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钻爆法隧道光面爆破施工技术研究

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：张小海

[导读] 摘要：光面爆破是沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区爆破后起爆，以形成平整轮廓面的爆破施工技术。

        中铁隧道股份有限公司河南郑州 450000
        摘要：光面爆破是沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区爆破后起爆，以形成平整轮廓面的爆破施工技术。目前，光面爆破已经被广泛应用到各类隧道工程及路基高边坡开挖工程，本文主要针对隧道的光面爆破原理、爆破参数、施工要求、超欠挖原因分析和控制措施及岩爆区开挖技术要求等内容进行了分析和研究，对钻爆法隧道提高施工安全性、经济型、可靠性具有重要意义。
        关键词：光面爆破；爆破原理；爆破参数；超欠挖控制；岩爆
        0引言
        光面爆破是一种科学的控制周边轮廓并能维持围岩稳定的爆破方法，其适用范围很广，优越性很多，尤其是在隧道爆破中具有较明显的优点。在隧道开挖过程中，采用一般的爆破方法会使围岩受到一定程度的破坏，影响围岩稳定性，并产生严重的超欠挖。光面爆破是能控制爆破的作用范围并维持围岩稳定的一种施工技术，它通过调整周边眼的各爆破参数，使爆破先沿各孔的中心连线形成贯通的破裂缝，然后内围岩体裂解，并向临空面方向抛掷。这种爆破在围岩中产生的裂缝较少，使爆破后的岩石表面能按照设计轮廓线成型，表面平顺，超欠挖很少，为钻爆法隧道爆破施工提供了一定的参考价值和指导意义。
        1 光面爆破原理
        光面爆破是指在主炮孔起爆后，再起爆光面爆破炮孔，爆落光爆层，使开挖面保持平整光滑，围岩不受明显破坏的控制爆破技术。所谓主炮孔是指爆破主体石方的普通炮孔，光面孔是指沿设计开挖轮廓线布置的炮孔，光爆层是由光面孔爆落的那层岩石，如下图所示。

        图1 光面爆破示意图
        光面爆破的主炮孔首先起爆后，留下光爆层。光爆层的自由面为光面孔的爆破创造了条件：光面孔爆破时，在自由面方向的爆破阻力最小，爆破应力波在自由面形成反射拉伸作用，有利于光爆层的爆落；另一方面，由于光面爆破采用了定向断裂控制爆破各种措施，使保留一侧的岩体免受破坏，并形成平整的光面。
        ①空孔的应力集中原理。爆破时，装药孔附近的空孔起到应力集中作用，如下图所示，使裂隙只向距离较近的空孔发展。装药孔附近的空孔对裂隙起到了导向作用，并使其他方向上的裂隙受到抑制。

        空孔的导向作用
        ②相邻孔互为导向空孔使得爆轰气体的准静态作用形成应力加强区。当相邻炮孔同时起爆时，爆轰气体在各炮孔中均能较长时间地维持高压状态。在这种似静压作用下，炮孔连心线上各点都会产生应力叠加，径向压应力叠加的结果相互抵消，衍生的切向拉应力叠加的结果形成拉应力加强区，如下图所示。应力加强区的爆破裂隙容易生成。
        ③最小抵抗线方向的破碎原理。当炮孔间连线方向上的集中应力大于岩石的抗拉强度时，裂缝在该方向的炮孔壁上生成，并在爆轰气体的气楔作用下沿炮孔间连心线方向扩展、贯通。此时，炮孔内和孔间裂隙中充满了几乎等压的爆轰气体，共同向最小抵抗线方向（光爆层一侧）作用，形成类似于“悬臂梁”的加载方式，加之岩体的抗拉强度只有其抗压强度的1/10~1/15，从而导致最小抵抗线方向的光爆层岩体破裂与破碎。

        爆轰气体压力在炮孔周边形成拉应力叠加
        如果光爆层的厚度小于光面爆破炮孔的间距，就会使得相邻炮孔的定向断裂缝尚未形成时炮孔内的爆轰气体就沿着自由面方向泄漏，不仅造成相邻炮孔之间留下欠挖区（孔间未形成贯通裂缝），而且由于内圈炮孔与光面炮孔的距离很近，在应力集中作用下光爆孔在未起爆前就因内圈孔爆破作用形成了大量的破裂缝，当该光爆孔爆破时，由于爆轰气体的楔入作用导致已有裂缝沿着围岩深处扩展，造成围岩的破碎与破裂范围扩大，进而产生更大的超挖。
        2 光面爆破主要参数
        为了获得好的光面爆破效果，应处理好光面孔的最小抵抗线W（即光面层厚度）与孔距a的关系，该关系用炮孔密集系数m=a/W表示。
        m值的大小对爆破后岩壁的不平整度影响很大：若m过大，光面裂隙还来不及贯通，各孔就已向自由面方向形成爆破漏斗，而在孔间留下凹凸不平的破裂面。反之，若m太小，孔间裂隙过早形成，爆轰气体提前泄漏，使光面层的破碎效果恶化，产生大块，甚至不能爆落光面层，或孔间破坏严重而形成超挖。所以光面爆破的m值一般控制在0.6～0.8比较合适，其中，露天台阶爆破时取小值；地下工程中一般取大值。
        光面炮孔间距a光=（10～18D）
        式中：D──周边孔（光面孔）直径，常与主炮孔相同；一般取a光=40～70cm。
        炮孔密集系数：取m=0.5～0.8。
        光爆层厚度W=（15～20）或按下式计算：W=a/m
        径向不耦合装药系数：取K=1.25～2.0。
        光爆孔线装药密度：对于直径为40mm的炮孔，取q光=0.07～0.3（kg/m）。
        3 光面爆破的施工技术
        新奥法施工的特点是最大限度地利用岩体的自支撑能力来保持隧道围岩的稳定。因此，对隧道开挖爆破的要求就是：尽可能缩小爆破作用对围岩的扰动范围，在开挖周壁外侧围岩内尽可能不产生破裂缝，尤其是与原生或次生结构面不形成相互贯通的破裂面，以保持围岩的连续性和完整性。为此，需采用周边孔光面爆破技术，一般其爆破扰动范围在0.5m以内。
        ① 使用专门的光面爆破炸药卷：低爆速炸药（爆速约2500m/s）；小直径药卷（22~25mm直径）。
        ② 炸药卷在炮孔轴向的间隔应尽量均匀，避免装药集中度过大而产生炮孔内的局部强烈冲击作用导致周壁围岩的破裂。
        ③ 使用导爆索起爆技术，整个周边孔均用导爆索串联，使所有炮孔内的炸药卷在2~3ms时间内全部爆炸，强化光面爆破效果。
        ④ 加强炮孔堵塞，严禁采用多装炸药、不堵炮孔的方式进行施工作业。
        从静力学角度分析，在地应力条件和隧道断面形状与尺寸相同的条件下，隧道开挖后其围岩的应力重分布区域（开挖引起的应力扰动范围）是一定的（不考虑开挖方式影响，即是形成开挖空间的时间足够长）。但是，当采用爆破法开挖时，隧道的洞形是瞬间形成的，因此，严格地讲，地应力作用于隧道围岩的应力重分布应该属于动力作用（因开挖形成的围岩的应力集中应该是瞬间形成。但是由于开挖空腔的形成和应力集中的产生，引起围岩向自由边界变形，进一步导致应力集中程度增大。），这种围岩动力响应程度如何，是否会因此引起隧道周壁近区围岩的破裂或劣化，目前尚未见到相关的研究报道。从理论上分析，这种影响是存在的，但由于缺少实测数据支撑，目前的隧道设计中还难于考虑。
        4 隧道超欠挖控制
        4.1超、欠挖的后果
        超挖后果：增大初期支护的混凝土喷射量（相应的作业时间增加），初支拱架或格栅的受力状态改变，围岩的自由变形量增大，施工质量难以保证，施工成本和管理成本增大，工期延长。以1Km高速公路隧道（宽11m、高10m）为例，平均超挖0.1m，总超挖岩石量2800m3，喷射混凝土量增加约4500m3（含回弹量），直接成本增大约300万元以上。
        欠挖后果：增加改炮次数和工程量，增加循环作业时间，工期延长，增大施工成本和管理成本。
        4.2合理的施工超挖
        由于施工机具需占据一定的空间位置，即使设计给出的开挖边界是一个纵向平直的面，但实际施工形成的开挖面呈锯齿状，如下图所示。如果没有合理超挖，隧道的开挖断面就只能越来越小。

        图2 隧道施工的合理超挖范围示意图
        钻具的横向宽度、单循环进尺以及初期支护与掌子面的距离等因素决定了合理的施工超挖量，尤其是后者对超挖的影响很大，不仅影响超挖，而且影响欠挖。
        如果以0.1m为最大的合理超挖范围，则下图反映了初期支护与掌子面的距离对超挖的影响问题。

        图3 初支对超挖的影响示意图    图4炮孔位置内移减少超挖、
        增大欠挖示意图
        由此可知，在围岩稳固性允许的条件下，应尽量增大掌子面与初期支护之间的距离。当二者相距4~5m以上时，初期支护才不会影响超欠挖。因此，从爆破开挖施工角度看，不是初期支护紧跟掌子面才好，恰恰相反，只要围岩条件允许，初期支护不应紧跟掌子面。
        一般而言，对于IV级围岩，其稳固性中等（若考虑超前小导管的预加固作用，其稳固性更强），初期支护与掌子面间距是可以增大到3~4m，以减小初期支护对超欠挖的影响，关键是开挖周壁必须达到光面爆破效果，避免爆裂岩体使围岩松动而引起隧道周壁的局部塌落和片帮。
        如果围岩条件差，必须保持初期支护与掌子面紧跟的状态（如破碎但未加固处理的V级围岩），就不能盲目加大初期支护与掌子面的距离。这时，从设计角度，必须要求初期支护紧跟掌子面。当然，由此增大的超挖量（包括喷射混凝土量），设计应该给予确认，避免影响施工质量。
        当初期支护与掌子面之间的距离不影响超欠挖时，单循环进尺就是影响合理施工超挖量的主要因素（人工钻孔的机具宽度约0.3m，钻杆最长5m）。在高速公路隧道开挖爆破中（周壁边界长度24m），每延米平均超挖量估算值为：
        ① 单循环进尺1.0m：1.2m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.1m）
        ② 单循环进尺1.5m：1.2m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.1m）
        ③ 单循环进尺2.0m：1.2m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.1m）
        ④ 单循环进尺2.5m：1.8m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.15m）
        ⑤ 单循环进尺3.0m：2.7m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.225m）
        ⑥ 单循环进尺3.5m：3.6m3（与开挖边界相距：炮孔口为“0”，孔底为0.3m）
        由上述估算值可知，当人工钻爆法施工时，单循环进尺大于2.5m后，每延米的超挖量会随着进尺增大，且进尺越大，增大的绝对量越大。
        4.3超欠挖产生原因及其控制措施
        4.3.1超欠挖原因：
        ①炮孔外插角过大；②光爆层厚度不合理、周边炮孔间距过大；③装药集中度过大；④掌子面与初期支护之间的距离过小；⑤周边光面爆破炮孔的炸药爆速过大；⑥炮孔堵塞长度不够或堵塞质量差。
        4.3.2超欠挖控制措施：
        ①周边孔的钻孔位置与精度；②掌子面与初期支护之间的合理距离；③合理的周边孔间距与光爆层厚度；④炸药的选型（低爆速、小直径炸药卷）；⑤装药结构（轴向不耦合，采用导爆索起爆）；⑥堵塞质量控制。
        5、岩爆区隧道开挖爆破的技术要求
        岩爆是一种地压显现形式，即：冲击地压，也就是岩体内储存的弹性变形能在岩体向自由边界破裂时突然释放而引起岩石碎块的飞溅或突出。极易造成作业人员伤亡和施工设备的破坏，是岩爆隧道施工中必须重视的一个问题。
        岩爆形成条件：①围岩呈脆性破裂（内因）；②地应力相对较高（外因）；③形成开挖空洞，即在岩体内有自由边界存在（外因）。通常，开挖边界周壁的岩体环向压应力达到岩石单轴抗压强度的0.15～0.3倍时，就可能产生岩爆。岩爆的发生与否还同岩石的单轴抗拉强度与单轴抗压强度的比值有关，比值大的，不易岩爆。
        为了降低岩爆发生的可能或频数，从开挖爆破技术角度应注意之点：
        ① 在隧道开挖爆破应使开挖形成的隧道周壁尽可能的光滑平顺，避免人为地造成不必要的围岩应力集中。
        ② 在隧道开挖爆破的同时，又可以给岩体内储存的弹性变形能释放创造条件，如：在垂直于最大主应力方向形成具有一定宽度和深度的定向裂缝（深度一般可达1～2m以上），定向断裂控制爆破或预裂爆破。前者可用聚能装药结构实现，而后者比较费时、费工。

        图5 垂直或近似垂直于最大主应力方向的定向裂缝
        ③ 采用短进尺的快速开挖爆破，及时支护，改善围岩应力状态，使岩体内储存的弹性变形能没有释放的条件。这种方法适用于小断面的隧道或巷道的弱岩爆处理，对于大断面隧道而言，隧道开挖后形成的重分布应力水平较高，即使采用短进尺，岩爆的产生还是难于避免，隧道初支结构多是由于岩爆而破坏，再形成更深的岩爆（中等岩爆强度以上的情况）。
        6、结束语
        在施工中，严重的超欠挖现象会影响到隧道的施工成本及其长期安全稳定。影响超欠挖的因素主要有测量精度和放样精度、钻孔精度、爆破技术、地质条件、施工操作不当、施工管理等，然而光面爆破法掘进隧道的超欠挖现象有时又是难于避免的，这就要求我们找有效的控制技术方法，可通过实施“新奥法”技术、提高钻孔精度、加强施工管理、提高测量放线精度、合理采用爆破技术等措施将隧道工程的超欠挖现象控制在一个合理的水平，从而提高其经济效益和社会的综合效益。
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        作者简介：张小海，男，1985年生，2015年毕业于西安建筑科技大学土木工程专业，本科，工程师，从事工程施工技术管理工作。