微台阶精细爆破开挖工法在软弱围岩隧道中的应用

洪俊财

(保利长大工程有限公司，广东 广州 510599)

1 工程概况

清林隧道起讫桩号：左线ZK52+905.895～ZK53+250，长度为344.105 m，最大埋深86.35 m，纵坡坡度1.40%；右线YK52+927.344～YK53+430，长度502.656 m，出口设计标高约107.2 m，最大埋深97.07 m，纵坡坡度1.40%。根据现场地质调查和地质钻探成果，隧址范围覆盖层厚度大，地表未发现基岩出露，未测得节理裂隙发育情况，围岩钻孔岩芯为强风化砂岩，黄褐色，砂质结构，层状构造，泥质胶结，节理裂隙发育，岩石破碎，岩芯呈碎块状-短柱状，岩质较硬，局部夹较坚硬沙岩薄层。围岩等主要为IV、V级。

2 施工工法分析选择

2.1 微台阶法+精细爆破控制

安全步距：上下台阶距离较短，上台阶长度一般为3～5 m，高度为4 m，下台阶高度为6 m。掌子面与仰拱安全步距可以保证在30～35 m，满足强制性要求。

施工效率：操作空间加大，上下台阶同时钻孔，同时爆破、同时出渣，挖机操作空间加大，施工效率加快。

测量工效：上下台阶一次开挖完成，只需测量一次就完成。

工序衔接：上下台阶工序可以平行施作，开挖作业占用空间较少，工序间互相干扰降低。

爆破控技术：该技术主要采取定量化爆破设计的实验手段以及设计原理，对即将要执行的爆破方案不断优化，包含有施工过程中的开挖分区、方式以及台阶高度等，明确爆破规模以及方式，通过对爆破技术的应用参数进行优化，最终有效控制爆破效果，减少有害效应。

安全控制：台阶距离较短，能够快速封闭成环，及时跟进仰拱及二衬施作，确保安全。

2.2 其他工法

主要有双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法、CRD法、CD法、下导洞法、弧形导坑开挖法，此类工法虽然能很好控制隧道变形，预防塌方，但是在施工中工序繁多，需要安装、拆除大量的临时支撑，作业空间小，进度缓慢，成本加大，其中下导洞法自上而下爆破对围岩扰动较大，三台阶临时仰拱法对掏槽眼用药量限制较大。

通过综合各项因素分析，通过施工对比，论证了微台阶工法在工效、资源投入等方面的优缺点，为保证隧道安全快速掘进，采用微台阶结合精细爆破技术施工工法。

3 适用范围

建议用于采取台阶法施工的软弱围岩地段。

4 微台阶施工方法

4.1 台阶长度、高度确定

微台阶长度和高度要做到既能确保各台阶在开挖过程中的稳定，也要有一定的施工空间，方便机械作业，微台阶分上中下台阶和上下台阶两种，本工程采用上下微台阶法，上台阶长度一般为3～5 m，高度为4 m，下台阶高度为6 m。

4.2 台架加工

在台架加工过程中，可以使用全断面或者半断面的作业台架进行改装，只有需要在原作业台架的掘进方法加装悬臂操作平台便可。

4.3 微台阶开挖精细爆破专项设计

(1)循环进尺

循环进尺关系到装药量多少，Ⅳ级围岩每循环进尺1.6～2 m，若围岩破碎严重时，上台阶每循环进尺可以缩小到1 m，Ⅴ级围岩每循环进尺0.8～1 m。

(2)掏槽形式

采用斜眼楔形掏槽，掏槽眼深度根据拱架间距和循环进尺确定。

(3)孔眼布置

在孔眼布置工作中，需要严格按照爆破设计开展布置工作，从上台阶拱脚处入手，将其控制在35～40 cm。在布置过程中要注意，该入手部位极易出现超欠挖现象，可以通过加密丁字眼和调整药量控制，空眼直径42 mm，装药眼直径42 mm，φ32药卷连续装药，周边眼采用间隔装药，堵塞长度：0.2 m。

(4)炮眼深度

合适的炮眼深度有利于提高掘进速度和炮眼利用率，最大炮眼深度一般为断面宽度B的(0.5～0.7)倍，可以利用炮眼利用率和计划循环进尺确定炮眼深度，所确定的炮眼深度还应该与出渣能力相适应，使每个作业班完成整数循环，炮眼深度按下列公式(1)计算

L为炮眼深度

(1)

式中：L为每掘进循环的计划进尺；n为炮眼利用率，取值大于0.85。

周边及辅助眼深度：Ⅴ级围岩为0.8～1.0 m，掏槽孔和底板孔加深20～30 cm。

(5)爆破参数

不耦合系数D的选择：D=42/32=1.31

周边眼间距：E=(8-12)d=12×42=0.5 m，

取(0.5 m±0.2 m)左右都可以

抵抗线：W=(1.0-1.5)E=1.2×0.5=0.6 m。

(6)装药量

想要合理控制超欠挖现象，需要严格控制爆破过程中的装药量，在周边眼部位，可以采用间隔装药的方式进行爆破。装药量按下列公式(2)计算

Q=qv

(2)

式中：Q为每个爆破循环的总用药量；q为爆破每立方岩石所需炸药的用量，kg·m-3;V为每个循环进尺的岩石总体积数，由于各炮眼受岩石夹制情况不同，装药量也不同，按照装药系数分配每个炮眼的装药量。以下为Ⅴ级围岩装药计算，通过现场试验及施工数据，经过计算校核

周边眼装药集中计算

周边眼单孔装药量

q=k×α×W×L×λ=1.4×0.5×0.6×1×1=0.42 kg

掘进眼单孔装药量

q=k×α×W×L×λ=1.4×0.5×0.6×1×0.9=0.38 kg

(7)堵塞

炮眼装药后的剩余空间，须用炮泥堵塞，炮泥采用粘土与细砂的混合物，其比例为2∶1，浅孔堵塞长度为20 cm。

(8)起爆顺序

起爆顺序为掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼，底板眼装药量可以适当加大，目的是起到抛碴作用。

(9)选择合理的雷管起爆

非电毫秒雷管起爆间隔小，防止串段，采用1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段、15段段别和2段、4段、8段、10段、12段、14段别雷管进行起爆。

4.4 喷射混凝土

当岩面存在有渗水现象时，工作人员可以从实际情况入手，先喷砂浆，而后在砂浆当中加大有关速凝剂的剂量，在确保初喷稳定的情况下，再将其控制在原设计用量。如果岩面出现较大出水量，可以通过埋设盲管、凿槽等方式，将多余的水引导排出之后在喷射混凝土。

4.5 监控量测

(1)周边位移量测、拱顶下沉、地质及支护状态观测。

(2)喷层表面的观察以及裂缝状况的描述和记录。

(3)通过收敛数据收集分析掌握施工安全情况。

5 微台阶安全控制要点

(1)在使用为台阶法开展施工活动时需要注意，保障上下台阶平行推进的同时，防止已施作的台阶出现掉拱现象，有关系统锚杆等需要严格按照设计要求开展施工活动。

(2)重视上台阶施工，保证上台阶开挖支护过程掌子面稳定，严禁拉中槽开挖，保证各台阶相互协调施工。

(3)因为在施工活动中，不同掌子面的工序存在有交叉现象，因此所有施工人员以及设备要严格按照规定线路开展施工活动。

(4)根据实际揭示围岩情况、监控量测数据、超前地质预报资料合理确定开挖进尺。

(5)开挖台架移动过程中，台架周边10 m范围严禁站人，台架行走路面尽量平顺，以防台架在移动过程中倾覆。

(6)严格采取“上下紧跟、左右紧垫”的安全措施，即上台阶拱架紧跟掌子面不留空隙，仰拱初支紧跟下台阶封闭成环，各台阶拱架左右拱脚落到实处。加强控制锁脚施工质量，严控锁脚打设的角度、长度、注浆及与拱架的连接，尽可能地保证后期减缓沉降速率。

6 成果检测

较之其他工法，微台阶+精细爆破工法，施工进度明显加快，并且超欠挖由原来的30%降低到12%，并且满足了掌子面与仰拱的安全步距要求，Ⅳ级围岩月进度由原来的70 m到现在微台阶开挖工法的80～90 m，每月开挖进度比以前提高了15～20 m，炮眼利用率达到了90%以上，既提高了功效，又保证了爆破效果，因为上台阶不能使用大型机械，需要人工完成工作较多，要发挥微台阶优势，必须保证各台阶均能正常推进。

7 结束语

将精细爆破技术和微台阶开挖工法有效结合，能够有效改善围岩的自身稳定性，减少爆破工作对周边岩石带来的扰动现象，有助于岩石断面快速闭合，最终提高施工活动的开挖水平，控制了超欠挖，保证了爆破效果，同时提高了隧道设备使用效率，缩短了工序衔接时间，提高了施工效率，缩小了隧道安全步距，满足了规范要求。