粉砂质页岩段隧道光面爆破周边孔间距试验研究

2022-02-23张建国拜晓亮赵海钦李家宏刘振江王红云

工程爆破 2022年6期

张建国，杨文，拜晓亮，赵海钦，蒋欢，李家宏，段聪，刘振江，王红云

(中交第二公路工程局有限公司隧道工程公司，西安 710000)

从20世纪50年代瑞典学者Hagthorpe 和 Dahlborg[1]发明光面爆破技术以来，经多国专家学者和技术人员研究改进后已成为钻爆法隧道开挖掘进施工常用的方法。光面爆破开挖中钻爆参数选取作为光面爆破施工的核心技术，国内外专家学者基于理论模型、工程实践开展了大量研究[2-4]。刘殿书等[5]指出，光面爆破中相邻周边孔间裂隙的形成及贯通主要是由于应力波叠加、爆生高压气体准静压力共同作用的结果。马芹永[6]根据周边孔爆破机理，推导出光爆层厚度及周边孔间距的理论计算方法，为周边孔爆破参数设计奠定了理论基础。胡红利等[7]为使光面爆破达到较为理想的效果，提出在施工中应如何合理的选择周边孔间距等钻爆参数。毛建安[8]通过对向莆铁路青云特长隧道不同围岩等级光爆参数进行总结，认为适当加密周边孔、确定合理光爆层厚度、采用小直径药卷、不耦合装药结构、保证周边孔同时起爆是光爆技术成功应用的关键。宗琦等[9]根据光面爆破理论，提出了空气垫层装药结构轴向不耦合系数的计算公式，并在淮南花家湖矿竖井片麻岩段进行了爆破试验，取得了较好的爆破效果。满轲等[10]对Ⅱ级和Ⅲ级花岗岩围岩进行了爆破设计及试验，获得了较为理想的爆破参数。韩亮等[11]通过有限元动力分析软件对超深竖井不同的光爆参数进行了对比分析，根据模拟结果确定最佳爆破参数并进行爆破参数应用，结果表明数值方法确定爆破参数更符合实际情况，根据爆破经验进行爆破作业适应性较差。陈玉等[12]针对大断面隧道爆破存在的超欠挖、围岩损伤严重等问题，依托工程实例，利用正交方法设计了考虑延时、孔间距、装药量、孔径在内的16组隧道Ⅳ级砂岩段爆破方案，并利用LS-DYNA对大跨公路隧道穿越砂岩进行了模拟，最终筛选出隧道Ⅳ级砂岩段爆破优化方案。

由于工程地质复杂性，在实际隧道施工难免出现超欠挖问题。因此，根据具体围岩条件拟定合适的周边孔间距，并通过工程试验动态优化调整，分析具体围岩条件下周边孔间距调整对爆破效果的影响，指导工程项目钻爆法隧道光面爆破开挖施工具有重要意义。本文针对渝湘复线巴彭路项目武隆隧道进口钻爆法开挖施工现场工况，确定合适的钻爆方案，开展了不同周边孔间距、距轮廓面不同内缩距离条件下的爆破试验，采用三维激光扫描仪检测超欠挖量并评估周边孔间距对爆破效果的影响。

1 工程概况

渝湘复线巴彭路项目武隆隧道位于重庆市武隆区境内，隧址区属构造溶蚀、剥蚀中山地貌区。武隆隧道为双向六车道分离式隧道，隧道全长6 615 m，隧道净空14.00×5.0 m2，最大埋深为738 m。武隆隧道进口右洞光面爆破试验段属于IV级围岩，主要为粉砂质页岩，饱和极限抗压强度Rc=15.4 MPa，属于软岩。衬砌断面如图1所示，围岩物理力学参数如表1所示。

图1 隧道断面Fig.1 Tunnel section

表1 隧道围岩物理力学参数

2 方案设计

在施工现场地质调查的基础上，结合超前地质预报及隧道地质围岩勘探，采用工程类比法和现场爆破实验确定武隆隧道右洞粉砂质页岩段采用上、下两台阶开挖工法，三臂凿岩台车机械钻孔，上台阶开挖断面面积为93 m2，采用光面爆破技术进行开挖作业。

目前大多数学者认为：光面爆破技术主要基于应力波与气体压力共同作用理论。该理论认为周边孔起爆后，周边孔应力波在炮孔周围产生一些初始径向裂缝，随后，爆炸高压气体准静态应力的作用使初始径向裂缝进一步扩展。当相邻两个周边孔同时起爆时，不论是同时起爆还是存在不同的起爆时差，由于应力集中，沿炮孔的连心线方向首先出现裂缝，并且也发展最快。在爆生气体压力作用下，由于最长的径向裂隙扩展所需能量最小，所以该处裂缝将优先扩展。因此，周边孔连心线方向也就成了裂缝继续扩展的优先方向，而其他方向的裂缝发展甚微，从而保证裂缝连着连心线将岩体裂开，形成光滑平面。根据光面爆破技术原理，爆破方案进行如下设计。

2.1 整体爆破方案

武隆隧道Ⅳ级围岩上台阶炮孔布置如图2所示，上台阶炮孔立面如图3所示，剖面如图4所示，整体爆破参数如表2所示。

图2 武隆隧道IV级围岩上台阶炮孔布置Fig.2 Layout of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

图3 武隆隧道IV级围岩上台阶炮孔立面Fig.3 Elevation of upper bench blast hole of Wulong Tunnel IV surrounding rock

图4 武隆隧道IV级围岩上台阶炮孔剖面Fig.4 Section of upper bench blast holes in class IV surrounding rock of Wulong Tunnel

表2 Ⅳ级围岩上台阶钻爆参数

2.2 周边孔爆破参数设计

1)固定参数。①不耦合系数K=d/φ，武隆隧道光面爆破钻爆法施工中炮孔直径d=50 mm，药卷直径φ=32 mm，不耦合系数K为1.56；②装药集中度q，采用乳化炸药时周边孔装药集中度换算值为q=0.08～0.17 kg/m，根据武隆隧道右洞围岩条件取q=0.16 kg/m。

2)可调参数。①周边孔间距E，结合武隆隧道试验段具体围岩条件，设计孔间距E=35、40、45、50、55、60 cm；②开挖轮廓线内缩5、8、10 cm。

2.3 周边孔装药结构

武隆隧道右洞光面爆破周边孔采用空气间隔不耦合装药结构，施工中使用内径φ=32 mm，长度为3.2 m的PVC管间隔固定分节药卷。装药时提前在PVC管上按50 cm距离等间距切出装药卡槽，先将导爆索通长穿入PVC管中并插入孔底药卷内布设，然后将切割分节的药卷压入卡槽与导爆索密接，最后整体装入周边孔内，上台阶周边孔装药结构如图5所示。

图5 武隆隧道IV级围岩上台阶周边孔装药结构Fig.5 Charging structure of the surrounding holes of the upper bench of the IV surrounding rock of Wulong Tunnel

2.4 爆破器材与起爆网路

武隆隧道爆破采用非电导爆管雷管进行反向起爆，周边孔采用非电毫秒雷管起爆，导爆索进行传爆。

爆破网路采用孔内延时、孔外簇联的方式联接。起爆顺序为掏槽孔→辅助孔→底板孔→周边孔，孔内延时利用毫秒雷管跳段起爆，孔外簇联每个联结点安装2发同段毫秒雷管保证可靠起爆，起爆网路如图6所示。

图6 武隆隧道IV级围岩上台阶起爆网路Fig.6 Firing of npper bench of class IV durrounding rock of Wulong Tunnel

3 爆破试验

3.1 周边孔间距调整试验

光面爆破中周边孔相邻两孔炸药爆炸时，沿两炮孔连心线方向受应力集中作用首先出现初始径向裂缝。在爆生气体准静态压力作用下，炮孔连心线方向的初始径向裂缝扩展所需能量最小，岩体最易沿连心线裂开。在周边孔炮孔装药量一定的条件下，连心线长短(即周边孔间距)影响着贯通裂缝的形成质量，即周边孔间距大小影响光面爆破开挖轮廓面的效果。

施工中根据钻爆施工方案钻爆参数组织施工。试验时先取定50 cm周边孔间距开展爆破试验，分析评估现场爆破效果。然后维持其他钻爆参数不变，单一调整周边孔间距，依次进行35、40、45、55、60 cm不同间距的爆破试验，根据周边孔不同间距对应的爆破效果，分析总结周边孔间距对爆破效果试验，不同周边孔间距开挖轮廓面爆破效果及超欠挖扫描分别如图7～图12所示。

图7 周边孔50 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.7 On-site blasting effect of 50 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

图8 周边孔35 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.8 On-site blasting effect of 35 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

图9 周边孔40 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.9 On-site blasting effect of 40 cm excavation contour surface of peripheral hole and scanning of over-under-excavation

图10 周边孔45 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.10 On-site blasting effect of 45 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

图11 周边孔55 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.11 On-site blasting effect of 55 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over and under excavation

图12 周边孔60 cm开挖轮廓面现场爆破效果及超欠挖扫描Fig.12 On-site blasting effect of 60 cm excavation contour surface of the peripheral hole and scanning of over-under-excavation

综合以上现场爆破试验结果，不同周边孔间距下的平均线性超欠挖值如表3所示，周边孔间距与平均线性超挖关系如图13所示。

表3 不同周边孔间距试验平均线性超欠挖值

图13 周边孔间距与平均线性超挖关系Fig.13 Relationship between peripheral hole spacing and average linear over-excavation

从图13可以看出：周边孔间距在35～45 cm范围时，开挖轮廓面平均线性超挖在20 cm以上；当周边孔间距超过50～60 cm时，开挖轮廓面平均线性超挖在20 cm以下，周边孔间距为60 cm时，虽然平均线性超挖最小为16.6 cm，但由于周边孔间距过大，两炮孔间会形成楔形体，导致开挖轮廓面局部会出现欠挖现象，最大欠挖9.6 cm，影响立架施工。由此可见，在粉砂质页岩条件下两相邻周边孔间距在50～55 cm范围内时，相邻周边孔在应力波及爆生气体的共同作用下易形成贯穿裂缝，实现“切割”围岩，形成平顺规整的开挖围岩面。考虑钻孔时间影响，周边孔间距较小时炮孔数量增加，引起钻孔作业时间延长。炮孔间距调大后炮孔数量减少，作业时长相缩短，但是周边孔间距过大时又会产生局部欠挖现象，最大欠挖量达9.6 cm，不符合施工规范要求。因此，在兼顾效益和效率的前提下，粉砂质页岩条件下两相邻周边孔间距控制在55 cm左右较为合理，既能控制围岩平均线性超欠挖量，又不会耗费过多作业时间。

3.2 周边孔开孔位置调整试验

为进一步减小隧道超挖量，控制周边孔间距为55 cm的同时调整周边孔与设计轮廓线的距离，分别试验开孔位置沿设计开挖轮廓线径向内缩5、8、10 cm时对隧道超欠挖影响。作业工人严格按照放样点进行钻孔，其余爆破参数不发生改变。现场效果统计分析如图14所示。周边孔炮孔残留率90%。采用三维激光扫描仪扫描开挖轮廓面超欠挖情况，结果显示：开孔位置内缩5 cm时开挖轮廓面较设计断面平均线性超挖为12.1 cm(见图15)；开孔位置内缩8 cm时，开挖轮廓面较设计断面平均线性超挖为10.6 cm(见图16)；开孔位置内缩10 cm时开挖轮廓面较设计断面平均线性超挖为6.86 cm，但是开挖轮廓面左侧存在欠挖现象，最大欠挖量为6.1 cm(见图17)。