隧道成型控制爆破技术及围岩损伤范围研究

尹文纲， 王海亮， 胡红星， 张富强， 陈吉辉

(1. 中铁三局集团有限公司， 山西 太原 030000；2. 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛 266590)

0 引言

钻爆法施工是隧道工程常用的工法，尤其是对于超大断面、变截面的岩石隧道。在隧道爆破施工中如何控制周边超欠挖量一直是工程人员关注的问题。刘东等[1]和冯海暴等[2]从测量放线、钻孔精度、爆破技术方面分析了隧道爆破超欠挖原因，并制定了相应的控制措施。李梓源等[3]提出在周边眼轮廓线内钻凿“泄压短孔”，利用LS-DYNA建立数值模型，并结合现场工程得出“短孔泄压降振法”可有效降低周边眼爆破振速，而且能够保证隧道轮廓成型平整，减少超欠挖。光面爆破技术可有效解决超欠挖问题，温新亮等[4]在大型地下硐室开挖工程中，提出一种“预裂成形+垂直深孔爆破掘进+水平光面清底”相结合的爆破方法，有效解决了单独使用预裂爆破时易产生大块及底板不平顺等问题，提高了作业效率。深部岩体巷道光面爆破必须同时考虑原岩应力和岩石损伤的影响，为此，付玉华等[5]提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。

光面爆破技术可有效减少隧道周边超欠挖问题，但由于其一般适用于硬岩，对于Ⅳ—Ⅴ级软弱围岩效果并不明显。一方面是由围岩性质决定的，如围岩存在节理、断层、裂隙发育等； 另一方面是由于Ⅳ—Ⅴ级围岩隧道开挖需要进行初期支护，而初期支护格栅拱架会影响周边眼钻凿精度，加大误差，导致爆破后隧道轮廓出现严重的超欠挖问题。对此，王海亮等[6]分析了格栅拱架限制下隧道超欠挖的成因，并提出了“长、短眼”控制爆破技术。本文在此基础上进行了优化，依托青岛地铁海底隧道爆破施工，提出了2 m循环进尺条件下的工程参数，并运用理论计算、现场监测手段对该控制爆破技术造成的围岩损伤量以及施工效果进行了分析。

1 工程概况和隧道施工循环进尺选择

青岛市地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站区间(简称“瓦贵区间”)隧道工程是我国首条海底地铁隧道，全长约8 077 m，其中海域段长约3 490 m。该工程是连接青岛市主城区与黄岛区的重要通道，南接薛家岛瓦屋庄站，北连团岛贵州路站，下穿胶州湾湾口海域。瓦贵区间隧道工程共分为2个标段，本文研究的对象是瓦贵区间隧道工程1标段，起自瓦屋庄站，里程为K23+640～K28+406，全长4 765.2 m，其中海域段长约1 521 m。1标段隧道主要位于微风化火山岩及变质岩中，围岩等级为Ⅲ—Ⅴ，强度为40～150 MPa； 各断层破碎带处岩石为碎裂状的安山岩、凝灰岩、流纹岩、角砾岩等。陆域段隧道埋深为15～120 m，海域段最大水深约42 m。本文重点对Ⅳ级围岩段工程进行研究，其隧道断面形式为三心圆拱形，并设置仰拱，断面宽12.2 m，高8.41 m。海底隧道平面布置如图1所示。

图1 青岛地铁海底隧道平面布置

瓦贵区间海底隧道工程属于地铁工程，《地下铁道工程施工及验收规范》[7]中7.5.13项规定： 隧道开挖循环进尺在土层和不稳定岩体中为0.5～1.2 m，在稳定岩体中为1～1.5 m。由于区间隧道周边环境良好，为加快项目目标的实现，类比相关工程经验，组织专家论证会，对循环进尺进行优化。相邻胶州湾海底隧道的成功经验表明，Ⅴ级围岩台阶法开挖循环进尺控制在1 m，Ⅳ级围岩台阶法开挖循环进尺控制在1.6 m，Ⅱ—Ⅲ级围岩全断面开挖循环进尺为3.5～5.0 m。张唐铁路五道梁隧道(长11 679 m)、老营沟隧道(长4 394 m)以及牡绥铁路红池隧道(长5 600 m)等施工经验表明，Ⅴ级围岩台阶法开挖循环进尺控制在 0.6～1.0 m，Ⅳ级围岩台阶法开挖循环进尺控制在 2～3 m，Ⅱ—Ⅲ级围岩全断面开挖循环进尺为3～5 m。瓦贵区间循环进尺专家论证结果： Ⅳ级围岩台阶法开挖循环进尺为2～3 m，Ⅱ—Ⅲ级围岩每循环进尺为 3～5 m，施工时根据现场围岩情况进行相应调整。

2 周边“长、短眼”控制爆破技术

2.1 常规周边眼布置方案

基于喷混凝土格栅拱架初期支护形式，常规的周边眼炮孔布置如图2所示，其中AM为设计的开挖轮廓线。凿岩机沿OA方向打设炮孔，区域PABN完全处在爆破破碎区内，岩石完全崩落。随着格栅拱架与掘进工作面间距OP的缩小，δ值逐渐加大，在炮孔长度AB不变的情况下，超挖量△ABM逐渐加大。在有些工程中，实测的最大超挖值可达60 cm，不仅对围岩造成严重的破坏，而且加大了喷射混凝土的用量，造成严重的浪费。

图2 常规周边眼剖面布置

2.2 “长、短眼”布置方案

基于安全考虑，新的掘进循环开始时，格栅拱架与掘进工作面的距离OP不能过大，一般小于设计的格栅拱架间距。本工程设计的喷混凝土厚度为300 mm，取OP=500 mm，按照循环进尺为2 m计算，△ABM的面积为1.2 m2，考虑允许超挖值150 mm， 则1个掘进循环的超挖量为18.9 m3，每米进尺浪费的混凝土回填量为18.9 m3，按照当前市场价格商品混凝土380元/m3的单价计算，每米进尺回填混凝土增加的成本为7 182元。

为了解决超挖严重、施工成本增加的问题，本文对“长、短眼”布孔方式进行研究。所谓“长、短眼”布孔方式，就是在掘进工作面上沿隧道开挖轮廓线布置短眼，在距离开挖轮廓线一定距离的内侧布置长眼，如图3所示。“长、短眼”剖面布置如图4所示。在图4中，区域PALN、ABEG分别在长、短眼爆破破碎区内，能够保证岩石完全崩落，其中EF、LM的线性尺寸不大于100 mm，将超挖量控制在隧道允许超挖平均值(150 mm)以内[7]。而区域BCD、GFH位于炮孔爆破的裂隙区内[8]，经人工或机械简单处理，就会与周围岩石分离，故该区域也不会产生严重的欠挖问题。

图3 “长、短眼”平面布置图

图4 “长、短眼”剖面布置图(单位： mm)

Fig. 4 Profile of layout of long and short blasting holes (unit: mm)

本工程初期支护喷混凝土厚度为300 mm，爆破循环进尺按照2 m设计，空顶距取为500 mm，短眼开孔位置PB为160 mm，角度17°，孔长800 mm，单孔装药量0.3 kg； 长眼开孔位置PA为80 mm，角度9°，孔长2 120 mm，单孔装药量0.6 kg。设计超挖限值EF=LM=100 mm。

爆破网路采用簇联方式，所有炮眼共分为6簇，每簇采用2发1段毫秒延期导爆管雷管，最后使用导爆管四通连接导爆管，导爆管接发爆器起爆。炮孔布置如图5所示(图中数字除尺寸标注外其余均表示雷管段别)，爆破网路如图6所示，上台阶爆破开挖经济技术指标如表1所示，爆破参数如表2所示。

(a) 平面图

(b) 剖面图

Fig. 5 Layout of blasting holes on top heading (unit: mm)

图6 上台阶爆破网路图

开挖面积/m2循环进尺/m炮眼个数比钻眼数/(个/ m2)炸药量/kg装药单耗/(kg/m3)6821452.13122.10.9

表2 上台阶爆破参数表

3 围岩损伤分析

在解决超欠挖问题的同时应保证隧道轮廓围岩的稳定性，以保证隧道良好的成型效果。因此，本文对长、短眼爆破产生的损伤范围作进一步分析。目前，爆破损伤范围确定的方法有声波测试法、数值计算法和质点峰值振动速度(PPV)法[9-11]。国内外普遍采用PPV判据来判断岩体的爆破损伤范围。

3.1 PPV法理论分析

根据《爆破安全规程》[12]中萨道夫斯基公式,计算爆破振动速度

v=K(Q1/3/Rd)α。

(1)

式中:v为质点峰值振动速度，cm/s；Q为单段最大起爆药量，kg；Rd为爆心距，m；K、α分别为与爆区地形和地质有关的系数和地震波衰减指数。

在距离爆源较近时采用萨道夫斯基经验公式计算误差很大。对此，卢文波等[13]提出了爆破近区振动速度衰减公式：

v=kv0(rb/Rd)β。

(2)

式中：k为群孔爆破影响系数，一般取同时起爆炮孔个数；rb为炮孔半径，m；β为地震波衰减系数，同式(1)中α；v0为在炮孔壁上的质点峰值振动速度，cm/s。

其中，

v0=p0/(ρrCp)。

(3)

式中：p0为炮孔内爆生气体的初始压力，Pa；ρr为岩体密度，kg/m3；Cp为岩体纵波速度，m/s。

周边眼不耦合系数较大，装药炮孔孔壁平均初始压力按式(4)计算[14]。

(4)

式中：pk为爆生气体膨胀过程中的临界压力，一般取为100 MPa；pc为炸药的爆轰压，Pa；dc、db分别为药卷直径与炮孔直径，m；lc、lb分别为装药长度与炮孔长度，m。

炸药的爆轰压

pc=ρ0ve2/4。

(5)

式中：ρ0为炸药密度，kg/m3；ve为炸药爆轰速度，m/s。

3.2 损伤范围计算

由式(1)—(5)推导出损伤范围公式，周边长眼损伤范围

(6)

表3 岩石爆破损伤的PPV临界值

同理可计算得出周边短眼爆破损伤范围R2=0.33 m。

可以看出，虽然短眼装药量仅为长眼的一半，但是短眼装药半径与孔径之比大于长眼，对孔壁产生的爆炸压力大，导致损伤范围较大。施工中应注意短眼爆破引起的围岩损伤，可通过减少一次起爆炮孔个数来降低损伤范围。

4 工程质量分析

4.1 隧道超欠挖检测

采用BJHD-3B型激光隧道断面检测仪对爆破后的隧道进行检测，每次检测在断面轮廓上选取42个测点，根据监测数据利用软件分析各测点超挖值。检测结果显示Ⅳ级围岩段平均超挖值控制在150 mm以内，隧道轮廓平整，达到施工规范要求。例如： Ⅳ级围岩段K27+660断面超挖分布如图7所示，平均超挖值为83 mm。

图7 扫描断面超挖值分布图(单位： m)

Fig. 7 Distribution of overbreak amount of a tunnel cross-section (unit: m)

4.2 隧道变形监测

Ⅳ级围岩段工程，每隔5～10 m布置1组测点，每次爆破后进行监测。监测频率如表4所示(表中B表示开挖断面宽度)。

表4 隧道变形

采用对数函数对现场监测数据进行拟合分析，以K27+660断面为例，位移变形时态曲线如图8所示。由图8可知： 拱顶累计沉降量最大为8 mm，在第13天变形趋于稳定。净空位移累计变形最大为4 mm，在第4天变形趋于稳定。监测结果显示Ⅳ级围岩段隧道内变形有效控制在10 mm以内，施工效果好。

图8 隧道变形时态曲线

5 结论与讨论

1)采用长眼与短眼结合的方式，提出循环进尺2 m、初期支护喷混凝土厚度300 mm、隧道允许超挖平均值150 mm条件下的工程参数，并通过理论计算得出每米进尺回填混凝土可节省成本7 182元。

②径流年内、年际变化大。干流及主要支流汛期7—10月径流量占全年的60%以上。黄河自有实测资料以来，相继出现了1922—1932年、1969—1974年、1990—2000年的连续枯水段，平均河川天然径流量分别相当于多年均值的74%、84%和83%。

2)采用PPV法计算得出在周边眼10孔1段的情况下，长眼爆破时的损伤范围为0.29 m，短眼爆破时的损伤范围为0.33 m。工程人员可根据围岩损伤范围对长短眼开孔位置、装药结构、单孔药量等爆破参数进行优化，以期达到更好的爆破效果。另外，应注意短眼爆破引起的损伤反而大，实际工程中可通过减少周边眼同时起爆孔数来降低损伤范围。BJHD-3B型激光隧道断面检测仪检测以及隧道内变形监测结果显示该技术可保证隧道良好的成型效果，同时也有利于隧道的稳定。

3)本文提出的“长、短眼”控制爆破技术以及围岩损伤量均是基于连续不耦合装药反向起爆条件下的。后续可借助数值方法分析研究不同装药结构和起爆方式情况下长短眼的爆破松动圈，得出相应的爆破参数，以更好地指导工程实践。

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