基于软弱围岩条件下的地铁隧道爆破施工技术

于 涛 姜世斌 赵国良 张文明 杨海超

(1.青岛第一市政工程有限公司，山东 青岛 266000； 2.山东科技大学，山东 青岛 266590)

0 引言

在地铁隧道的施工建设中，爆破施工是一个极其重要的环节。尤其是在穿越软弱围岩地带的施工过程中，如何避免超欠挖的问题便成了难点。因此，对爆破参数进行适当地调整与控制，不仅可以降低出现超欠挖的可能性，也可以避免施工过程中出现坍塌等问题。

对隧道软弱围岩超欠挖控制技术的研究，王志贺[1]结合乔家坪隧道的施工案例，认为采用三台阶法、三台阶七步流水法可以有效的避免超挖的问题，并提出隧道进洞前做好陷穴及冲沟处理和准确测放隧道开挖轮廓线等解决方案；刘洋[2]基于羊子岭隧道的施工案例，提出围岩地质条件和钻孔精度是产生超欠挖的原因，并从开挖方式、钢筋绑扎、钢筋焊接三个方面提出了应对措施。目前关于如何在具体的爆破设计中控制隧道软弱围岩超欠挖的研究不多。

本文根据实际工程地质情况，提出了一套完善的爆破设计方案。并通过实验证实了此方案可在软弱围岩条件下的隧道施工建设中可行的实施。

1 工程概况

青岛地铁8号线工程观涛站—科技馆站区间线路出观涛站，经观涛社区，下穿耕海路，经沟角社区西北侧向东敷设，后至岙东南路，沿岙东南路南行至科技馆站。

区间位于耕海路北侧20 m处，道路南侧有自来水、热力和燃气管线，竖井兼做联络通道。区间隧道共有四个掌子面，分别是：右线小里程，围岩等级为Ⅵ级；左线小里程，围岩等级为Ⅳ级；右线大里程，围岩等级为Ⅳ级；左线大里程，围岩等级为Ⅳ级。

2 地质影响

该区间下伏基岩为燕山晚期粗粒花岗岩(γ53)，白垩系莱阳群山寺组(KIl)、青山群石前庄组等相关的岩层。

根据相关地质勘探资料研究发现，此断裂北段和中段大部分被第四系所掩盖，对应的走向为北东40°～55°，北西方向的倾角区间为70°～88°，断层宽度大约为3 m。此断裂伴随线路，存在小幅度的交叉，相应的影响很明显。

地铁工程明显受到以上该断裂的影响，主要表现为岩体节理裂隙发育，围岩的硬度存在明显变化，同时在其中糜棱岩构造岩发育区域，可发现很明显岩体破碎现象，岩块的结合力不强，洞身穿越此段过程中可能产生涌水、掉块相关问题。

根据地质条件和施工条件，观涛站—科技馆站矿山法施工段区间隧道采用台阶法施工。爆破施工过程中应该适当的控制装药量和进尺，及时做好临时支护，同时加强监测。观涛区间隧道爆破施工时存在以下难点：

1)区间隧道多次穿越围岩破碎地带，围岩破碎带隧道支护困难，处理不当会导致塌方等事故。

2)区间隧道侧居民社区，边线距离社区最小净距为20 m，爆破施工时应该严格控制爆破振动，根据施工要求爆破振动控制在1.0 cm/s以内。

3 隧道爆破施工技术

按照施工设计，区间隧道有SⅤ2-B，SⅣ2，SⅢ2-A，SⅢ2-B，SⅢ2五种断面，以SⅢ2断面方案为例。

在夏季爆破参数确定时综合应用了理论分析，工程类比与试爆相关方法，在确保爆破振动速度控制基础上，适当的提升开挖成型质量和速度。

1)炸药单耗的选取。

根据围岩状况以及类似工程经验，确定出其SⅢ2断面上台阶和下台阶的炸药单耗为1.3 kg/m3，0.5 kg/m3。

2)炮眼深度与循环进尺。

根据围岩等级相关的参数进行分析，设置上台阶循环进尺取0.75 m，炮眼深度区间为0.85 m～1.3 m。掏槽炮眼的长度设置为1.3 m，辅助眼和周边炮眼深度都设置为0.85 m，外插角3°～5°；下台阶循环进尺综合分析设置为1.5 m，辅助眼和对应周边眼深度都设置为1.6 m。

3)炮眼直径。

本设计选择的风动凿岩机型号为YT-28，设置的炮眼直径d=42 mm。

4)炮眼布置。

a.掏槽眼。

本设计采用斜眼掏槽形式，如图1所示。

b.周边眼。

周边眼在布置过程中选择沿隧道开挖轮廓线布置模式，具体炮孔间距根据经验公式和工程类比确定。周边眼间距E与光爆层厚度W相关性主要是基于密集系数K进行描述，存在关系式，K=E/W。实践表明，K=0.8左右较为适宜。根据工程经验，对于本设计，取周边眼间距E=500 mm,W=600 mm,K=0.83。

c.辅助眼。

辅助眼的间距a、排距b应该高于前者的最小抵抗线W，这两个参数取值主要是基于炮眼的单孔装药量进行分析而确定出，本设计取a=500 mm～600 mm,b=600 mm～700 mm。

掌子面炮眼布置如图2所示，断面爆破参数见表1。

表1 区间断面SⅢ2爆破参数

5)单孔装药量。

a.掏槽眼。

此参数取值时应满足的要求为，爆破振速满足要求基础上应达到爆破效果。在设计过程中根据相应的经验类比，且考虑到爆破振动情况进行综合分析，而设置掏槽眼单孔装药量0.9 kg。

b.周边眼。

周边眼的装药量在设计过程中应该分析炮眼间距、装药集中度相关的参数而得到，在设计时根据经验且综合分析开挖围岩情况而确定出其单孔装药量为0.2 kg。

c.辅助眼。

其装药量的主要影响因素为围炸药单耗、炮眼长度和围岩的硬度以及间距等，在分析时主要是基于如下表达式确定出其单孔装药量。

q=τ·γ·L

(1)

其中，q为辅助眼的单孔装药量，kg；τ为装药系数。主要和围岩的硬度存在相关性；γ为单位长度的药卷的炸药质量。可根据设计资料而确定出；L为炮眼长度，m。在长度为0.85 m条件下，计算得q=0.35×1×0.85=0.297 kg，取q=0.3 kg。

根据爆破设计炮孔数量，具体装药情况如下：

上台阶：

12个掏槽眼单孔装药0.9 kg；58个辅助眼的为0.3 kg；26个周边眼的为0.2 kg。根据如下的表达式代入参数而得到其中每循环进尺总装药量：

Q=12×0.9+58×0.3+26×0.2=25.1 kg。

炸药单耗q单耗=Q/V=1.34 kg/m3，其中，V=24.8 m3。

下台阶：

47个辅助眼和20个周边眼的单孔装药都为0.3 kg。每循环进尺的总装药量为：

Q=47×0.3+20×0.3=20.1 kg。

炸药单耗q单耗=Q/V=0.54 kg/m3，其中,V=24.4 m3。

4 爆破效果对比、分析

整体爆破效果良好，爆破振速控制较好。爆渣整体块度均匀,掌子面轮廓较完整,未出现明显的锯齿形轮廓，基本不存在超欠挖。爆破前网路连接如图3所示，爆破后效果如图4所示。

5 结语

对于岩石硬度不大相对破碎的区间隧道爆破施工，隧道轮廓控制难度较大。为达到轮廓完整性的效果，降低超欠挖，打眼施工中要严格控制周边眼的间距及单孔装药量。本次试验装药连线总计用时约1 h，爆破后隧道轮廓线完整，未出现锯齿形超挖，未出现补炮等问题。本次试验同样得到了业内同行的认可，但是炸药单耗可进一步优化。通过多循环试验，认为本设计方法可在施工队钻孔及装药水平较高，同级别围岩地质下推广。