复杂围岩环境下高速公路隧道爆破施工设计——以河南省“双千工程”某高速公路隧道工程为例

林慧勤

（中铁二十三局集团第一工程有限公司，山东日照 276800）

0 引言

目前，我国在建高速公路隧道有30%～40% 位于复杂围岩环境，复杂围岩强度、承载能力不均，常发生围岩大变形、塌方等工程事故。为了保证隧道施工工期，需要根据不同围岩特点，选择相应的施工工法[1]，并且严格按照短开挖、弱爆破、勤量测、及时成环的原则施工[2]。其中，隧道爆破施工设计需要通过理论计算和施工经验相结合的方式，确定具体的爆破设计参数，以确保隧道施工的安全。以河南省“双千工程”某高速公路隧道工程为例，阐述了隧道爆破施工设计中涉及的关键参数以及计算方法，为今后的类似工程提供借鉴经验。

1 工程概况

河南省“双千工程”某高速公路全长75km，采用双向四车道高速公路标准，设计速度80km/h，路基宽度25.5m。线路位于豫西深山区，地处秦岭山脉东段，峰峦连绵，谷深坡陡，地面标高最低700m，最高2192m。河谷为侵蚀型，两岸不对称发育二级阶地，分布不连续。地形属中低山区和黄土覆盖低山区。线路沿线表层多覆盖碎石土，基岩分布有火山岩、变质岩、沉积岩等，物理力学性能参数如表1所示。

2 隧道概况及风险分析

该标段涉及4 座隧道，分散坐落于不同山区，涉及村庄3 处，紧邻隧道口散落4 家农户。需要重点关注的是，某隧道进口200m 范围内有大量居民居住，距离民宅近，爆破施工有一定难度，控制爆破飞石、震动等影响至关重要。在爆破作业时，应对爆破的安全性进行校核和有效控制。隧道含有各种围岩级别，因此隧道爆破施工技术研究以隧道施工为例。

隧道进出口围岩为Ⅴ级，表层为第四系残坡积土、碎石，全风化岩石，结构松散，围岩不稳定性。施工时，应加强防护措施，宜采取预支挡等安全防护措施后开挖。洞身段整体稳定性较好，在断层带岩石破碎或成碎石状，易发生坍塌等，基本适宜隧道通过。但应对雨季洞体滴水状况做好防护。

经隧道进出口实地勘察，采用小松260 挖掘机进行破碎及挖掘，满足施工要求。为保证施工进度，洞口进洞前实施爆破。采用松动爆破，并预留靠近民房的一侧作为防护墙，挖掘机进行辅助配合，保证周边居民、住房及设备设施安全。

爆破网络采用非电毫秒起爆网络。爆破后，挖掘机、装载机配合大型载重自卸车运输至弃渣场。爆破作业时，加强协调统一与安全管理，严格按照爆破施工程序进行。

3 爆破技术参数及设计

爆破施工的关键是与爆破设计和作业工序配合[3]。爆破初期，需要根据岩性和结构的不同进行试验，分析爆破效果，基于此调整相应的设计参数。

3.1 爆破技术参数

隧道爆破的施工质量取决于爆破技术参数的合理选择[4]。

3.1.1 单位炸药消耗量，单位炸药消耗量会对岩石的破碎程度、爆堆的形状和岩石的飞行距离产生直接影响，同时对施工断面质量、炮眼的利用率以及隧道围岩的稳定性产生显著影响。单位炸药消耗量需要结合多种因素综合确定，包括炸药特性（硬度、密度、爆炸力和塑性等）、岩石特性、横截面、装药的直径、孔径和孔深等。因此，准确计算单位炸药消耗量非常困难。

3.1.2 炮眼直径，炮眼直径会对施工进度、炮眼数量、岩石破碎程度、炸药的消耗量以及隧道侧壁的平整程度产生直接的影响。在隧道施工中，主要根据隧道的断面尺寸、炸药的爆炸性能和器具的钻孔速度，确定炮眼的设计直径。所有炮眼和临时支护锚杆孔均采用φ42mm 钻孔。

3.1.3 炮眼深度，从综合钻孔和爆破工作的角度来看，炮眼深度在所有爆破参数中起重要作用[5]。炮眼深度影响到工作量、进度以及施工时的爆破效果。调整炮眼深度的依据包括围岩的类型、施工爆破环境和隧道开挖方法，炮眼深度合理的取值范围在1.2～3.5m。在具体的施工中，根据岩性和以往的爆破效果适当调整炮眼深度。同时，必须调整其他爆破参数，如孔间距和装药量，以加快进度。

3.1.4 炮眼数量，炮眼数量直接影响钻孔工作量和爆破施工效果。炮眼数量过少，岩石大体积的碎块增加，井壁轮廓凹凸不平；相反地，如果炮眼数量过多，则会增加钻孔的数量[6]。炮眼数量确定的原则是在保证效果的前提下，尽可能减少。

3.1.5 炮眼利用率，钻爆最重要的参数就是炮眼利用率[7]。通常基于整个爆破断面的利用率对其加以定义和计算。试验表明，影响炮眼利用率的因素很多，包括单位炸药消耗量、炮眼数量、装药直径、系数和深度。炮眼最佳利用率为0.85～0.95。考虑到断面较大，炮眼利用率在0.8～0.9 之间，取0.85 进行计算。

3.2 爆破设计

隧道以风化片岩为主，围岩岩性整体稳定性较好，围岩级别以Ⅲ、IV、V 级为主。施工中，将根据实际情况及时合理地调整施工方法。对于小净距隧道，严格控制施工中的爆破效应，充分保护围岩，控制最大临界振动速度15cm/s。隧道净宽为10.25m，净高为5m，Ⅲ级围岩全断面爆破断面面积为106.26m2。在爆破参数中，相互影响的4 个参数是炮眼间距、炮眼密集系数、最小抵抗线和装药密度。

3.2.1 炮眼深度

炮眼深度受开挖面大小的影响。炮眼深度太深，周围的岩石有很大的夹持作用，因此，炮眼深度不应太深[8]。通常情况下，最大深度的取值为隧道截面宽高的0.5～0.7 倍，同时，应考虑围岩的每个开挖周期的开挖进尺。在现场施工时，采用YT-28 型风钻，配合φ42mm 钻头。同时为了降低岩石的夹持作用，深度均为3.0m（掏槽眼和底眼的深度取3.2m）。

3.2.2 光面爆破不耦合系数（D）及装药直径（d）

不耦合系数通过炮眼直径与装药直径之比计算得到。如公式（1）所示，在恰当的不耦合系数时，爆破后在炮眼壁上的作用力不大于围岩抗压强度。当岩石类型为软岩时，不耦合系数在2.0～2.5 范围内时，缓冲效果和光面爆破效果最好[9]。

式（1）中：D为不耦合系数；dk为炮眼直径，cm；di为装药直径，cm。

在施工时，不耦合系数取2.1，在2.0～2.5 的范围内。

3.2.3 周边眼间距（E）、最小抵抗线（V）和相对距系数（K）

最小抵抗线与岩性密切相关，也与开挖隧道段的尺寸及地质结构有关。硬质岩石的最小抵抗线可以更小，而软破碎岩石的最小抵抗线可以更大。考虑隧道岩石为石英片岩，最小抵抗线（V）在0.40～0.60。

周边眼间距与最小抵抗线的比值，如式（2）所示，是相对距系数，这是影响爆破效果的直接因素[10]。

式（2）中：E为周边眼间距，cm；V为最小抵抗线，cm。

相对距系数值总是小于1，当d=38～46mm，周边眼间距为30～50cm，最小抵抗线为40～60cm 时，相对距系数为0.5～0.8。

考虑到全爆破区岩石节理较为发育，周边眼间距取值范围为30～50cm，取45cm，最小抵抗线为60cm，相对距系数K=0.75。

3.2.4 装药量

光面爆破装药量的计算公式如式（3）所示[11]。

式（3）中：q为装药集中度，kg/m；Q为单位体积耗药量，g/m3；E为周边眼间距，m；V为最小抵抗线，m。

装药集中度取值范围为0.07～0.15kg/m，取0.15kg/m 计算。

3.2.5 炮眼数量

式（4）中：N为炮眼数量；q为单位炸药消耗量，kg/m3；S为开挖段面积，m2；η为装药系数，暂取0.7；γ为每米药卷的炸药质量，kg/m，取0.91。

计算得到N=（1.47×106.26）/（0.7×0.91）=246个。其中，周边眼、掏槽眼、辅助眼、辅助掏槽眼、底眼和非装药眼的数量分别为55、6、145、8、28 和4 个。

3.2.6 每一循环装药量计算及分配

式（5）中：q为单位炸药消耗量，取1.47kg/m3；V为爆落岩石总体积，m3。

计算得到Q=1.47×2.8×106.26=437.4kg

各类型的炮眼装药量计算结果如下：

采用η=0.73 计算炮眼数量，周边眼装药集中度0.15kg/m，装药系数为0.165。进而掏槽眼装药量取13 卷，辅助掏槽眼装药量取13.5 卷，周边眼装药量取2 卷，辅助眼装药量取12 卷，底眼装药量取13 卷。

3.2.7 装药结构和起爆方式

光爆采用不耦合方式装药。软岩的不耦合系数通常为2.0～2.5。在底部炮眼放置半标准药筒，以便减小底部炮眼的阻力，使得光面爆破层易于分离。施工时，应采用图1所示的装药结构。

图1 周边眼装药结构示意图

3.2.8 光面爆破的分区起爆顺序

起爆采用由内向外的多段微差起爆方法。在起爆过程中，主爆区的周边眼和辅助眼使用同一段非电毫秒雷管，跳眼2 段。

3.2.9 装药量分布及光面爆破参数

隧道断面面积为106.26m2，施工的开挖长度为2.8m。炸药单耗量取值为1.47kg/m3。复式楔形掏槽槽口尺寸取值为80cm×240cm。周边眼直径取值为φ42mm，使用φ32mm 药卷切半，装药不耦合系数取值为2.1。周边眼间距取值为45cm，最小抵抗线取值为40～60cm 单孔装药量取值为0.45kg。

3.2.10 爆破器材

（1）炸药

在通常情况下，用于隧道爆破的炸药，一般选用威力大、安全性高、有毒气体少的品种。施工中，通常采用岩石硝酸铵炸药；在遇水段，采用乳化炸药；在瓦斯段，则采用煤矿硝酸铵炸药。隧道用的炸药制成药卷使用，标准药卷规格为外径φ32mm，装药净重300g，长度240mm。

（2）雷管

配合非电导爆管起爆系统，选择使用导爆管（又称非电雷管），有既发和延期之分，由导爆管传递的爆轰波进行点火，由延期药实现延期。该工程选择1、3、5、7、9、11 段别雷管，引爆用电雷管。

3.2.11 起爆网络

导爆管起爆网络分为串联、并联、混合等多种连接方式。在隧道爆破中，由于隧道有开挖断面小、炮眼数量多、密集等诸多特点，主要采用集群连接方式。

3.2.12 炮眼布置

根据该隧道围岩情况及过往经验，炮眼布置采用弧形布孔，炮眼布置如图2所示。

图2 炮眼布置图

4 结语

针对我国在建隧道围岩复杂、承载力不均、施工难度大的现状，本文以某高速公路隧道工程为例，系统分析了工程的施工风险，梳理了爆破施工设计过程，论述了爆破施工设计中关键参数的计算依据、过程及其相互关系，提高了设计计算的准确度，保证了施工的进度和质量，为今后相关隧道施工爆破设计提供了指导和借鉴。