隧道掘进工程中的钻爆参数优化方法

吴国民

（中交四航局第五工程有限公司,福建 福州 350005）

0 引言

隧道爆破专业性强，科学控制各项钻爆参数能够在保证钻爆效果的同时减小不必要的围岩松动范围，保证隧道围岩及支护结构的稳定性，为隧道工程其他环节的施工打下坚实的基础[1]。钻爆参数的优化是隧道钻爆施工中的重点工作内容，需深入探讨优化策略，依托科学的钻爆参数安全地、有效地实施钻爆作业[2]。

1 工程概况

228 国道苍南龙沙至岱岭段工程主线，全长约26.8 km，沿线桥隧建设内容包含中小桥746 m/15 座、大桥1 915 m/6座，隧道10 029 m/8 座。开挖属于工程的重点施工内容，涉及爆破施工的开挖项目包含路堑开挖、隧道掘进开挖、桩板墙桩基开挖。一级公路60 km/h 标准的隧道总基本宽度10.5 m，一级公路80 km/h 标准的隧道总基本宽度11 m，行车道净高均为5.0 m。

2 隧道掘进工程中钻爆参数优化的重要性

根据工程施工计划，隧道爆破开挖后安排初期支护和二次衬砌的施工，不同爆破方式对初喷混凝土和衬砌施工的影响存在差异，为保证爆破后各项工作的有效进行，必须科学爆破。爆破存在明显超挖现象时，后期回填混凝土方量增加，材料浪费，且伴随质量可控性差、成本攀升等问题；若爆破时欠挖，将侵占衬砌断面，以风镐处理的方式应对欠挖状况时涉及的流程较为繁琐，不利于工程进度的正常推进[3]。因此，加强爆破管理具有重要性，需深入优化爆破参数，保证不耦合系数、布孔数量、单孔装药量、楔形掏槽角度各项爆破参数均具有合理性，结合科学的施工方法，安全且有效地完成隧道爆破作业，为衬砌施工创造良好的条件。

在项目实施过程中，针对隧道的特殊环境和地质条件，爆破参数的选择还需充分考虑周围环境及材料的因素。为保证初期支护和二次衬砌的质量，施工现场需严格按照相关标准和要求进行施工。同时，根据项目需求进行必要的爆破参数调整和优化，以确保爆破作业的安全和高效。在爆破作业中，初期支护和二次衬砌的施工往往受到爆破效果的直接影响。初期支护的质量直接关系到隧道的稳定性和安全性，而二次衬砌则是隧道结构的关键组成部分。因此，在进行爆破作业时，要充分考虑爆破效果对这些施工环节的影响，并采取相应的措施加以控制。此外，为了确保工程项目的顺利进行，还需要加强与爆破相关的质量监督和管理。在爆破施工过程中，要定期对现场进行巡查和检查，发现问题及时进行整改。同时，加强对爆破作业人员的培训和管理，增强其业务水平和安全意识，确保爆破作业的安全和稳定[4-5]。

3 隧道光面爆破的现场试验

3.1 现场试验的目的及项目

现场试验旨在确定不同光面爆破工艺参数的应用效果，例如爆破后围岩松动圈的范围、围岩的变形程度，结合安全、质量、效率多方面的要求对比分析各项参数，经可行性评估后，确定爆破效果最佳时对应的光爆工艺参数。

光面爆破试验检测的关键项目，如下：

（1）掌子面围岩的等级，具体涉及主要结构面产状与洞室轴向关系、岩石回弹强度、地下水及地应力状况等。

（2）周边眼、辅助眼的眼距。

（3）掌子面围岩拱顶下沉和松动的具体状况，检测时间安排在隧道爆破出渣后。

3.2 试验仪器的配套

根据试验目标适配合适的试验仪器：

（1）周边眼和辅助眼的间距：用钢卷尺量测。

（2）掌子面围岩地质特性：联合采用地质罗盘、地质锤、钢卷尺。

（3）岩石回弹强度：用回弹仪测试。

（4）掌子面围岩拱顶下沉量：用精密水准仪测量。

（5）围岩松动圈：用围岩松动测试仪检测，确定裂隙范围、围岩松动程度，并根据测量结果进行围岩定性评价。围岩松动测试仪主要根据超声波的传播特性进行，若被测围岩的裂隙较多，波速偏低（相对于深部完整无裂隙的岩体）。经过测试后确定在孔深方向上声波纵波速度，基于测试数据生成“时间—孔深”曲线，结合图中信息相对直观地确定围岩裂隙（松动）的范围。

经过测试，确定钻孔特定深度范围内的声波传播时间，基于此项数据进行计算，确定纵波波速。方法如下：

式中，v——纵波波速；l——换能器间距，取140 mm；S——测试时间（s）。

向待测部位钻孔，利用发射换能器向孔中发射超声波并使其发生传播，接收换能器收到超声波时计时电路随即暂停计时，确定声波的传播时间，进而根据此数据进行计算，确定纵波波速。为使收发两个换能器可互换使用，利用开槽塑料管连接发射换能器F 和接收换能器J。测管按10 cm 的间距依次设置刻度槽，螺纹连接。根据耦合声波传播的测试要求，利用台车高压水管向孔中注水，根据钻孔规格适配封孔器，实现对钻孔尾端的封堵处理。

3.3 测试方法

按照如下流程进行围岩松动圈测试：

（1）垂直岩壁钻孔，深度3~3.5 m，清理孔内的杂物，使孔保持相对干净的状态。

（2）连接金属管，向孔底送入探头，于孔口位置布置封孔器，确认封孔严密后加以固定。

（3）持续注水直至测杆尾端有不间断的流水为止（此时水达到注满的状态）。

（4）注水效果达到要求后，测试读数，向外抽动金属连接管，探头由于抽动作用向外移动。抽动分多次有序进行，单次抽动量控制在10 cm，试验检测人员及时采集测试深度和主机仪表时间读数，完整记录数据。

（5）根据试验数据进行围岩裂隙松动范围的判断，生成围岩松动圈测试结果。

3.4 钻爆现场试验结果

按照前述提及的方法测试围岩纵波波速和孔深的数据，基于测试数据生成曲线关系图。以ZK27+698 断面为例，试验结果如图1 所示。

图1 ZK27+698 断面围岩纵波波速孔深曲线图

4 隧道掘进钻爆施工参数的优化策略

4.1 参数优化控制指标

（1）根据《公路隧道设计规范》（JTGD70—2014）的要求，严格控制拱顶下沉量，以免由于此数值超过允许极限位移值而面临围岩失稳的风险。

（2）根据工程施工要求严格控制围岩松动圈深度，在保证爆破有效性的同时缩小松动范围，减少支护工程量和材料用量。

4.2 遗传—支持向量回归耦合算法

建立优化参数、岩石单轴抗压强度、围岩级别、埋深、拱顶下沉、周边眼装药集中度与爆破松动圈深度的非线性映射模型，其中优化参数涉及周边眼和辅助眼的间距、最小抵抗线。在构建模型后，为抗爆参数的优化提供参考。

4.3 钻爆参数控制优化

光面爆破效果受多项因素的影响，其中以炮眼间距尤为关键，不同炮眼间距带来的光面爆破效果存在差异。炮眼间距过大，易引起欠挖现象，不利于隧道工程后续施工活动的进行；炮眼间距过小，爆破产生的振动作用过于强烈，围岩的稳定性遭到威胁，松动区的范围随之扩大，伴随明显的围岩变形。因此，针对周边眼和辅助眼两者的炮眼间距进行优化极具必要性，具体做如下分析。

4.3.1 控制指标及其取值区间

以隧洞右洞断面YK25+479 为例，展开分析：

岩性为弱风化泥岩与砂岩互组；围岩级别为4，岩石单轴抗压强度35.5 MPa。根据《公路隧道设计规范》（JTGD70—2014）的相关要求，明确允许洞周围岩变形量，此处考虑的是拱顶下沉和水平收敛两方面，均为18~60 mm。在确定断面洞周围岩变形量的控制区间后，进一步选取合适的值，为保证隧道施工的安全性，要求断面拱顶下沉量不超过18 mm。不同种类岩石的断面爆破参数的取值，参见表1。

表1 光面爆破参数

4.3.2 钻爆参数的优化

经过前述的分析，针对光面爆破控制指标加以优化，确保爆破后围岩拱顶下沉和松动圈深度均得到有效控制。指标的控制分两种情况考虑，具体如下：

第1 种情况：

周边眼装药集中度为0.25，装药不耦合系数为1.6，爆破后拱顶下沉15 mm；松动圈深度分拱脚和拱腰两部分考虑，其中左、右拱脚处分别为1.5 mm、1.6 m，左、右拱腰处均为1.3 m。结合权重系数进行分析，确定综合松动圈深度为1.4 m，进一步考虑表1 给出的数据，确定周边眼的最小抵抗线、间距的优化搜索范围，分别为[60，75]、[45,60]，辅助眼间距的优化搜索范围为[60,90]；汇总经过分析确定的控制指标值和断面勘查信息，输入至最优SVR 模型，搜索后确定最优钻爆参数，参见表2。

表2 最优钻爆参数

第2 种情况：

周边眼装药集中度为0.25，装药不耦合系数为1.25，爆破后拱顶下沉10 mm；松动圈深度分拱脚和拱腰两部分考虑，其中左、右拱脚处分别为1.0 m、1.1 m，左、右拱腰处分别为1.1 m、1.0 m。结合权重系数进行分析，确定综合松动圈深度为1.05 m，搜索后确定最优钻爆参数，参见表3。

表3 最优钻爆参数

对松动圈深度进行调整，其中左、右拱脚处分别为1.3 m、1.4 m，左、右拱腰处分别为1.2 m、1.3 m，综合松动圈深度调整为1.29 m，除此之外的其他指标均不变。基于前述调整后的参数进行搜索，确定最优钻爆参数，参见表4。

表4 最优钻爆参数

在该工程的YK25+479 断面施工时，钻爆参数的优化基于表2 的poly 核函数SVR 模型进行，施工人员按照优化后的参数规范操作，进行钻爆施工。松动圈深度实测结果显示，左、右拱脚处分别为1.5 m、1.55 m，左、右拱腰处分别为1.45 m、1.4 m，稳定后拱顶下沉量14.63 mm。通过与隧道施工技术要求作对比分析可知，按照经过调整后的钻爆参数进行施工后取得良好的钻爆效果，爆破量达到要求，全程安全可靠，采取的钻爆参数具有可行性，钻爆参数的优化方法科学合理。

4.3.3 钻爆参数优化后的结果分析

结合表2 进行钻爆参数优化后的效果分析，发现poly 核函数SVR 模型具有可行性，原因在于此模型能够高精度地搜索到最优炮眼布置参数，从而提升钻爆参数的可行性，若严格按照优化后的参数进行施工，将取得良好的施工效果。在第2 种控制指标条件下，该模型依然具备搜索最优炮眼布置参数的能力，可行性较高，而反观RBF 核函数SVR 模型则能够得知其存在明显的误差。经过对控制指标的优化后，能够在一定程度上提升RBF 核函数SVR 模型的可行性，但相比于poly 核函数SVR 模型而言应用效果仍欠佳，缺乏足够的可行性。根据对比分析结果不难得知，poly 核函数SVR 模型属于最佳的模型，可将其用于钻爆施工参数的优化。

5 结语

综上所述，隧道在公路工程建设中占据较大的比重，随着我国交通事业的发展，隧道的建设规模逐步扩大，在安全的前提下进行高质量的建设势在必行。钻爆法是隧道工程中应用较为广泛的掘进方法，钻爆安全性和钻爆质量受到炮眼布置方式、装药结构、装药量等多项因素的影响，施工单位需要结合工程条件做好试验与分析，根据安全、质量、效率多方面要求优化钻爆参数，提升钻爆方案的可行性。经过该文关于隧道工程实例的分析，探讨了钻爆参数优化方法，评价钻爆参数优化后的应用效果。实践表明，优化后的钻爆参数科学可行，对隧道掘进施工有推动作用。