水平砂泥岩隧道爆破成型控制技术研究

2022-01-23吕瑞虎

西部探矿工程 2021年12期

吕瑞虎

（中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东广州 511458）

1 概述

钻爆法开挖水平砂泥岩隧道，受水平方向层理、节理、软弱夹层等因素影响，光面爆破效果难以得到有效控制，易产生较为严重的超欠挖现象，致使工程量、成本增加，工期延长，工效降低，对后续工序影响较大；严重的还将造成防水板破裂，使隧道的防排水体系失效，引起运营期间衬砌渗水现象；另外，依据新奥法观点，隧道超欠挖现象对围岩稳定也将产生不良影响。针对段家坪水平岩层隧道钻爆法施工超欠挖问题，为达到优化爆破参数、降低造价、满足隧道围岩与支护安全与稳定的目标，研究开发出新型聚能装药结构，对钻爆参数开展现场调试应用研究，有效控制了水平岩层的超欠挖，为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

段家坪隧道位于陕西省宜川县境内，隧道全长10722.98m（进口里程DK446 ＋664.2，出口里程DK457＋387），隧道最大埋深约450m（DK452+980），走向为121°27′12″。

段家坪隧道洞身围岩以三叠系上统厚层砂岩、粉砂岩，夹薄层泥岩为主，岩层产状272°∠2°，砂岩、粉砂岩节理裂隙较发育—很发育。优势节理裂隙主要有两组，产状分别为190°∠90°和78°∠89°，地表调查测量，节理间距25～50cm，一般为密闭节理，地表局部地段节理呈张开状，岩体较破碎，泥岩为软弱夹层，呈薄层状，竖向节理裂隙很发育。拱部、边墙局部及底板底部偶夹少量薄层泥岩。

3 水平砂泥岩隧道爆破成型情况及超欠挖原因分析

3.1 水平砂泥岩隧道爆破成型情况

段家坪隧道进口DK447+510 至DK448+050 段围岩级别为Ⅳ级，采用三台阶法开挖，每循环进尺约2m。钻眼采用风动凿岩机配合开挖台架施工，钻眼直径42mm，炸药采用岩石硝铵炸药，药卷直径为32mm。周边眼间距取50cm，上台阶周边眼每孔装药量0.6kg，中台阶周边眼每孔装药量0.8kg，下台阶周边眼每孔装药量1kg。掏槽眼和底眼连续装药，周边眼采用间隔不耦合装药结构，炮泥封口。详细爆破参数见表1。

表1 原开挖爆破参数表

Ⅳ级围岩段超欠挖情况特别严重，尤其是拱肩与拱顶部位，几乎无炮痕残存，拱顶岩层在爆破后沿着节理面脱落，形成矩形门洞形式，有的部位甚至形成高达1m 多高的超挖空间。欠挖则主要集中在拱脚和墙脚位置，补炮现象非常严重。这在很大程度上影响了后续支护施工，增加了施工成本，拖延了工期，甚至造成连续几天的停工返工。

图1 隧道开挖断面扫描轮廓图

段家坪水平岩层隧道Ⅳ级围岩段在三台阶钻爆施工过程中，其拱顶及拱肩超挖情况特别严重。由开挖断面的轮廓图可以看到，拱顶到拱肩区域超挖量很大，最大达到了108.4cm，右边墙欠挖严重，左边墙也存在少量欠挖，隧道拱部超挖量都在50cm 以上，有的断面拱部掉块现象极为严重，出现典型的矩形门洞形状。

3.2 水平砂泥岩隧道超欠挖原因分析

（1）爆破参数设置不合理。水平砂泥岩的层理、节理对隧道的超欠挖影响较大，在水平岩层中，水平炮孔的最小抵抗线方向垂直于水平岩层，其爆轰波直接压碎炮孔的岩层，其应力波还向外继续传播。因为岩体抗压能力远大于抗拉能力，于是在两个层理之间的岩体就被反射波拉伸波拉下来，形成平顶超挖现象。爆破参数不合理极易导致隧道超欠挖严重。

（2）周边眼装药量偏大，药量过于集中。段家坪隧道Ⅳ级围岩段为薄层层状砂岩，较破碎，层状结构明显，节理裂隙发育，周边眼装药量大且集中，对周边破碎围岩冲击力大，极易造成周边产生超挖。

（3）钻爆施工管理不严格，钻眼的位置及方向控制较差。受现场施工管理不力的原因，钻孔放线定位不准，钻孔位置往往太靠近开挖轮廓线，或者钻孔外插角太大，周边炮孔甚至直接破碎周边岩体，同时爆破反射拉伸波对隧道开挖轮廓线外水平岩层的拉伸破坏，也会造成岩层产生较大的超挖。需要控制钻孔位置及精度，同时考虑将钻研位置适当向内侧偏移一部分。

4 现场爆破方案的优化及爆破效果

4.1 爆破方案优化

针对段家坪水平岩层隧道Ⅳ级围岩段前期爆破开挖超欠挖严重的问题，通过对造成其严重超欠挖原因的分析，从现场施工技术把控以及爆破参数两方面对原方案做出相应调整。

（1）控制周边眼钻孔精度。在每次测量放线时先对上次爆破断面进行检查，根据爆破效果及时调整参数。周边眼要沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合要求。辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石块块度适合装渣的需要。钻眼前，用红铅油准确地绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，其误差不得超过5cm，按炮眼布置正确钻孔，掏槽眼和周边眼的钻孔精度要高，开眼误差控制在3cm和5cm以内，眼底不得超出开挖断面轮廓线15cm，并不得欠挖。

（2）规范周边眼装药结构。从前期爆破效果分析，靠近掌子面1m 处超挖量明显要大于后1m 处，主要原因在于装药过于集中，单孔药量大，装药过于集中，炮孔内炸药主要靠冲击波对岩体做抛掷功，反射拉伸波所起作用甚微。对周边眼采用导爆索分散炮孔内药量，减少炸药的集中度，防止能量集中形成爆破漏斗而在炮眼底部造成超挖，周边眼装药结构见图2。

图2 周边眼装药结构

（3）周边眼及辅助眼参数调整。在拱顶和拱腰位置，周边眼位置向开挖轮廓线内侧偏移5～10cm，起到超挖保护层的作用，同时减少周边眼爆破对周边破碎围岩的扰动。增加周边眼的数量，将周边眼间距从原来的50cm 调整到40cm，减少周边眼及外层辅助眼的装药量。上台阶辅助眼装量调整为0.25kg/m，周边眼装药量调整为0.3kg/m；中台阶辅助眼装量调整为0.25kg/m，周边眼装药量调整为0.3kg/m；下台阶辅助眼装量调整为0.5kg/m，周边眼装药量调整为0.4kg/m。

1.3.1 生活质量变化情况评价指标该院通过应用SF-36生活质量评价量表，评价患者治疗后的生活质量。

4.2 爆破方案优化后的效果

优化后的爆破方案在现场选取多个循环断面进行试验。

开挖轮廓面的平整度较前期爆破效果有较大的提升，最大点超挖值为56.2cm，平均线超挖22～30cm 左右，拱脚处出现局部欠挖现象。爆破方案优化后，隧道爆破开挖成型效果明显好转，但仍不能满足现场施工需求，特别是拱部超挖量仍较大。

爆破参数调整后增加钻孔数量，每个断面周边眼数量增加13个，钻孔量增加了7%，耗药量从149.2kg减少4kg，减少了2.9%。炸药使用量减少较少的情况下增加了较多的钻孔量。从爆破效果来看，修改优化后的爆破开挖方法仍不能完全满足开挖成型及光面爆破需求。

5 聚能装药结构开发及应用

单纯的调整爆破参数不能取得较好的超欠挖控制效果，针对性开发了一种新型的聚能装药结构并进行现场试验。

5.1 采用聚能装药结构的方案试验

将PVC 管加工成图3，带有两个对称扇形凹槽的异形PVC，可以得到两个聚能穴结构。将乳化炸药卷加工成与异形PVC管相匹配的形状，装入带有炸药聚能穴结构的炸药外壳中，形成一种带有双向聚能穴的装药结构。通过PVC连接管，可以方便联接在异形炸药柱的两个聚能穴旁，再通过数个PVC导向连接管将数个异形炸药柱串接起来，见图4。

图3 带有炸药聚能穴结构的炸药药柱剖面图

图4 连接好的带有炸药聚能穴结构的间隔装药炸药药柱示意图

装入周边炮眼后，可以通过PVC 导向连接管方便调节间隔炸药柱单元，使聚能穴位置正对周边眼连心轮廓线。爆破时可加大周边眼连心轮廓线方向裂纹的发展并减少非周边眼连心轮廓线方向产生的随机裂纹，减少了非周边眼连心线位置的围岩破坏程度，提高周边炮眼的利用率。可以适当增大周边炮眼间距，减少了周边眼钻眼工程量，缩短了工序时间。

5.2 采用聚能装药结构的现场试验

在周边眼中采用了带有双向聚能穴的聚能装药结构，增强了开挖轮廓线方向裂纹发展，并减少非开挖轮廓线方向产生的随机裂纹，减少了非开挖轮廓线位置的围岩破坏深度，提高周边眼利用率。采用聚能爆破技术，周边眼在原来的基础上可以减少数量，增加周边眼的距离，同时可以减少周边眼的装药量。根据聚能爆破的原理，针对Ⅳ级围岩段进行了爆破参数调整的试验。

由于聚能装药结构增强了开挖轮廓线方向裂纹发展，周边眼采用聚能装药结构后，设置周边眼间距60cm、70cm、80cm三种情况，周边眼装药密度0.2kg/m、0.25kg/m、0.3kg/m 三种情况，并灵活使用。在周边眼间距增大情况下，试验发现拱腰部分爆破效果变差，分析原因是在中台阶位置，周边眼连心线方向与水平岩层层理结构基本垂直，爆破效果减弱，在试验过程中适当减小了中台阶处周边眼间距。

根据不同参数爆破效果对比，针对段家坪隧道水平砂泥岩情况，Ⅳ级围岩三台阶爆破开挖，参数宜设置为：上台阶周边眼间距70cm，周边眼装药量0.2kg/m；中台阶周边眼间距60cm，下台阶周边眼间距70cm，周边眼装药量0.3kg/m，具体参数详见表2。