完整坚硬岩隧道TBM掘进辅助松动爆破试验研究

廖建炜

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

1 引言

TBM法隧道施工已经在众多工程建设中得以应用，而且被优先采用的趋势更加明显。高效率掘进是其突出的技术优势，成为优选方案对比下的重要考量。正常情况下，TBM法施工速度可达钻爆法的3～5倍，而动辄上千米的单月掘进高产纪录，在TBM法隧道施工领域已不鲜见，普及应用旗帜效应明显。但TBM较差的地质适应性，一直是其应用拓展的典型制约，节理裂隙发育情况和坚硬程度差异等岩性条件是影响其掘进效率的关键性因素［1－3］。完整坚硬岩［4］条件下的TBM快速掘进，困扰一直存在，且随着工程应用场景不断拓展，其困难程度在逐渐增强。

完整坚硬岩在水利水电项目中出现的频次更高，国外的挪威斯瓦蒂森水电站等项目，以及国内吉林引松、山西引黄等项目都曾出现过。第三方检测表明，吉林引松项目部分岩石单轴抗压强度超过200 MPa。在掘进效能分析方面，对国内多个TBM项目局部统计均表明，相较于60～80 MPa常规围岩区间，当岩石的抗压强度高于150 MPa时，TBM掘进效率会折损过半甚至更多［5－6］。同时，坚硬岩石中，过于频繁的刀具检修及更换，也会使得TBM利用率大幅降低［7－8］。

TBM在通过完整且极硬岩石段时，如何提高破岩效率、降低刀具损耗，是众多工程技术人员一直关注的热点及难点问题。当前，该领域科技攻关有各种探究，更大尺寸刀具，亦或是叠加高压水射流、微波等辅助破岩手段［9］。本文尝试基于传统的钻爆法与TBM工艺相结合，探讨以钻爆松动爆破方式辅助TBM破岩的新途径。

2 试验概述

试验分两阶段开展。预试验阶段，选取合适的极坚硬花岗岩断面进行爆破预试验，通过统计分析结合试验检测，借助爆破所产生的裂隙发展规律和变化趋势，获取合适的爆破参数，例如孔位、孔深、钻孔数量、装药量、爆破顺序等；全断面试验将依托正常掘进TBM洞段展开，在刀盘前方采用爆破方法产生人造裂隙，借助TBM通过松动爆破掘进效果验证技术的可行性。

（1）检测仪器

试验配钻孔多功能成像分析仪，探测钻孔内部围岩的裂隙分布和发育特征，爆破前后检测以作对比分析；智能声波仪做声波测试，爆破前后对照分析围岩稳定性，辅助岩体损伤评定。

（2）爆破试验材料

选用2＃岩石乳化炸药，其在民爆工程中用途广泛，适应性强，抗水性强。主要性能指标为：药卷直径为 φ32 mm，药卷密度0.95 ～1.30 g／cm3，单卷质量200 g，爆速≥3 500 m／s。选用非电毫秒导爆管雷管，准爆率高、盲炮少、现场操作方便，用于钻孔中起爆炸药和孔外网络连接做为毫秒延时分段使用。

（3）安全防护

严格按《爆破安全规程》［10］要求进行爆破试验操作、安全警戒及防护。爆破工持证上岗，放炮前对炮眼连线进行检查，安全警戒以爆破试验区为中心，爆破前作业人员及设备撤离至安全地带并由专职安全人员检查。爆破试验区采用对讲机相互联系，确认安全无误后，下达起爆指令，实施爆破试验作业。

3 预试验

预试验分单孔及多孔试验。其目的是尽可能掌握类似围岩条件下合理的控制爆破参数，达到既产生预期的裂隙效果，给TBM掘进效率提高创造条件，但又不至于产生抛石影响TBM设备安全，同时避免凹凸不平掌子面带来的刀具卡滞等干扰发生。

3.1 单孔爆破试验

共进行4组单孔试验。第1组炮孔深1.9 m，采用孔底集中装药1卷；第2组炮孔深1.8 m，采用孔底集中装药2卷，均为黄泥封堵，但爆破冲孔现象严重，窥视无明显裂纹。后尝试采用锚固剂干湿间歇封堵，冲孔仍较为明显。

进一步结合现场及检测结果分析，试验段岩石基本为极坚硬大理石，采用风动凿岩钻孔后，孔壁光滑，在直眼条件下，无论采用黄泥还是锚固剂等材料封堵，其与孔壁均形不成有效粘结，冲孔问题得不到有效解决。而窥视结果表明：除孔底放置炸药段炮孔部位有岩石屑片掉落、局部外观表象变粗糙外，其余大部分部位均无明显变化，爆破所预期的松动裂隙未能产生。

3.2 多孔爆破试验

共进行6组多孔试验，其中5孔试验2组、11孔试验4组。分别尝试从装药方式、装药量、空孔布置等途径研究合理的爆破参数。11孔爆破试验则更为贴近TBM中心刀范围。

（1）5 孔试验

5孔试验孔位布置为：0.5 m间距正方形布置4个空孔，中心孔装药，孔深均为2 m。

第1组试验装药2卷，孔底集中装药，锚固剂封堵，但冲孔现象依然明显。爆破后窥视，空孔裂纹不明显，中心孔即装药孔有零星裂纹可见，但发展比较微弱；声波探测，孔底装药部位一定范围内波速降低明显，表明围岩有一定程度损伤。

第2组试验在前述孔位上继续进行，装药3卷，沿孔底间隔约30 cm布置，锚固剂封堵。爆破后窥视表明，装药孔及空孔均有较明显发展裂隙，上部空孔更为明显，爆破孔在前次裂纹基础上，发展明显扩大，部分区域能同时产生2～3条10 cm级裂隙，整体裂隙数量较多，裂隙口粗糙。

5孔试验表明：试验所借助的完整坚硬岩石段，在密布孔、装药量较大情况下，岩石裂隙发展明显，能够从装药孔贯穿至周围空孔；同时，分段装药对整个爆破范围岩石损伤较为有益。

（2）11 孔试验

11孔试验孔位布置为：最外围沿正六边形布置6个装药孔，约0.75 m间距正方形布置4个空孔，孔深均约1.8 m。孔位布置见图1，其中中心孔为装药孔。

图1 11孔试验孔位布置（单位：mm）

第1组试验：1＃中心孔装药3卷，每卷间隔30 cm，1段起爆；周边6＃～11＃孔单孔均装药2卷，孔底1卷，另1卷分成3小节，间隔20 cm布置，3段起爆。爆破后出现较大掏槽现象，几乎整个爆破面岩石抛出，较深处掏槽达80～90 cm，抛出岩石体积较大，距离较远。检查试验点上部岩石有多处明显节理，装药孔布置较密且装药量较大，分段起爆后导致掏槽现象；但探测表明，非节理部位两侧周边装药孔附近产生较明显新裂隙。

第2组试验：中心孔与周边孔单孔装药均为1卷，采用孔底集中装药。爆破后未出现岩石抛出现象，但综合钻孔及爆破前窥视，该处岩石完整性较差，考虑对照意义不大放弃探测。

第3组试验：中心孔及周边孔均装药1卷，每1／3节间隔30 cm，孔口炮泥堵塞，1段起爆。窥视对比表明，10＃、11＃装药孔爆破前后裂隙发展较为明显，对空孔及检测孔窥视未发现明显裂隙。

第4组试验：中心孔及周边孔均装药1卷，每1／3节间隔30 cm，孔口无堵塞，1段起爆。初步窥视空孔未发现明显裂缝，装药孔裂隙发展较为明显。

采用多孔同时起爆产生的裂隙明显增多，其中间隔装药优于集中装药，利用空孔创造临空面有利于松动爆破裂隙的发展。

4 全断面试验与分析

爆破试验洞段岩石为Ⅱ类砂岩地质，抗压强度约200～250 MPa。试验前该区段TBM掘进时，其总推力基本维持在设备限定的最大推力范围17 500～18 000 kN，也能反映出其坚硬程度。全断面布孔，设计爆破孔15孔，试验孔位布置见图2。以中间装药孔为中心，沿2.56 m直径圆周均布6个空孔，沿5.12 m直径圆周均布8个装药孔。孔深约2 m，每孔装药1卷，分3段装药，共15卷，见图3。

图2 全断面试验孔位布置（单位：mm）

图3 全断面试验爆破装药示意（单位：mm）

试验后选取爆破前后相邻3个循环（以TBM换步为起止点）掘进参数做对比，其中前一循环累计掘进时长133 min，区间长度1 620.7 mm；试验段循环长度参照2 m炮孔深度，截取长度2 070.7 mm（当中TBM换步一次）；后一循环累计掘进时长106 min，区间长度1 501.6 mm。全断面爆破试验段及其前后环掘进速度统计分析见表1。同时，选取TBM参数包括推进速度、总推力、刀盘扭矩等做对照分析。

表1 全断面爆破试验前后环掘进统计分析

仅以推进速度进行对比，试验段循环的掘进速度明显要优于前后相邻循环，其中在试验段循环的中后段（与分段装药炸药重点影响段吻合），TBM的掘进速度几乎维持在较高的水平，而试验段近孔口位置，速度区别并不明显。试验段及其前后环掘进速度对比见图4。同时，综合考虑推力变化，在推力变化幅度不大的情况下，试验段前后循环推进速度波动较为平稳，而试验段TBM的推进速度波动幅度要大于前后循环，这也显示出爆破对TBM掘进速度的影响。试验段前后循环刀盘扭矩由1 200～1 500 kN·m变为1 800～2 200 kN·m，刀盘平均电流由爆破前的120 A左右变为爆破后的170 A左右，这些参数变化也能反映出爆破带来的积极影响。

图4 全断面试验前后循环掘进速度对照

5 结束语

随着工程建设环境复杂化，施工中面临完整且极硬岩的情况增多，完整且极硬岩石条件下的TBM快速掘进将面临更大的挑战［11］。综合试验分析，借助松动爆破，人工制造裂隙，对于完整坚硬岩石TBM掘进效率提高有较大辅助价值，但还需整体综合对比分析进行全面细化研究。

（1）针对不同条件下预裂爆破装药量的控制，及何种程度裂隙对提高TBM掘进效率更为有效，可结合裂纹扩散机理做进一步分析［12］。

（2）当前TBM作业环境下，停机单独实施辅助爆破作业，受操作设备和空间限制，时间过长，对整体效率提升存在较大反噬，应结合TBM设备改进研究，实现借助TBM或辅助设备快速钻孔、装药等，压缩爆破施工时间，方能具备大的应用价值空间。

（3）一个不能忽视的现象是辅助爆破工艺，若遇有岩体局部节理发育，即使少量装药，亦有可能产生抛石，采用微差爆破更会加剧这一现象。围岩条件的不确定性会制约该技术的应用，应加强对TBM设备尤其是刀盘防护研究，或者说超前地质预报与不同地质情况下的爆破参数研究，且安全防护必不可少。