白竹山隧道爆破超挖原因分析与控制研究

2022-11-28田兴朝陶铁军娄乾星刘荣欣刘春舵

工程爆破 2022年5期

田兴朝，陶铁军，娄乾星，刘荣欣，刘春舵，陈航

(1.贵州大学土木工程学院，贵阳 550025；2.贵州大学矿业学院，贵阳 550025；3.中海建筑有限公司，广东深圳 518000；4.贵阳学院城乡规划与建筑工程学院，贵阳 550005)

钻爆法具有高效经济的优点，是我国隧道开挖的主要方法，在隧道钻爆法施工中，超欠挖问题一直都是亟待解决却始终没有很好解决的技术难题。超欠挖不仅影响爆破质量，还会增加作业成本，降低施工进度，因此，探明隧道爆破超欠挖的根本原因，提出应对措施，对隧道高效安全经济爆破具有重要意义。

超欠挖一直是隧道爆破的研究热点，大量专家学者对此进行了诸多研究：郝广伟等[1]基于蟠龙山隧道工程，开展了不同循环进尺大小的掘进爆破试验，对比分析了不同循环进尺下隧道超挖值及围岩成型效果。袁树成[2]结合甘河隧道工程中特殊的水平薄层状岩层易导致超欠挖的特征，提出了将信息化施工与新爆破技术相结合的“三组一新”控制超欠挖方法。张运良等[3]对周边孔的外插角、装药参数、内移距离及装药结构等进行优化，减少了水平层状围岩光面爆破造成的超欠挖。杨玉银等[4]提出从施工技术、爆破技术等方面减小超挖的方法，得出了控制单循环进尺可有效减少超挖的结论。王海亮等[5]提出的周边孔采用“长短眼”布孔方式，克服了钢拱架对周边孔钻凿的限制，有效控制了超欠挖，同时降低了周边孔的爆破振动。邓显平[6]提出“在影响隧道超欠挖的诸因素中，钻孔精度和爆破技术对超欠挖的影响最大，分别为44. 2%和20. 3% ”。冯海暴等[7]以九瑞高速隧道建设为工程背景开展现场试验，分析了影响超欠挖和造价耗费的主要因素，表明钻孔偏差是造成超欠挖的主要原因。张运良等[8]以大林隧道为背景分析了影响光面爆破效果的主要因素, 总结了一套水平层状围岩光面爆破的施工技术。王承山[9]阐述了钻爆法隧道开挖时超欠挖产生的原因, 提出了强化现场施工管理是减少超欠挖的根本措施。刘冬等[10]分析了影响隧道超欠挖产生的主要因素，并从提高周边孔钻孔精度和测量放线精度、加强现场管理等角度提出了一些控制措施。

上述研究对隧道爆破超欠挖的原因进行了详细分析，提出了应对策略，成果颇丰，但似乎都停留在理论层面，鲜有对现场炮孔布设的实地测量，周边孔实测倾斜角度对超欠挖影响规律以及影响机理未见相关报道。本文在前人研究的基础之上，以贵州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道为工程依托，对现场爆破参数进行了数据采集，讨论了当前爆破工艺下导致隧道超欠挖的主要原因，并提出了应对措施，为现场爆破施工提供指导。

1 工程概况

白竹山隧道为分离式特长隧道，右幅隧道长4 404 m，最大埋深323 m，左幅隧道长4 358 m，最大埋深318 m，隧道左右幅测设线间距为16～41 m。数据采集段为左幅隧道ZK19+984～ZK19+954区段，围岩为中风化薄～中厚层状凝灰质板岩，节理裂隙发育，岩体较破碎～较完整，呈镶嵌碎裂结构，隧道自稳能力差，无支护时受震动易产生松动变形、挤压破坏和坍塌及掉块现象。本段岩体Kv=0.58，[BQ]=290，按Ⅳ级围岩进行衬砌支护。

对现场爆破进行了9个循环的数据采集，超欠挖情况如表1所示，现场爆破基本都为超挖，基本无欠挖，超挖平均值在20 cm以上，最大超挖平均值为51.8 cm，最大超挖值为91.9 cm，远超过规范[11]规定的最大允许超挖值150 mm，超挖严重，且每循环爆破由于超挖增加的混凝土成本约为2万元，严重增加了施工成本。因此，迫切需要分析导致现场爆破超欠挖严重的原因，提出应对措施，改善爆破效果，降低超挖。

表1 超欠挖情况统计

2 超欠挖产生的原因分析

邓显平[6]、冯海暴等[7]经过对隧道拱部超挖因素的分析，认为造成隧道爆破超挖的主要因素有6个，即装药量与钻孔精度、孔网布设、施工管理、测量放线、地质变化以及其他因素，如图2所示，其中装药量与钻孔精度、爆破技术、施工管理分别占比44.2%、20.3%、17.7%，对隧道爆破超欠挖的影响最大，现对以上3因素对超欠挖的影响规律做进一步分析。

图1 超欠挖影响因素统计分析[6]

根据9次数据采集资料，每循环所采用的爆破技术基本相同，现场爆破人员都是持证上岗，并有爆破专家对爆破人员进行培训，且每循环上台阶爆破均为同一班工人开展，但超挖值却有较大变化，说明孔网布设及施工管理不是导致白竹山隧道超挖严重的主要原因。

3 装药量及钻孔角度对超欠挖影响规律

虽然每循环爆破均为同一班工人开展，但现场并未进行相应的测验工作，如打孔位置、钻孔角度以及单孔装药量等，本文在对现场进行的9次爆破参数采集中，均对上述参数进行了详细采集。

3.1 装药量对超欠挖影响规律

对每个炮孔的装药量进行数据采集，如表2所示。每个炮孔的装药量都是固定的，但超挖值却有较大变化，说明装药量不是导致白竹山隧道超挖严重的主要原因。

表2 炮孔装药量统计

3.2 周边孔孔口位置对超欠挖影响规律

以6～9次现场测试数据为例，对周边孔孔口布设位置进行准确标定，将周边孔孔口布设轮廓线与超欠挖轮廓线进行对比，如图2所示。现场技术人员在进行周边孔钻孔时，往往以上一循环初支混凝土表面为参照，初支混凝土表面的凹凸不平以及人工钻孔时的不可控因素，使得周边孔孔口位置布设不整齐，距离隧道轮廓线的距离不统一，同时周边孔的间距不均匀。由图2b)分析可知，周边孔孔口位置不是影响白竹山隧道超欠挖的主要原因，然而，由h=a+tanθ(h为隧道超欠挖，a周边孔开口位置，θ为周边孔外斜角度)可知，周边孔开口位置将影响周边孔孔底分布位置。

图2 周边孔孔口布设轮廓线与超欠挖轮廓线

3.3 钻孔角度对超欠挖影响规律

1)钻孔角度对超欠挖的影响规律。对现场爆破工艺进行现场检测时发现，由于受到开挖台车结构构造、钻孔设备以及技术人员作业空间的制约，使得周边孔钻孔时都会向外倾斜一定角度，当外斜角度过大，周边孔爆破时将会对保留岩体产生类似楔形掏槽孔的作用效应，如图3所示，保留岩体损伤严重。

图3 周边孔三维模型

钻孔完成后，对每个周边孔的角度进行准确测量，定义周边孔的倾斜角度为90°与现场测量角度的差值，正值代表周边孔外斜，负值代表周边孔内斜。限于篇幅，此处仅对第7、8、9次现场测试数据进行分析，如图4所示(注：个别炮孔为浅孔装药，未进行角度测量，导致周边孔倾斜角度曲线不连续)。由图可知，随着周边孔外斜角度的增大，超挖值逐渐增大，随着周边孔内斜角度的增大，超挖值逐渐减小，说明周边孔的倾斜角度是影响白竹山隧道超欠挖的主要原因。

图4 超欠挖与周边孔倾斜角度关系

2)钻孔角度导致超挖原因分析。现场围岩为层状板岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，呈镶嵌碎裂结构，隧道自稳能力差，在应力波与爆生气体共同作用下，岩体易脱落，造成超挖。

粉碎区半径可按下式进行计算[12]：

(1)

式中：R0为粉碎区半径；rb为炮孔半径；ρ0为炸药密度；ρm为岩石密度；D为炸药爆速；Cp为岩石纵波波速；K为不耦合装药系数。

选用2号岩石乳化炸药进行计算，密度ρ0=1.24 g/cm3，爆速D=4 200 m/s，炮孔半径rb=2.1 cm，依据式(1)进行粉碎区半径计算，炮孔直径为42 mm，药卷直径为32 mm，不耦合装药系数K=1.30，计算得出粉碎区半径R0=2.02 cm。

裂隙区半径可按下式进行计算[13]：

(2)

式中：RL为裂隙区半径；σtd为岩石抗拉强度；D*为损伤因子；λ为侧压力系数，λ=μd/(1-μd)，μd为岩石的动态泊松比，μd=0.8μ；α为应力波衰减系数，α=1-λ。

(3)

现场板岩的抗拉强度σtd=10.3 MPa，泊松比μ=0.22，可得A=5.16，α=1.78，不同不耦合装药系数条件下，裂隙区半径RL与损伤因子D*关系如图5所示。

图5 裂隙区半径RL与损伤因子D*关系

由图5可知，不同不耦合装药系数条件下，裂隙区半径RL与损伤因子D*关系的变化规律基本相同，随着损伤因子的逐渐增加，裂隙区半径逐渐增大，当损伤因子达到0.5时，裂隙区半径达到极值，损伤因子继续增加时，裂隙区半径逐渐减小，这是由于随着损伤因子的增大，岩石中的裂隙不断增多，裂隙的发育消耗了应力波的大部分能量，因此裂隙区半径会逐渐减小。本文现场爆破的不耦合装药系数K=1.30，取损伤因子D*=0.5，计算得出裂隙区半径RL=78.93 cm。

分析周边孔倾斜角度造成超欠挖的原因：由图5可知，现场板岩爆破时产生的裂隙区半径RL为78.93 cm，每个周边孔爆破都将产生一个类似圆柱体的裂隙损伤区域，此裂隙损伤区域以周边孔底部中心为圆心，半径为裂隙区半径RL，高为装药长度，如图6所示。ZK19+984～ZK19+954数据采集区段，围岩为中风化薄～中厚层状凝灰质板岩，Rc=25 MPa，属于较软岩，Kv=0.58，[BQ]=290，节理裂隙发育，岩体较破碎～较完整，呈镶嵌碎裂结构，隧道自稳能力差，无支护时受震动易产生松动变形、挤压破坏和坍塌及掉块现象。依据此区段板岩性质，辅助孔爆破为周边孔爆破提供了临空面，同时对周边围岩产生了“卸载”作用，裂隙的发育使本来破碎的板岩更加不稳定，周边岩体在爆破振动作用、自重应力作用以及裂隙的分割作用下从保留岩体中脱落，形成超挖区域。