超大跨度公路隧道光面爆破方案研究

高景明，焦有智，侯文明，屈长发

1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471000

2.长安大学，陕西 西安 710000

21世纪是地下空间资源开发和利用的世纪，隧道作为地下空间利用的基本形式，在交通网中发挥着越来越重要的作用，目前我国已是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家[1]。近年来，随着国内各地公路改扩建工程建设，双洞八车道超大跨度公路隧道工程越来越多。由于超大跨度公路隧道具有跨度大、扁平、开挖工序复杂等特点[2-6]，其结构受力较两车道、三车道公路隧道更加复杂，掌子面及附近围岩更容易失稳[7]，并且国内尚没有成熟的超大跨度公路隧道配套修建技术，因此超大跨度公路隧道建设过程中施工质量与施工安全更难控制[8]。

光面爆破是隧道与地下工程施工的关键环节，合理的爆破方案能够极大减少隧道掘进过程中对围岩的扰动，有利于保持围岩完整性及承载能力，爆破后的轮廓规整，可有效避免超挖、欠挖，节约工程成本[9-10]。王展望[11]以大常山隧道为工程依托，对光面爆破在高速公路隧道建设中的应用现状进行研究。顾义磊等[12-13]在理论分析基础上对光面爆破合理参数进行了研究；罗敏[14]基于新建张家口至唐山重载铁路隧道光面爆破施工，开展了光面爆破多种关键技术研究；张继春等[15]以济南浆水泉隧道为工程背景，提出了一套适合浆水泉隧道的光面爆破方案；刘光武等[16-17]针对光面爆破在公路隧道中的适用性展开相关研究；此外还有许多学者对光面爆破技术在隧道开挖中的应用进行了研究[18-23]，取得了丰硕的成果，为光面爆破在工程中的应用、研究提供了一定的理论指导。但从整体来看，关于光面爆破的研究中尚没有普遍适用于各种隧道开挖的参考公式，理论仍滞后于工程建设需求，关于超大跨度隧道中光面爆破的实践经验与研究则更少。因此，对超大跨度公路隧道中的光面爆破进行研究十分必要。

文章依托连霍高速（G30）新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建项目XWGJ-3标段杏花村1号隧道下行线，对超大跨度公路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩段采用的光面爆破方案、爆破效果及爆破对支护结构的影响等进行研究，以期为超大跨度隧道光面爆破理论研究提供一定参考。

1 工程概况

杏花村1号隧道位于新疆乌鲁木齐市达坂城区白杨河右岸，与连霍高速紧邻，为双洞八车道高速公路隧道，其下行线隧道起讫里程为XK3494+731～XK3495+922，全长1191.0m。其中，Ⅳ级围岩段开挖长度为554m，Ⅲ级围岩段开挖长度为280m，Ⅲ、Ⅳ级围岩段开挖长度占隧道全长的70%。

杏花村1号隧道下行线沿线山体基岩裸露，石炭系中统巴音沟第三亚组（C2bc），岩性主要为凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质灰岩等，凝灰岩呈灰黄色、灰绿色、紫红色等，表层风化严重，层薄层呈挠曲状。凝灰质砂岩、灰岩呈灰黄色，表层5m左右强风化，下伏中风化-微风化岩层，呈厚层构造，构造节理不发育，岩石细小劈理较密集，易风化。

杏花村1号隧道Ⅲ级围岩段采用上下台阶法开挖，其开挖与支护施工顺序如图1所示，具体顺序为上台阶开挖1→上台阶初期支护Ⅰ→下台阶边墙开挖2、3→下台阶边墙初期支护Ⅰ→下台阶仰拱开挖4→仰拱填充Ⅱ→二衬施作Ⅲ。

图1 上下台阶法开挖工序示意图

杏花村1号隧道Ⅳ级围岩段采用上台阶CD法开挖，其开挖与支护施工顺序如图2所示，具体顺序为上台阶先导洞开挖1→先导洞初期支护Ⅰ、临时支护Ⅱ→上台阶后导洞开挖2→后导洞初期支护Ⅲ、拆除临时支护Ⅱ→下台阶边墙开挖3、4→初期支护Ⅰ、Ⅲ→仰拱开挖5→仰拱填充Ⅳ→二衬施作V。

图2 上台阶CD法开挖工序示意图

隧道全线采用钻爆法开挖施工，且采用光面爆破技术，以期达到避免隧道掘进时超挖、欠挖和减轻爆破对隧道围岩的扰动等目的。

2 爆破方案

由于国内外超大跨度公路隧道的建设数量相对较少，配套的光面爆破技术还不成熟。杏花村1号隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩爆破方案是根据现场的爆破效果及时进行调整、优化最终确定下来的。

2.1 Ⅲ级围岩爆破参数

（1）爆破参数选择。Ⅲ级围岩掘进钻孔采用YT28型气腿式凿岩机，钻孔直径d=40mm，采用普通2号岩石乳化炸药。考虑到Ⅲ级岩层的稳固性和支护拱架间距，确定控制一次爆破进尺L=3m，炮眼利用率为85%，具体的爆破参数如表1所示。

表1 Ⅲ级围岩光面爆破方案参数表

（2）炮孔布置。Ⅲ级围岩上下台阶法施工分步开挖爆破方案炮孔布置如图3所示。辅助孔间距取值0.8m，周边孔间距取值0.5m，底孔间距一般为0.9m，孔口比隧道底板高出0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。

图3 Ⅲ级围岩上台阶CD法爆破方案炮孔布置

（3）掏槽类型。Ⅲ级围岩段采用上下台阶法掘进，上台阶一次全断面开挖，爆破面积较大，为形成更大面积的自由面，保证爆破效果，采用多级复式楔形掏槽，掏槽具体布置如图4所示。其中，内掏槽孔倾角为28°，主掏槽孔倾角为43°，辅助掏槽孔倾角由中心向外依次增大，分别为49°、56°、65°、75°和86°。

图4 Ⅲ级围岩爆破方案多级复式楔形掏槽（单位：m）

2.2 Ⅳ级围岩爆破方案

（1）爆破参数选择。Ⅳ级围岩掘进钻孔采用YT28型气腿凿岩机，钻孔直径d=40mm。采用普通2号岩石乳化炸药。根据Ⅳ级围岩的稳固性和钢架间距，一次爆破进尺取L=2.4m，假定炮孔利用率为85%，具体的爆破参数如表2所示。

表2 Ⅳ级围岩光面爆破方案参数表

（2）炮孔布置。Ⅳ级围岩上台阶CD法施工分步开挖爆破方案炮孔布置如图5所示。周边孔间距取值0.75m，辅助孔间距取值1.05m，底孔间距一般为0.9m，孔口比隧道底板高出0.1～0.2m，孔底低于底板0.1～0.2m。

图5 Ⅳ级围岩上台阶CD法爆破方案炮孔布置

（3）掏槽类型。Ⅳ级围岩上台阶CD法施工时，先行导洞掌子面与后行导洞掌子面均采用二级复式楔形掏槽，其具体布置如图6所示，内掏槽孔倾角为66°，外掏槽孔倾角为73°。

图6 Ⅳ级围岩爆破方案二级复式楔形掏槽（单位：m）

2.3 爆破震速监测

爆破震动是爆破危害的主要构成部分，通常用爆破震速来衡量爆破是否对会构筑物造成危害。杏花村隧道开挖施工时，现场采用L20型智能爆破测震仪对Ⅲ、Ⅳ级围岩段爆破震速进行监测，如图7所示。

图7 L20型爆破震速测试仪现场震速监测

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

周边眼在爆破方案中所有炮眼的最外侧位置，最接近隧道设计轮廓线，合理的周边眼间距是保证爆破后轮廓平整、减小围岩扰动的关键因素。基于上文所述光面爆破方案，杏花村1号隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩爆破后炮孔痕迹如图8所示。由图8可知，Ⅲ、Ⅳ级围岩光面爆破后炮孔痕迹保留较完整，炮孔残留痕迹之间岩石较为平整，即光面爆破时围岩沿相邻周边眼连线破裂。经现场统计炮孔残存率在80%以上，说明光面爆破方案中周边眼的装药量、炮孔间距布置较为合理，有效避免了隧道开挖时的超挖、欠挖现象。由此可见，杏花村1号隧道Ⅲ级围岩爆破方案中周边眼间距取0.5m，孔深取3.0m，孔径取40mm，装药0.45kg；Ⅳ级围岩爆破方案中周边眼孔距取0.75m，孔深取2.4m，孔径取40mm，装药0.45kg是合理的。

图8 光面爆破后炮孔痕迹

爆破方案的掏槽是否合理直接影响隧道的掘进速度。杏花村隧道Ⅳ级围岩爆破采用二级复式楔形掏槽，循环进尺2.4m；Ⅲ围岩采用多级复式楔形掏槽，循环进尺3.0m。爆破后掌子没有出现较大的凸起或凹进，掌子面附近围岩稳定，没有出现坍塌、冒顶现象，如图9所示。

图9 光面爆破方案效果

3.2 爆破震速分析

通过对上述波形图进行频谱分析，得出Ⅳ级围岩和Ⅲ级围岩质点的主频率与峰值震速，结果如表3、表4所示。

由表3可知，Ⅳ级围岩爆破时震波在X、Y、Z三个方向的主频率分别是260.4Hz、99.7Hz、156.2Hz，质点峰值震速分别是0.275cm/s、0.253cm/s、0.482cm/s；由表4可知，Ⅲ级围岩爆破时震波在X、Y、Z三个方向的主频率分别是68.9Hz、66.0Hz、41.1Hz，质点峰值震速分别是0.046cm/s、0.034cm/s、0.036cm/s。

表3 Ⅳ级围岩XK3495+120断面爆破震速监测结果

表4 Ⅲ级围岩XK3495+260断面爆破震速监测结果

通过对现场爆破震速进行监测，得到Ⅳ级围岩和Ⅲ级围岩的地震波波形图，分别如图10、11所示。

由图10可知，Ⅳ级围岩爆破时震波在径向（X方向）、切向（Y方向）、垂向（Z方向）的峰值震速发生的时刻分别在0.159s、0.218s、0.156s，震波波幅在0.913s之后基本趋近于零；由图11可知，Ⅲ级围岩爆破时震波在径向（X方向）、切向（Y方向）、垂向（Z方向）的峰值震速发生的时刻分别在0.109s、0.007s、0.002s，震波波幅在0.821s之后基本趋近于零。

图10 Ⅳ级围岩地震波波形图

图11 Ⅲ级围岩地震波波形图

综上可知，Ⅳ围岩和Ⅲ围岩爆破方案的爆破震动的震速远小于结构安全震动控制标准速度，且震动持续时间较短，不会对爆破附近的支护结构等造成损害性的影响，能够满足工程要求。

4 结论

（1）超大跨度公路隧道Ⅲ级围岩光面爆破方案中周边眼间距取0.5m，孔深取3.0m，孔径取40mm，装药0.45kg；Ⅳ级围岩爆破方案中周边眼孔距取0.75m，孔深取2.4m，孔径取40mm，装药0.45kg使爆破后炮孔残存率在80%以上，轮廓平整，能有效避免超挖、欠挖现象。

（2）超大跨度公路隧道Ⅲ级围岩采用多级复式楔形掏槽，内掏槽孔倾角28°，主掏槽孔倾角43°，辅助掏槽孔倾角由中心向外依次分别为49°、56°、65°、75°和86°；Ⅳ级围岩爆破方案采用二级复式楔形掏槽，内掏槽孔倾角66°，外掏槽孔倾角73°，单循环进尺2.4m，能较好地发挥掏槽作用，是确保光面爆破效果的关键。

（3）超大跨度公路隧道Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩的光面爆破方案造成的爆破震速在安全范围内，且震动持续时间均不超过1s，不会对支护结构造成损坏，满足工程要求。

通过现场施工，该工程中的爆破方案满足工程要求，并取得了良好的经济效益和社会效益，为国内类似超大跨度隧道爆破施工提供了参考依据，对我国以后超大跨度公路隧道规范制订具有一定参考意义。