浅谈膨胀性泥岩隧道爆破优化及弃渣回填路基施工技术

吕文耀

【摘要】本文依托广大铁路扩能改造工程站前二标路基、隧道施工，通过对隧道挖石方填筑路基施工技术的研究，在施工中通过设计弃渣基本性质试验及水泥改良试验方案，可效的保证了弃渣抗压强度，达到充分利用隧道弃渣，进行路基回填的目的，从而使隧道弃渣与路基填料需求两者之间平衡。在保证施工安全和质量的前提下，加快工程进度、降低工程造价，达到保护环境与工程建设之间的和谐。

【关键词】膨胀性；泥岩；隧道；爆破；优化；弃渣回填；关键施工技术

近年来，随着国民经济的飞速发展，交通建设投资连年增长。铁路工程项目由于自身特点，呈线状分布，跨越地貌类型多，在西南山区，隧道数量较多，施工现场交通条件差，材料运费高昂，这些往往影响整个工程进度和费用，山区内新建的采石场又破坏山区自然环境，隧道弃渣也会对自然环境造成影响。隧道工程产生大量弃渣，路基填方的利用不多，造成大量弃渣需要处理；另一方面路面工程的数量巨大，需要大量回填料。

1 工程背景

广大铁路隧区上覆第四系全新统人工填筑、坡洪积粉质粘土，坡残积粉质粘土；下伏基岩为白垩系下统普昌河组泥岩夹砂岩，属于云南地区典型的“滇中红层”地层，该地层以泥岩为主，局部夹有砂岩，泥岩遇水易软化、崩解，失水后收缩。

2 工程特点

2.1 通过优化爆破孔布置，采用在开挖区掏槽孔、崩落孔爆破后所有周边孔同时起爆，改善隧道爆破弃渣颗粒，使爆渣颗粒满足路基填筑要求，达到路基填筑要求。

2.2 通过设计膨胀性泥岩隧道爆破弃渣基本性质试验及改良试验方案，有效改善了弃渣抗压强度，解决了在使用红层软岩岩体进行路基填筑时，亲水性强、透水性弱，在水的作用下易软化、塑變，吸水后岩体膨胀，失水后岩体收缩、易崩解的难点。

2.3 改良弃渣路基具有较好的刚性骨架，强度高，在动荷载作用下，变形较小，满足路基使用要求。

2.4 减少了隧道弃渣数量，同时减少了隧道弃渣征地面积，保护了环境。

2.5 减少了取土场征地面积，解决了寻找料源困难的问题，减少了填料运输距离，节约了成本。

3 施工工艺原理及流程图

3.1 由于“滇中红层”主要以泥岩为主，泥岩具有弱膨胀性，为了满足填料要求，需要通过掺入水泥的方式进行物理改良，通过改良试验方案，有效改善了弃渣抗压强度，优化了隧道爆渣性能，达到满足路基填筑材料要求，进行路基填筑，达到节约成本目的。

3.2施工工艺流程

图1 施工工艺流程图

4 关键工序施工工艺及操作要点

4.1 施工技术准备

1 “滇中红层”地质构造的特点

“滇中红层”地层以红色泥岩为主，局部夹有砂岩，该地层主要以1cm～50cm的薄～中厚层状为主，节理较发育，透水性较差，泥岩具有弱膨胀性，遇水易软化、崩解，失水后收缩。

2 爆破弃渣性能改进试验

为解决爆破弃渣弱膨胀性问题，对弃渣取样进行室内改良试验。

1）改良前后无侧限强度对比

根据经验利用水泥改良膨胀土具有明显的效果，改良土有较高的强度、良好的水文性和击实特性；性质不同的土样，其最佳掺灰量不尽相同。在室内试验分别对土样按0%、4%、5%、 6%、 7%参入水泥，对水泥改良前后的7天龄期无侧限抗压强度每种配比进行了5组试验，结果如下：

表1 膨胀土改良前后无侧限抗压强度统计表（单位：kPa）

掺灰比 0 4 5 6 7

水泥 K=0.95 223 515 728 830 894

弃渣经水泥改良后其7天龄期无侧限强度为改良以前的3倍多。

底层路堤改良的配比按掺灰量≥5%时，其无侧限抗压强度能满足350kPa要求。

2）改良前后湿化试验对比

在室内试验还对取土场土源在K=0.95改良前后各种配比进行了3组湿化试验，结果如下：

浸水1小时后，素土夯实土样呈粒状崩解约90%，浸水2小时后，即完全崩解。改良以后，浸水48小时无崩解。改良后水稳性能够满足设计要求。

3）爆破弃渣最终拌和比确定

根据试验结果，为降低工程造价，基床底层填料改良的掺灰比最终选定为5%，其浸水无侧限抗压强度能满足350kPa要求。

4.2 基底处理

用挖掘机配合推土机对试验段进行基底清理整平工作，清除死角。对淤泥、杂草、垃圾、落石等一切不适合做路基填料的东西全部清除路基施工范围外，做废弃处理。

基底处理完成后，进行复核放样工作，每10m一个中心桩点，按实测标高计算基底面填筑宽度。放坡脚线时，按实测路基半宽+0.5m作为一层填筑宽度，保证有效压实且不小于设计宽度。

4.3 爆破优化

在褶皱、断层、膨胀性岩层中，根据岩体强度、岩层走向、断层节理结构面情况相结合合理确定炮孔方向、装药量。针对环形上导坑临空面小的特点，多设置掏槽孔，多创造临空面，减小岩体爆破挟制作用，提高爆破效果，减小爆渣颗粒。对周边孔孔径增大，增大炮孔与药卷的不耦合系数，有效的控制爆渣颗粒大小，使爆渣颗粒满足路基填筑要求。

1 爆破方法

根据隧道围岩地质情况，设计采用光面爆破。

2 炸药品种选定

选用2#岩石铵梯炸药和2#岩石乳化炸药，药卷直径32mm、35mm、38mm、40mm，药卷长250mm。

3 炸药用药量预算

炸药用药量主要有以下因素决定：岩石的坚硬程度和岩层的构造、开挖断面面积、开挖进尺。

每循环炸药用量Q值计算：Q=K*L*S

式中：K—爆破单位体积岩石的炸药平均消耗量，隧道主要以泥岩为主，K 值=1.2～1.4 ，K取1.2。

L—开挖进尺数（m），开挖平均进尺0.8m。

S—开挖断面面积（m2）。

隧道采用三台阶开挖方法，一台阶开挖面积约45m2，用药量Q=K*L*S=1.2*0.8*31=30kg。

二三台阶为两个临空面用药量Q=K*L*S=0.6*100*0.8=48kg。

实际开挖爆破中，K值与爆破临空面、岩石完整性系数f和开挖断面进尺比（S/L）有较大影响，根据试爆效果进行调整。

炮眼眼数、炮眼布置和炮眼深度

炮眼眼数预算

N=Q/q=Q/α*β*L=78/（0.5*0.78*0.8）=250个

式中：α—各部炮眼装药系数。软石：掏槽眼取0.5，辅助眼取0.4，周边眼取0.4。

β—药卷单位长度质量值kg/m（药卷直径为32、35、38、40mm时，相对应β值为0.78、0.96、1.10、1.25）。

q—单孔平均装药量q=α*β*L。

4 炮眼布置

钻眼前先测量定出开挖断面中线、水平线和断面轮廓线，标出炮眼位置，检查无误后方可钻眼。

1）掏槽眼布置

根据隧道三台阶开挖方法，掏槽方式采用直眼掏槽，便于在开挖断面小的情况下可以多机钻眼作业。

掏槽眼的作用是将开挖面上适当部位先掏出一个小型槽口，以形成新的临空面，为后爆的辅助眼开创更有利的临空面，达到提高爆破效率的作用。

掏槽眼布置时掌握好炮眼的三度：深度、密度和斜度，并通过计算确定用藥量及放炮顺序。

2）辅助眼布置

辅助眼的作用时进一步扩大槽口体积和爆破量，并逐步接近开挖断面形状，为周边眼创造有利的爆破条件。

辅助眼的布置主要通过炮眼间距E值和最小抵抗线W值确定，一般E/ W取值在0.6～0.8，具体根据试爆参数确定。辅助眼布置采用由内向外，逐层布置，起爆为逐层起爆，并逐步接近开挖断面轮廓形状。

3）周边眼布置

周边眼对开挖断面起成型作用。隧道岩质较差，周边眼采用沿设计开挖轮廓线以内均匀布置，并控制其炮眼外插角度。周边眼炮眼间距和最小抵抗线长度均比辅助眼小，目的是使爆破出坑道的轮廓平顺和控制超欠挖量。

槽眼深度：

L=l/η+0.2=0.8/0.86+0.2=1.13m，

η—炮眼利用率，一般不低于0.85；

掏槽眼的装药系数为0.8。

边眼、辅助眼深度计算

L=l/η=0.8/0.86=0.93m；

爆参数确定，见表2。

表2 优化后爆破参数表

岩石种类 周边眼间距E（cm） 周边眼最小抵抗线 W（cm） 相对距E/W 周边眼装药参数q（kg/m）

软岩 30～45 45～60 0.75～0.8 0.07～0.12

4.4 填料运输

采用装载机挖装，自卸汽车运输，将隧道爆破弃渣直接运送至路基填筑层，按放样宽度及松铺厚度控制卸土量，进行路拌改良施工；需要厂拌改良的隧道爆破弃渣，运送至摊铺晾晒场地。

4.5 厂拌拌料

材料摊铺晾晒，待含水量达到标准后，由装载机装填，运渣车运输在拌料厂进行搅拌。拌料采用水泥，掺灰量为5%。拌合好后由运渣车运送至指定路基填筑地点进行填筑。

4.6 分层填筑

改良材料分层填筑，每层压实厚度25cm，按照经过试验确定的工艺参数，进行分层填筑，分层压实。每层松铺厚度不宜超过40cm。

4.7 摊铺整平

为了保证路堤压实均匀和填层厚度符合规定，填料采用推土机初平，平地机进行二次平整，使填料摊铺表面平整度符合要求。

4.8 洒水或晾晒

置换采用材料含水量直接影响压实密度。在相同的碾压条件下，当达到最佳含水量时密实度最大，填料含水量波动范围控制在最佳含水量的±2%范围内，最优含水量可通过室内击实试验确定。

4.9 机械碾压

1 碾压按照“先静压，后振动碾压”、“先轻，后重”、“先慢，后快”、“先两侧，路堤、路堑和路堤基底均应进行压实。土质路堤每一层压实均应检验压实度，合格后方可填筑上一层。填石路堤的紧密程度在规定范围内通过12t以上的振动压实设备进行压实。当压实层顶面稳定，不在下沉时可判为密实状态。

2 路堤基底在填筑前均应进行压实，其压实标准应符合设计要求。当路堤填土高度小于80cm时，其基底压实度不宜小于路床的压实度标准。

3 路堤不论采用何种压实机械，均应在填料的最佳含水量±2%以内压实。碾压前对填层的松铺厚度、平整度和含水量进行检查，符合要求后方可进行碾压。采用振动压路机碾压，第一遍应静压，然后由弱振到强振。压路机的碾压行使速度开始时宜用慢速，先慢后快其最大速度不宜超过4km/h。

4.10 检测及路面、边坡整形

1 每层填筑完成后均进行压实质量检测，检验填筑是否满足设计及规范要求。

2 路堤按设计标高填筑完成后，每20m设三个桩（两个边桩，一个中桩）。进行高程测量，计算平整高度，施放路肩边线桩，修筑路拱，并用光轮压路机碾压一遍，使路面光洁无浮土，横向排水坡符合要求。

3 依据路肩边线桩，用人工按设计坡率挂线刷去超填部分。边坡刷去超填部分后进行整修夯实，整修后的边坡达到坡面平顺没有凹凸，转折处棱线明显，直线处平直，变化处平顺，压实度合格。

5 结束语

本技术在广大铁路扩能改造工程站前二标路基、隧道施工中得到了很好的应用。通过对隧道挖石方填筑路基施工技术的研究，获得了施工中的第一手资料，突破山区道路运输不便及材料缺少的限制，加快了施工进度，保证了施工质量，使得广大铁路路基施工顺利进行，摸索出了爆渣材料性能优化的方法及对路基填筑的控制要点，有效地加快了施工进度，控制了隧道的开挖线形，降低施工成本。

参考文献：

[1]王振光.浅谈公路隧道施工[J].黑龙江科技信息，2011年02期.

[2]张中云，蒋关鲁，王智猛.红层泥岩改良土填料物理力学特性的试验研究[J].四川建筑，2008年01期.