过缓倾煤层隧道施工爆破控制技术

摘 要：以毕都高速鸡公山隧道为例，采取现场试验的方法研究了爆破开挖存在于上覆缓倾煤层区段隧道时，爆破振动作用下隧道喷射混凝土支护的动力响应。据此提出了过缓倾煤层隧道爆破开挖安全控制技术，以“增加空孔、错峰爆破、精控微差”为核心思想，保证了鸡公山隧道過缓倾煤层的施工安全，取得了良好的效果，这对类似工程施工有一定的指导意义。

关键词：隧道施工；缓倾煤层；爆破方案；振动测试

中图分类号：U455 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.031

西部山区建设高速公路和铁路工程桥隧的比例比较高，部分线路甚至超过了90%，煤层、断层、岩溶等不良地质条件十分常见，属隧道施工控制性工程。

毕都高速鸡公山隧道区位于纳雍县龙场镇与勺窝乡交界地段，右线起讫里程YK131+310～YK134+295，长2 985 m，其中，Ⅲ级围岩80 m、Ⅳ围岩1 790 m、Ⅴ级围岩1 120 m。隧道在V级围岩段穿越的梁山组地层中含薄煤层，煤层厚度0.8～1.5 m，梁山组地层夹于灰岩层中，梁山组地层走向为185°∠23°，与隧道轴线夹角约为84°，隧道与煤层纵向剖面位置关系如图1所示。

过煤层隧道是隧道施工的重难点部分。由于煤层与周围地层的力学性质差异，导致接近煤层隧道区段容易出现各种施工问题，比如大变形、塌方、高瓦斯等。由图1可知，煤层和隧道相交隧道区段上部形成了局部楔形体，爆破开挖过程中会导致围岩局部损伤，我们将其称之为“松动圈”。由于煤层倾角比较小，隧道开挖时形成的楔形体存在厚度小、长度比较大的问题，极易导致楔形体垮塌，进而形成连锁反应，导致上覆煤层垮塌。为此，在施工过程中，必须科学、合理地控制该区段的爆破施工，减小楔形体围岩损伤，确保施工安全。

1 爆破方案设计和现场测试

1.1 爆破方案设计

该隧道上导坑开挖断面为四心圆隧道，单循环爆破进尺在1.5 m左右。根据目前国内常规施工机械条件，采用手风钻机进行炮孔打眼，直径分别为42 mm和30 mm，采用楔形掏槽和周边间隔不藕合装药光面爆破技术。按照隧道爆破施工设计方案，IV围岩区段的爆破网络和炮孔分布如图2所示。

上台阶循环进尺不低于1.5 m，下台阶不低于2 m，所以，上台阶周边孔L为1.6 m，掘进主炮孔L为1.6 m，掏槽眼采用L为2 m；下台阶周边孔L为2.1 m，掘进主炮孔L为2.1m，掏槽眼采用L为2.5 m。周边孔采用小直径间隔装药，孔外网路采用复式网路联接。IV级围岩区段采用上下台阶法施工，具体工艺流程为：钻爆法开挖上台阶→上部初期支护→钻爆法开挖下台阶→下部初期支护→量测→灌注仰拱混凝土→量测→防水层施工→二次衬砌。

1.2 原爆破设计方案下的振动监测

隧道围岩在爆破振动作用下的动力响应是检验爆破方案合理性的可靠依据，为了确定过煤层区段隧道的合理爆破方案，先在正常IV围岩区段进行了爆破振动监测，爆破振动监测点布置图和传感器实地安装如图3所示。

按照设计方案，普通IV围岩区段爆破振动波形如图4所示。

从图4中可以看出，掏槽爆破单响药量与周边炮眼的单响药量接近，但是，掏槽爆破受到的周围岩体夹制作用更为强烈，从波形上表现出掏槽爆破引起的振动更为强烈。虽然采用毫秒微差爆破的方法可以有效利用错时达到削峰的目的，值得注意的是，一级掏槽爆破的振动峰值仍然偏大。按照原设计方案得到的爆破振动速度没有超过《爆破安全规程》的限制，但是，在后续过煤层区段施工时，煤层与梁山组地层之间的界面反射波更为强烈，容易导致隧道拱顶的楔形体围岩出现更为强烈的振动。因此，施工时，必须优化原爆破设计方案，以便更好地控制爆破振动的效果。

1.3 优化后的爆破振动方案和结果分析

解决掏槽爆破引起的振动过强问题的方法一般分为2大类，即减小爆破进尺、空孔掏槽。在优化爆破振动方案时，参考逐孔起爆原理，通过增加空孔体积量来降低掏槽爆破的单响药量。第一种方法已经不适用于该隧道，原因在于爆破进尺仅为1.5 m，过度降低进尺会严重影响施工效率，因此，主要优化措施将从增加空孔入手。考虑到原爆破设计方案中仅有2个空孔，且掏槽孔起爆段数设置有部分集中的情况，所以，将爆破方案进行如图5所示的优化设计。

由原爆破方案测试结果（图4）可知，掏槽爆破引起的振动最为强烈，一方面是其临空面少，破岩时受到周围岩体夹制作用强烈；另一方面是掏槽孔比较少，导致单响药量比较大，且分段数量不足。本优化方案从这3个方面着手：①增加4个空孔，尽管掏槽体积非常有限，但能大大改善下级掏槽的临空条件，周围岩体在破岩时的夹制作用大幅削弱，爆破产生的振动也随之降低。②增设部分炮孔，并优化掏槽孔的起爆段位，原设计方案中第6段位的炮孔数量过多，容易导致强烈振动。本方案将炮孔位置进行优化布置，减少了同时起爆的炮孔数量，从而更好地降低爆破振动峰值。同时，由于增设了1个炮孔，原设计的10个炮孔装药量也降低至90%，减少单孔药量，削减爆破振动峰值。③精确控制起爆时间。根据相关研究，采用成排对称斜孔同时起爆可以获得更好的掏槽效果，V型斜眼起爆时差控制在10 ms以内时，对称掏槽孔的效果不会受到影响，但是，峰值已经明显错开，削峰效果明显。

本优化方案的主要目的是增加掏槽爆破的临空面，增加起爆段数，减小集中起爆药量。为了验证本优化方案的实际效果，按照图3所示的爆破振动监测点布置方案，对采用优化后的爆破方案进行破岩施工的单个循环进行了爆破振动监测，结果如图6所示。

从图6中可以看出，采用优化后的爆破方案进行破岩施工时，振动最强烈的区间不再对应掏槽孔爆破时间，同一位置的振动波形相对于原爆破方案的振动区间增加，但每个区间的局部峰值减小。这表明，优化方案通过三步优化设计能够起到良好的爆破振动削减作用。

2 过煤层区段隧道爆破振动测试

由爆破优化方案和相应的测试结果可知，本优化方案能够较好地降低爆破引起的振动峰值，“增加空孔、错峰爆破、精控微差”方法的应用，在正常IV级围岩区段隧道的爆破开挖过程中取得了良好的效果。下面，笔者简要分析过缓倾煤层区段的减震效果。根据现场施工方案，鸡公山隧道采用双向掘进施工，在靠近缓倾煤层时，一侧停止钻爆施工，改为单侧掘进，另一侧保持20 m以上的距离，即隧道从与上覆煤层竖向距离由大慢慢减小的方向逐渐穿过煤层。具体施工掘工作面与煤层相对关系如图7所示。

10 m和5 m时的爆破振动曲线

如图7所示，在隧道右侧掌子面距离拱顶延长线与煤层相交处20 m以上时，停止右侧掌子面爆破掘进施工，改为左侧单向掘进。在左侧拱顶与煤层竖向距离分别为10 m、5 m和1 m时，对后方初支结构进行了爆破振动监测。鉴于施工的原因，在左侧拱顶与煤层竖向距离为1 m时，未能测得有效数据，仅能分析距离为10 m和5 m时的结果，最终测得的爆破振动时程曲线如图8所示。

从图8中可以看出，在掌子面拱顶与煤层竖向距离逐渐减小的过程中，同一位置的爆破振动速度曲线明显增大，且振速曲线变化规律杂乱。当掌子面拱顶与煤层竖向距离为10 m时，振速曲线尚可见到与微差分段爆破存在一定对应关系的局部峰值。但当掌子面拱顶与煤层竖向距离缩短至5 m时，振速局部峰值与起爆段基本没有任何对应关系。由此可见，由于上覆煤层的松散结构，导致振动波传播过程中多次受到煤层与岩体交界面的影响，振动波的反射和折射导致掌子面后方测得的振动波形呈现出杂乱的形态。此外，当竖向距离从10 m缩短至5 m时，掌子面后方监测点的振速峰值从3.6 cm/s增加至4.8 cm/s。所以，越靠近煤层，爆破振动对结构安全的影响越大。在施工过程中，采取本优化方案爆破施工，仍然能大幅降低爆破振动在掌子面后方引起的结构振动，对提高结构的安全性具有非常重要的意义。

3 结论

过缓倾煤层隧道施工是鸡公山隧道的技术难点，尤其是隧道与煤层交界处出现了比较长的楔形体，在爆破振动作用下容易出现损伤乃至整体垮塌，引发灾难性的后果。本文通过现场爆破振动测试试验，结合原有的爆破方案设计，提出了以“增加空孔、错峰爆破、精控微差”为理念的优化爆破方案。在正常IV级段进行爆破振动测试，验证了所提出方案的合理性，并将其应用于过缓倾煤层段，得出了以下结论：①鸡公山隧道过缓倾煤层区段在拱顶形成了长度大、厚度小的楔形体围岩。这给隧道爆破施工提出了新的挑戰，特是该隧道工程施工的重难点工作。采取本文提出的方案能够较好地解决这一问题，能够大幅降低隧道施工爆破在初支结构中引起的爆破振动。②隧道掌子面拱顶与缓倾煤层的距离对爆破振动强度有较为明显的影响。当距离较小时，爆破振动强度明显增大，且振动波形呈现出一定的杂乱性。这表明，煤层会对爆破振动结构安全产生不利的影响。③一般条件下，隧道掏槽爆破时引起的结构振速最大，有较为明显的对应关系。在施工过程中，采取增设掏槽空孔、掏槽孔精确微差控制和对称掏槽的方法，可以大幅度削减爆破振动强度。其原理在于增加了掏槽临空面，消除了掏槽爆破振动叠加效应。这种做法具有良好的应用价值，而且施工成本也比较低。

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作者简介：冀荣华（1983—），辽宁建昌人，大学本科，副总经济师，主要从事公路、市政项目管理工作。

〔编辑：白洁〕

文章编号：2095-6835（2017）08-0034-01