光面爆破在广州地铁隧道21号线中的应用

2019-09-10王圣涛郑爽英张继春

工程爆破 2019年4期

王圣涛，潘强，郑爽英，张继春，俞定

(1.中铁四局集团有限公司，合肥 230022；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

近年来，城市地铁建设不断加快，地铁线路的开挖通常采用爆破技术，尤其在穿越岩石地层时钻爆法依然是主要掘进方式。然而，爆破施工难免会对围岩的完整性和稳定性造成不利影响，因此，如何在施工中既能获得良好的爆破效果，又能更好地保护围岩，成为隧道施工的关键问题。光面爆破技术正是在这样的条件下逐渐发展成熟的，可使爆后轮廓面平整光滑，减弱壁面的应力集中且有效地控制了围岩超、欠挖[1-8]；其次，不耦合装药结构可降低爆破作用对围岩的扰动，有效保持了围岩的完整性与稳定性[9-10]。

以广州地铁21号线科苏区间(科学广场站至苏元站)浅埋隧道为工程背景，开展光面爆破现场试验，即在花岗岩地层应用光面爆破技术进行全断面地铁隧道开挖。通过试验得出了合理的光爆参数，控制了围岩超、欠挖与爆破损伤，改善了掘进爆破效果，实现地铁隧道的安全、高效、快速施工。

1 工程概况

广州地铁21号线科苏区间隧道Ⅱ～Ⅲ级围岩区域采用全断面钻爆法施工。区间隧道最大开挖高度6.40～6.50 m，洞径6.48～6.88 m，最大开挖面积约35.66 m2，隧道埋深27～32 m，且下穿2～3层砖混结构楼房。隧道围岩为弱风化～微风化花岗岩，其单轴抗压强度90～120 MPa，部分区域岩石节理较为发育。风井处隧道断面如图1所示。

图1 风井处隧道洞口 Fig.1 Metro tunnel entrance by the air shaft

该隧道施工难点在于：部分区域节理较为发育，极易产生围岩超、欠挖现象，且区间隧道采用矿山法+盾构空推施工，对爆破后隧道轮廓面的平整光滑程度要求较高；隧道埋深较浅且穿越于建(构)筑物之下，爆破振动效应势必会对其造成一定影响；隧道断面属于中等断面，爆破时岩石的夹制作用较大。

2 爆破方案

2.1 原爆破方案及效果分析

广州地铁21号线科苏区间隧道钻爆法施工期间，周边围岩超、欠挖问题十分突出，极大的影响施工进度以及增大混凝土的喷射量，因此，尽快控制超、欠挖是当前实现安全、高效施工亟待解决的关键问题。

原爆破方案采用非光面爆破施工，设计单循环进尺2.0 m，采用孔径40 mm的垂直楔形掏槽方式，掏槽孔深2.4 m；周边孔孔深2.0～2.1 m，周边孔间距0.6 m，外圈掘进孔距开挖边界0.45～0.65 m，外圈掘进孔间距0.8～1.4 m；所有炮孔均采用连续装药结构，周边孔单孔装药量达到0.9 kg，外圈掘进孔单孔药量为1.2～1.5 kg。

每次爆破后掌子面极不平整，残孔深度差异明显；开挖轮廓面鲜有可见半壁孔，孔痕率低于10%，围岩超、欠挖十分严重(见图2)。另外爆破后块度较大，爆渣难以装运，影响施工进度(见图3)。爆破效果表明，掘进炮孔的钻孔深度及角度的偏差，致使掌子面不平整；周边孔未采用光面爆破设计，孔底段岩体破碎十分严重，孔口段出现欠挖现象。

图2 原方案爆破效果Fig.2 Blasting effect of the original scheme

图3 爆后大块度Fig.3 Boulder after blasting

形成上述爆破效果，究其主要原因有：第一，局部区域的周边孔最小抵抗线过小，由此周边孔对外圈掘进孔具有导向作用，势必沿着周边孔方向形成裂缝并延伸于围岩内，与岩体的原有节理裂隙相交而产生超挖；第二，周边孔单孔装药量过大，单孔线装药密度达到0.45 kg/m，且未采用间隔装药结构与导爆索起爆，势必造成孔内装药过于集中，致使孔底附近的岩体过于破碎，形成较大的超挖，同时孔口附近压力过小，形成局部欠挖；第三，掘进孔的孔网参数设计不合理，实测最大炮孔间距约1.6 m，最大排距约1.8 m，造成爆渣块度不均匀，大块度较多，且尺寸为1.2～1.5 m；第四，隧道周边局部岩体较为破碎，该部位的周边孔间距未进行动态调整，致使周边孔间距过大，围岩超欠挖严重。

2.2 光面爆破方案

解决隧道掘进爆破围岩超欠挖的关键是必须采用光面爆破技术，依据光爆原理确定合理的爆破参数，同时提高钻孔精度。根据隧道断面以及岩层类型，多次进行现场爆破试验，逐步优化出适合Ⅱ～Ⅲ级花岗岩地层单循环设计进尺为2.0 m的全断面隧道掘进爆破参数(见表1)，形成了适用于广州地铁隧道Ⅱ～Ⅲ级花岗岩地层全断面掘进的光面爆破方案，并成功应用于现场。其中光爆孔间距为0.5 m，光爆层厚0.65 m，线装药密度为0.18～0.22 kg/m(Ⅱ级围岩可取大值，Ⅲ级围岩可取小值)。炮孔立面布置如图4所示，剖面布置及装药结构如图5所示，起爆网路如图6所示。为达到较理想的光爆效果，原则上周边孔应选取专用光爆药卷，因受施工现场条件所限，特将φ32 mm长度为30 cm的普通乳化药卷切割成长度4～5 cm的短药卷，采用轴向空气间隔装药，导爆索串联起爆。此外，开挖轮廓局部区域节理较为发育时，周边孔距可缩小至40 cm左右。

表1 Ⅱ～Ⅲ级花岗岩地层爆破参数Table 1 Blasting parameters in the Ⅱ and Ⅲ granite surrounding rock

注：设计进尺2.0 m，断面面积35.66 m2，爆破方量71.32 m3，单耗1.32 kg/m3。

图4 全断面掘进炮孔Fig.4 Holes of the full face driving

图5 炮孔剖面及装药结构Fig.5 Holes profile and charge structure

图6 起爆网路Fig.6 Detonation network

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

实施光面爆破方案后，单循环进尺可达2.0～2.2 m，炮孔利用率达95%以上；爆破后岩壁平滑规整，半孔率达85%以上，不平整度5～10 cm；在相邻的爆破循环衔接处，错台高度均控制在10 cm以内，未见明显的超、欠挖。为充分发挥围岩的自承能力以及加快施工进度，初期支护滞后掌子面一定距离集中施作，其中初期支护滞后掌子面2个爆破循环的边墙处孔痕效果如图7所示。初期支护滞后掌子面5个爆破循环的整体爆破效果如图8所示，即不支护区域达到10 m左右，极大地提高了施工效率。

图7 连续2个爆破循环局部效果Fig.7 The local effect of two continuous blasting cycles

图8 连续5个爆破循环整体效果Fig.8 The global effect of five continuous blasting cycles

由于优化了掘进孔的孔网参数以及在掏槽区布置了2个破碎孔，爆破后碎石块度得到明显改善，平均尺寸约0.3 m，爆渣的最大尺寸基本上处于0.5 m以下，大块率显著降低，便于后期出渣。隧道轮廓壁面未见明显的爆破裂缝，仅在装药段处有局部轻微破裂，由此可见，轴向空气间隔装药结构可有效降低爆破对围岩的损伤扰动程度。

虽然局部围岩的节理(裂隙)较为发育，但采取缩小周边孔距为40～45 cm的方式，削弱了节理裂隙对光面爆破断裂缝形成的影响，确保爆后形成平整的轮廓面及围岩的稳定性，因而没有出现明显的超、欠挖现象。另一方面，隧道正上方地表的最大振动速度均控制在安全允许的2 cm/s标准以内，没有对地表建筑物安全产生影响。

3.2 围岩爆破损伤测试

爆破后采用跨孔透射法在隧道边墙上进行围岩声波速度测量。在掌子面后侧约0.5 m处边墙上依次布置1#、2#、3#平行测试孔，孔径40 mm，孔距0.5～0.6 m，孔深1.4～1.5 m，测试孔与垂向夹角60°～65°。原常规爆破和光面爆破后围岩内不同深度处的纵波速度如图9所示，其中断面1～2、断面2～3分别表示1#测试孔与2#测试孔和2#测试孔与3#测试孔间的波速。

图9 常规爆破和光面爆破后围岩波速Fig.9 The wave velocity of surrounding rock after conventional blasting and smooth blasting

由图9可以看出：随着测点距开挖轮廓线距离的增大，波速逐渐由3.5～4 km/s增大至接近原岩波速4.5～5 km/s，开挖边界附近区域的围岩存在爆破损伤；对围岩的损伤深度而言，常规爆破可达50～60 cm，而光面爆破为20～25 cm，减小为常规爆破的1/2～1/3，由此可见光面爆破可大大降低爆破作用对围岩的损伤，对保持围岩稳定具有重要的积极作用。