暗挖隧道爆破开挖质量控制研究

严 国 庆

(中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000)

暗挖隧道施工中爆破开挖质量控制一直是施工的重难点，超挖过多不仅造成出渣量和衬砌量增多，而且提高了工程造价，由于局部超挖会产生应力集中，影响围岩的稳定性，超挖也给后续施工工序，如喷射混凝土、铺设防水板等作业造成一定的困难；欠挖则直接影响衬砌的厚度，处理起来费时费力。所以无论是超挖还是欠挖对隧道施工的工期、安全、质量以及经济效益都有直接的影响和损失[1]。因此，减少隧道超欠挖，开展提升隧道爆破质量的技术研究显得尤为重要[2]。

1 工程概况

深圳地铁8号线望基湖停车场入场线隧道全长为2 095.864 m，入场线连接深外站至停车场。共两个工作面，由2号斜井进入正线左右大小里程各有一个作业面。2号斜井洞口位于望基湖上游咽喉区旁，斜井井身全部位于梧桐山山下，洞口周边环境单一，无影响隧道施工的建构筑物，施工环境较简单。

隧道的爆破开挖质量主要表现在对围岩的损伤程度，在施工中要把围岩的损伤程度控制在最小限度[3]。影响隧道开挖质量的好坏综合来说与诸多因素有关，其主要可以归纳为隧道的工程地质条件、光面爆破技术水平、钻孔精度、施工管理以及相应的技术措施等。

地质条件是指隧道穿越地层的岩性，包括岩层的产状、断层节理裂隙的发育情况、风化程度等，地质条件是一个极其复杂而又不可预见的要素。前期的地质勘探资料往往只是对隧道区域地质情况的一个大概勘测，由于受地形和环境以及精度的限制，准确性都大打折扣，对细部地区的勘测往往不足，有时经常和现场的实际地层相差很远[4]。因此，在施工期间可以通过超前探孔以及地质雷达进行超前探测，初步探得围岩状况。

入场线隧道小里程方向下穿望基湖水库，埋深浅，处于第四系残积层与强风化凝灰岩之间，节理裂隙发育，地下水丰富，属于Ⅴ级围岩，施工难度较大。此时对前方地质条件的超前探测非常重要。通过对地质条件的预测，针对风化程度不同岩层，选择合理的开挖方式，调整爆破参数来控制其开挖效果。

但是对于岩石的节理裂隙以及断层等产状因素造成的影响则较难控制。在爆破开挖过程中，断层和裂隙会改变爆破过程中周边孔的最小抵抗线的大小和方向，使其难以从设计开挖线处开裂抛出，从而导致开挖面不够平顺，甚至造成较大的超欠挖[5,6]。

2 控制隧道开挖质量的措施

2.1 超前地质预报

由于施工前方围岩的地质条件复杂多变且难以预测，因此，在施工过程中对掌子面前方的地质情况进行超前预报是十分重要的。超前地质预报亦是隧道信息化施工重要组成部分，目前国内通常应用地质雷达(GPR)作为超前地质预报的主要手段，它是一种较新的地球物探方法，具有操作简单、便于携带、扫描速度快、分辨率高和图像直观等诸多优点[7]。

地质雷达在应用过程中，是通过岩土体自身的性质差异来完成探测工作。由于不同的围岩介质有不同的带电性，对电磁波的反射、折射、散射也大不相同。地质雷达先通过天线T发射高频电磁波，高频电磁波遇到存在电性差异的分界面时，会被不同程度的吸收、衰减和反射。然后利用天线R完成对反射波的接收。电磁波在不同电性介质的传播过程中其场强、路径、波形都会发生明显变化。利用系统软件研究分析回波特性，从而推测出目标体的空间位置、形状、分部情况等，实现了对隧道地质预报的目的[8,9]。地质雷达工作原理见图1。

针对入场线隧道围岩较差的情况，应用GPR在地质情况探测过程中能有效的减少对围岩的扰动和损害，只需天线贴掌子面扫面操作，效率较高[9]。在开挖过程中增加超前地质预报的强度，每开挖25 m左右就对掌子面做一次超前探测，提前了解围岩的基本状况。根据围岩的实际情况制定合理的开挖方案及爆破方法，针对围岩的变化，调整爆破设计参数，优化施工方案，做到有备无患、因地制宜，从根本上提升爆破质量。

2.2 加强光面爆破技术水平

据有关资料统计，光面爆破与普通爆破相比，超挖量由原来的15%～20%降低到4%～7%,既减少了后续工序的工作量，又降低了施工成本，加快了施工进度[10]。所以加强光面爆破技术水平是提升开挖质量的关键因素。

开挖前根据围岩的实际情况制定合理的爆破设计方案。光面爆破分区起爆顺序为：掏槽孔→辅助孔→周边孔→底板孔。爆破方式采用多段毫秒串联由内向外一次起爆。炸药选用2号岩石乳化炸药，该炸药爆速值高、炮烟少、抗水性强具有良好的爆炸性能。导爆器材选用非电毫秒导爆管雷管，该种雷管安全可靠，光爆孔采用间断轴向不耦合装药技术，不耦合系数控制在1.5～2.0范围内。为了降低周边孔装药的线密度，周边孔采用φ25 mm小直径药卷，为克服底部炮孔的阻力，在炮孔底部装入半条φ32 mm标准药卷，如图2所示，使光爆层顺利的剥离岩体，一般岩石爆破炸药消耗量在1 kg/m3左右。

另外在炮孔布置过程中还应着重考虑炮孔密集系数M的取值(M=D/W，D为孔距，W为抵抗线的大小)，它直接影响隧道爆破施工效果。合理地密集系数M，可以有效提高爆破能量利用率，从而取得良好的爆破效果[11]。入场线隧道开挖断面约45 m2，跨度不大，光爆孔所受岩石的夹制作用较大。经爆破试验数据归纳分析，密集系数M取0.87爆破效果最佳。

2.3 提高钻孔精度

通过对入场线隧道若干循环开挖断面统计分析，发现钻孔精度对隧道超欠挖的控制有密切的联系。钻孔精度对隧道超挖影响主要是周边孔外插角θ、开孔位置e和钻孔深度L,它们与超挖高度h有如下关系：

h=e+L×tan(θ/2)。

随着外插角和钻孔深度的增加，超挖高度也逐渐增大。钻孔深度L可以在施工中控制，在其他因素不变的条件下减少钻孔深度对减少超挖是有利的。而外插角θ主要取决于钻工的实际操作水平。所以控制合理的开挖进尺，做好工人技术培训工作是很重要的环节。另外隧道测量工作也要做到精益求精，施工中建立“二级复核”制及测量双检制，加密控制网，保证能有较多的“多余观测条件”，以保证施工测量精度。过程中采用多重测量的方法，工班测量人员进行放样，项目部测量进行复核，确认无误后方可开钻施工，同时定期对隧道内导线点及控制点进行复核，对测量仪器进行校准。

2.4 加强现场施工管理

在隧道的施工过程中制定开挖质量管理制度，实行技术人员定岗定责制，加强日常对开挖过程中的技术指导与监督。针对每一次爆破参数及施工方法的变化，要提前对施工人员做技术交底，使其明确具体的工艺流程，布孔、钻孔、装药、联网等技术要求。定期对工人进行技术考试，观察其掌握情况，开展奖惩制度，对于开挖质量控制良好的和不达标的分别给予奖励与处罚，充分调动大家的生产积极性。现场技术员要针对每个开挖循环的实际情况填写《爆破开挖效果分析表》，做到一循环一指导、一循环一记录、一循环一分析。总结本次开挖的不足，分析具体原因查漏补缺，突破解决问题的合理性方法。同时积极开展QC小组质量活动，执行PDCA质量环理念[12]，对存在问题进行系统性分析，坚持理论与实践相结合，从根本上提升爆破开挖质量。

3 结语

在望基湖停车场入线隧道的施工中，爆破质量差及超欠挖较大的情况，引起了我们的高度重视。对此开展了关于开挖质量控制的分析与研究，制定了相应的质量控制措施。通过增加技术力量及加强质量管理，使隧道的爆破开挖质量得到了有效的提升。通过测量数据统计，周边孔的炮孔痕迹率达80%～90%,超欠挖仅为4%，相比控制之前要低的多。开挖岩面较为平整，使应力集中相对减小，安全隐患大大降低，同时减少了二衬混凝土的投入，降低了工程造价，缩短了工期。