(kāi)挖。

綜合考慮工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和施工進(jìn)度2 方面，在某些特殊條件下的隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，合理使用銑挖法與微爆破開(kāi)挖相結(jié)合的方式進(jìn)行隧道開(kāi)挖能夠較大程度地避免超挖問(wèn)題的出現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)損失，減小隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保圍巖整體穩(wěn)定性，提高開(kāi)挖效率、縮短工期。因此，進(jìn)行微爆破隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中的研究具有實(shí)際意義。

1 工程概況

巖灣隧道位于云陽(yáng)縣江口鎮(zhèn)新里村1 組，隧道呈北東南西向布設(shè)，有機(jī)耕道通往隧道下游40 m 處。隧址區(qū)進(jìn)口斜坡發(fā)育大地坪溝、出口斜坡下部有團(tuán)灘河與路線(xiàn)相交，隧道洞身段地表分布有羅家灣水庫(kù)和星羅棋布的大大小小的水塘。隧址區(qū)為構(gòu)造侵蝕、剝蝕地貌，隧道走向220°。隧道橫穿山體呈北東南西向展布，軸線(xiàn)地面高程為275～425 m。隧道東北側(cè)斜坡地形較緩，脊嶺寬緩，丘峰呈圓狀，東側(cè)160 m 處為羅家灣水庫(kù)、西側(cè)450 m 處有新里水庫(kù)，均位于隧道之上。區(qū)內(nèi)主要河流團(tuán)灘河在隧道出口下部自北向南徑流，谷底寬約52 m，兩岸谷坡較緩，地形坡度達(dá)20°～30°。該溝谷兩岸坡面凹凸起伏，支溝發(fā)育，兩岸坡面多分布旱地，局部出現(xiàn)陡坎，溝底分布有水田。其余區(qū)段地形以斜坡地貌為主，緩-斜坡段為旱地區(qū)，隧址區(qū)未見(jiàn)斷層通過(guò)，發(fā)育一小型褶皺，隧址區(qū)起點(diǎn)—K85+300 段巖層產(chǎn)狀大致北傾，K85+320 段附近為背斜核部，褶皺軸與隧道大角度相交，K85+360—終點(diǎn)為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀大致南傾，傾角為13°～21°。

根據(jù)鉆探揭露，該褶皺處于侏羅系中統(tǒng)新田溝組內(nèi)，褶皺附近產(chǎn)狀雜亂、變化快，構(gòu)造節(jié)理裂隙極其發(fā)育，層間結(jié)合差，巖性主要粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖，整體破碎，粉砂質(zhì)泥巖主要呈碎塊狀、角礫狀，砂巖多呈碎塊狀、短柱狀，偶見(jiàn)長(zhǎng)柱狀，節(jié)長(zhǎng)為15～40 cm。砂巖屬較硬巖，強(qiáng)度相對(duì)較高，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，多呈中-厚層狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化層較薄，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般為2～3 m，巖體較完整，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

2 微爆破開(kāi)挖特征分析

考慮到巖石開(kāi)挖的不同機(jī)械挖掘工具，鉆孔和爆破被認(rèn)為是廉價(jià)的，同時(shí)也是最可接受的并兼容任何地質(zhì)開(kāi)挖條件。兩者都能進(jìn)行隧道的開(kāi)挖，但各自的施工適用條件、開(kāi)挖速度、工程成本都有所不同。合理使用銑挖法與微爆破開(kāi)挖相結(jié)合的方式，可以明顯提高施工效率，降低施工成本。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體的強(qiáng)度特性、節(jié)理形式的特點(diǎn)和爆破質(zhì)量要求，采用控制爆破技術(shù)，即預(yù)裂爆破和光面爆破，也稱(chēng)為微爆破，以達(dá)到不破壞圍巖的目的。為了將破壞或超破壞的程度降到最低，在選擇炸藥參數(shù)和實(shí)施任何合適的爆炸模式之前，應(yīng)考慮開(kāi)挖過(guò)程中的地應(yīng)力和應(yīng)力的重新分布。由于巖體結(jié)構(gòu)本質(zhì)上不是塊狀的，開(kāi)挖引起的巖體損傷可能是準(zhǔn)靜態(tài)的，即由于開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的重新分布導(dǎo)致裂紋增長(zhǎng)速度緩慢；或者是動(dòng)態(tài)的，即由于地震事件產(chǎn)生的應(yīng)力波或氣體能量穿透巖石節(jié)理導(dǎo)致裂紋高速傳播。

爆破損傷的特征和程度取決于巖石強(qiáng)度特性、節(jié)理特征、開(kāi)挖區(qū)域和實(shí)施的爆破設(shè)計(jì)。爆破損傷的可接受程度取決于位移巖體的特征要求和周?chē)鷰r石結(jié)構(gòu)的重要性[2]。根據(jù)爆破形式和地層條件，實(shí)施適當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖順序和足夠的支護(hù)系統(tǒng)容量，可以減少開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力或應(yīng)力重分布對(duì)巖石節(jié)理的影響，最大限度地減少破壞或超破壞的程度。一般在爆破后會(huì)立即發(fā)生因爆破沖擊引起的巖體破壞或超破壞。為了量化周?chē)鷰r體質(zhì)量的惡化程度，應(yīng)采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)爆破形式進(jìn)行合理評(píng)估，并設(shè)計(jì)必要的支護(hù)系統(tǒng)。

巖石損傷的最小化取決于對(duì)斷裂力學(xué)和裂紋傳播的可接受理論的理解，即沖擊波誘導(dǎo)的切向壓力和激波在自由面上的反射，由于高溫和高壓氣體進(jìn)入狹窄的徑向裂紋尖端，在裂紋尖端產(chǎn)生楔形作用。對(duì)井壁的高速?zèng)_擊始于炸藥的爆轟和沖擊波對(duì)圍巖的傳遞。沖擊波的損傷一般發(fā)生在觀(guān)察到不可逆能量耗散的區(qū)域，即巖石介質(zhì)表現(xiàn)為塑性而不是彈性的區(qū)域。因此，另一個(gè)主要參數(shù)即氣體驅(qū)動(dòng)應(yīng)負(fù)責(zé)破壞破碎區(qū)以外的周邊巖石結(jié)構(gòu)。與應(yīng)力波引起的裂縫相比，氣體能量將裂縫擴(kuò)展到10～100 倍的量級(jí)。因此，由眾多節(jié)理或?qū)永砻婊蛑虚g軟弱地層或軟弱充填材料組成的巖層加重了緊鄰圍巖不可接受的破壞特性。

同樣，炸藥爆轟的不良數(shù)量也可能導(dǎo)致不可接受的損壞或不穩(wěn)定的和周邊巖墻能源消耗。超過(guò)或低于要求的炸藥在引爆時(shí)，會(huì)增加加速度或反推力的大小，從而惡化位于甚至很遠(yuǎn)的節(jié)理之間的填充材料的粘結(jié)力，并立即或隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致大規(guī)模巖體破壞[3]。因此，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不僅取決于巖石的強(qiáng)度特性，還取決于在開(kāi)挖過(guò)程中形成的開(kāi)挖應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征。在實(shí)施任何周界控制爆破設(shè)計(jì)之前，應(yīng)適當(dāng)研究巖石節(jié)理的特征、主應(yīng)力的大小及炸藥爆炸或產(chǎn)生空隙對(duì)節(jié)理或弱面的影響。影響外圍巖壁損傷大小的可控參數(shù)是爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，即爆破幾何和炸藥性質(zhì)。由于反射波和折射波同時(shí)包含不同強(qiáng)度和性質(zhì)的壓力波、橫波，因此光面爆破的效果取決于合理的爆破設(shè)計(jì)、起爆順序和線(xiàn)形裝藥質(zhì)量濃度的優(yōu)化爐料變化對(duì)爆破性能的影響。

3 微爆破施工措施

爆破開(kāi)挖雖然不貴，但當(dāng)建筑物如土木或巖石的安全受到威脅時(shí)，有時(shí)會(huì)變得昂貴。在進(jìn)行爆破時(shí)，如果實(shí)施不當(dāng)不僅會(huì)造成破壞或超破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能影響施工人員的生命安全。如果沒(méi)有控制好爆破的威力，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)隧道工程坍塌[4]。對(duì)于每個(gè)孔裝藥相同、料距不同的巖體，從爆破破片投擲量、渣土剖面、振動(dòng)幅度、空氣爆破、巖體破碎和松動(dòng)等方面對(duì)能耗進(jìn)行了比較評(píng)估，同樣的裝藥每孔，裝藥量與爆破破巖塊的比動(dòng)量和前料的松動(dòng)度成反比，與振動(dòng)的大小成正比。同樣，對(duì)于不同的料距，相同的考慮時(shí)間，裂紋的特征擴(kuò)展隨裝藥質(zhì)量濃度的增加而增加，裂隙密度隨著裝藥質(zhì)量濃度的增加而增加，因此，對(duì)于一個(gè)有效的光滑爆破形式，線(xiàn)性裝藥質(zhì)量濃度對(duì)于限制裂紋的產(chǎn)生非常重要。不同節(jié)理面特征下的圍巖特征，在弱平面上，應(yīng)合理地進(jìn)行炸藥量?jī)?yōu)化，并在炮眼內(nèi)適當(dāng)位置植入炸藥，以實(shí)現(xiàn)有效的光面壁爆破。

3.1 支護(hù)體系

有時(shí)支護(hù)體系實(shí)施的不充分和爆破的影響，會(huì)使距周邊較遠(yuǎn)的節(jié)理或?qū)永砻嬷g的充填材料質(zhì)量惡化。巖體節(jié)理質(zhì)量的劣化，表現(xiàn)為巖體節(jié)理間充填材料粘結(jié)力減弱，隨著時(shí)間的推移，可增加地層荷載，引起巖體的坍塌或破壞。因此，對(duì)于土木建筑工程，損傷可定義為開(kāi)挖誘發(fā)應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)巖體完整性或質(zhì)量的惡化。根據(jù)爆破形式和地層條件，采用適當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖順序和選擇足夠的支護(hù)系統(tǒng)容量，可以減少開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力或應(yīng)力重分布對(duì)巖石節(jié)理的影響，最大限度地減少破壞或超破壞的程度[5]。一般在爆破后立即發(fā)生因爆破沖擊引起的巖體破壞或超破和巖體完整性退化。為了量化周?chē)鷰r體質(zhì)量的惡化程度，應(yīng)采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)爆破形式進(jìn)行合理評(píng)估，并設(shè)計(jì)必要的支護(hù)系統(tǒng)。

3.2 配料的影響

在巖石力學(xué)中，與試樣形狀相比，試樣的尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度下巖石試樣的強(qiáng)度特性有顯著的影響。同樣，與深度和鉆孔直徑相比，外圍和緩沖排的巖石配料在光面爆破中起著重要作用。應(yīng)利用受裝藥直徑和材料、低直徑炸藥和較小材料影響的波動(dòng)特征和加速度大小來(lái)控制對(duì)周邊巖壁的破壞。此外，由于裂紋尖端的傳播速度在介質(zhì)瑞利波速的32%～38%之間，因此應(yīng)優(yōu)化邊緣孔的材料，使損傷控制在可接受的范圍內(nèi)。

根據(jù)巖石的強(qiáng)度特性，緩沖排的配料不應(yīng)超過(guò)臺(tái)階高度的0.2 倍[6]。然而，根據(jù)鉆孔直徑、偏移特性和工作臺(tái)高度的不同，緩沖排的配料最多可以限制在工作臺(tái)高度的0.4 倍。同樣，外圍行負(fù)荷不應(yīng)大于緩沖行負(fù)荷的0.6 倍。一般來(lái)說(shuō)，緩沖排（倒數(shù)第2 行）的負(fù)荷應(yīng)小于最佳值，而外圍行則應(yīng)小于緩沖排的3/4 負(fù)荷。增加緩沖區(qū)和外圍行之間的延遲時(shí)間可以在外圍行啟動(dòng)前最小化實(shí)際負(fù)擔(dān)。爆破過(guò)程中減少的巖石負(fù)擔(dān)最小化了人工創(chuàng)建的自由面（前一排創(chuàng)建的自由面）應(yīng)力波能量反射的持續(xù)時(shí)間，從而減少了對(duì)井壁的影響[7]。為達(dá)到合理的炮眼底部剪切效果，炮眼底部放置炸藥的孔壓應(yīng)超過(guò)巖石的動(dòng)抗剪強(qiáng)度，為盡量減小剛度和減少氣體能量沖擊持續(xù)時(shí)間，炮眼底部放置的炸藥應(yīng)小于最佳裝藥量，周邊孔深度應(yīng)小于緩沖排深度。

3.3 孔徑、炮孔深度和料層

由于炸藥爆轟所產(chǎn)生的應(yīng)力大小具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)，巖體的動(dòng)強(qiáng)度特性為靜強(qiáng)度的10～25 倍，因此炸藥爆轟所產(chǎn)生的爆轟壓力應(yīng)超過(guò)巖石的動(dòng)強(qiáng)度特性，才能達(dá)到適當(dāng)?shù)钠茐摹４送?，由于巖樣的形狀會(huì)影響巖石的強(qiáng)度特性，因此要進(jìn)行有效的光面爆破，必須合理地優(yōu)化孔徑、炮孔深度和料層。

為了獲得一個(gè)完好光滑的巖壁，必須了解巖石對(duì)炸藥爆炸產(chǎn)生的能量的響應(yīng)。為使外圍巖壁的崩解程度降到最低，巖壁應(yīng)單獨(dú)爆破一次。外圍排鉆孔深度應(yīng)小于緩沖排和生產(chǎn)排，鉆孔深度差以料巖距離和破壞特征角為指導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷的光面墻爆破，必須慎重研究巖體節(jié)理形式和巖土性質(zhì)。爆破方式和起爆順序的布置應(yīng)避免節(jié)理面受力破壞巖體強(qiáng)度特性，使2 個(gè)節(jié)理面之間充填材料的粘結(jié)力松動(dòng)。為了減小充填材料內(nèi)部2 個(gè)節(jié)理面之間發(fā)育的應(yīng)力波（折射或反射）的量級(jí)，節(jié)理面上應(yīng)力的入射角應(yīng)小于10°或超過(guò)60°，為避免相鄰排和相鄰排的電荷以振動(dòng)幅度放大的形式相互配合，避免多余的氣體能量迅速釋放，應(yīng)采用長(zhǎng)延時(shí)起爆系統(tǒng)。為進(jìn)一步減小后墻的反推力，緩沖器與周邊排孔之間應(yīng)采用跳長(zhǎng)延時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著大量的隧道工程開(kāi)挖施工，需要采用不同的開(kāi)挖方式來(lái)適應(yīng)不同的工程要求。傳統(tǒng)的開(kāi)挖方式雖然能夠較好地保證施工進(jìn)度、開(kāi)挖效率高，但針對(duì)軟弱圍巖地區(qū)卻存在較大的弊端。以傳統(tǒng)的爆破方式進(jìn)行隧道施工開(kāi)挖將導(dǎo)致在隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)超挖的情況，超挖回填將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文依托巖灣隧道工程，對(duì)控制爆破技術(shù)，即預(yù)裂爆破和光面爆破進(jìn)行了一定的分析，對(duì)比傳統(tǒng)的爆破手段，它可以將破壞或超破壞的程度降到最低，并結(jié)合工程實(shí)例從支護(hù)體系、配料的影響和孔徑、炮孔深度及料層等方面提出工程具體措施，為類(lèi)似的隧道微爆破提供一定的參考。