摘要：大寨隧道地質條件復雜，斷層破碎帶多，圍巖變化頻繁，本文以實際應用為基礎，介紹了隧道斷層破碎帶的光面爆破技術和應用效果，有效的超前支護、合理的爆破參數、裝藥結構和起爆順序等保證了施工安全，同時隧道的爆破成型得到了很好的效果。
關鍵詞：隧道;光面爆破;圍巖;應用。
Abstract: The the Dazhai tunnel geological conditions, complex fault fracture zone more than the frequent changes in surrounding rock, to the practical application, based on Tunnel in Fault smooth blasting techniques and the application effect of the advance support blastingparameters, charge structure and the initiation order to ensure construction safety, while tunnel blasting forming the very good results.
Keywords: tunnel; smooth blasting; surrounding rock; application.
中圖分類號：U45獻標識碼 A 文章編號：
0 引言
目前在隧道施工現場，大部分隧道施工過程中，炮眼布置較少，單眼裝藥量過大，爆破參數分析調整不及時，在隧道施工中要求弱爆破的，實際是爆破不弱。導致隧道成型差、超欠挖嚴重，Ⅳ級圍巖情況下經常出現不同程度的塌方，嚴重影響隧道施工進度和施工安全，也影響后續工序的施工質量。因此，隧道開挖作為隧道施工的關鍵工序，隧道爆破不僅影響隧道施工成本也影響隧道以后運營的安全性，給施工單位造成一種長期的成本和信譽風險。為此，根據大寨隧道爆破施工的情況，進行分析總結，為隧道爆破技術改進提供一些實際性的案例。
1 工程概況
新建貴陽至廣州鐵路位于貴州黔南州三都縣境內，大寨隧道全長8969m，隧道設輔助導坑斜井2座。隧道正洞斷面為三心圓，凈空為13.32m×8.68m。
大寨隧道穿越地層較差，正洞洞身Ⅲ級圍巖占52.24%，Ⅳ級圍巖占34.12%，Ⅴ級圍巖占13.65%。整個隧道共通過14條斷層，斷層破碎帶長度達670m。根據中鐵西南科學研究院超前預報資料，大寨隧道一號斜井內正洞掌子面DK151+015～DK151+115范圍內處于斷層破碎帶內，主要以炭質板巖夾頁巖為主，局部可見少量泥質灰巖，夾方解石脈，多處存在明顯反射界面，圍巖自穩能力總體較差，圍巖級別為Ⅳ級偏弱。
根據施工條件和設計要求，該隧道采用礦山法進行開挖，其中Ⅳ級圍巖采用上下臺階法開挖技術。為了有效的控制開挖輪廓線，減少超欠挖，減少對圍巖破碎帶的擾動，Ⅳ級圍巖開挖爆破采用光面弱爆破設計。本文針對Ⅳ級圍巖開挖中的光面爆破設計、實施、改進進行分析，為類似工程的施工提供借鑒。
2 設備資源配置
本隧道Ⅳ級圍巖段上臺階面積75.66m2,采用自制式臺架開挖,配置15臺YT-28氣腿式鑿巖鉆機，3臺排氣量為22m3/min的空壓機，取供風的損耗系數為1.3，計算可得供風量滿足開挖要求。
3 光面爆破參數確定
3.1 不耦合系數
不耦合系數K是炮孔直徑d和藥卷直徑do之比。本隧道鉆孔中采用鉆徑為42mm鉆機，孔徑約45mm。所有炮眼均采用規格為φ32mm×200mm的2#巖石乳化炸藥。即有：K=d/do=45/32=1.4，介于1.25和2之間，符合進行光面爆破時獲得良好效果的必要條件。
3.2 周邊眼間距
周邊眼間距適當縮小，可以控制爆破輪廓，減少超欠挖，又不致過大地增加鉆眼工作量。孔間距的大小與巖石性質、炸藥種類、炮眼直徑有關，按經驗值，一般為E=(8～18)d=40～70cm，E為孔距，d為炮眼直徑。取E=50cm。
3.3 最小抵抗線
為了保證孔間貫通裂縫優先形成，須使周邊眼的最小抵抗線大于炮眼間距，通常取E/W=0.8為宜，即W=50/0.8≈63cm。
3.4 線性裝藥密度
為了控制裂隙的發育以保持新壁面的完整穩固，在保證沿炮孔聯心線破裂的前提下，應盡可能少裝藥，針對大寨隧道Ⅳ級圍巖破碎帶，對其進行了兩周時間調查調整，最適宜平均線性裝藥量為0.41kg/m，周邊眼裝藥集中度為0.17kg/m。
3.5 單位炸藥消耗量
單位炸藥耗藥量的大小對爆破效果、鑿巖和出碴工程量、炮眼利用率、隧道輪廓的平整度和圍巖的穩定性都有較大的影響。其值偏低時，則可能使隧道斷面達不打設計要求，巖石破碎不均勻，甚至崩落不下來;其值偏高時，不僅會增加炸藥的用量，而且可能造成隧道超挖、降低圍巖的穩定性，甚至還會損壞支架和設備。本設計中單位炸藥消耗量為0.64kg/m3。
3.6 裝藥結構
裝藥結構是指繼爆藥藥卷和起爆藥藥卷在炮眼中的布置形式。考慮到圍巖的強度和完整性，以及藥卷的大小，本設計中周邊眼采用間隔裝藥形式，如圖1所示：
3.7 其它經濟指標
炮眼深度3.6m、預計進尺3.5m、炮眼利用率97%、炮痕率80%、鉆眼量1.63個/m2。
4 光面爆破設計
4.1 掏槽眼的布置
掏槽眼的作用是將開挖面上某一部位的巖石掏出一個槽，以形成新的臨空面，為其余炮眼的爆破創造有利條件。掏槽炮眼一般要比其他的眼深10～20cm，以保證爆破后開挖深度一致。掏槽本身只有一個臨空面，且受周圍巖石的夾制作用，故常采用較大炸藥單耗量和較大的裝藥系數值，以增大破粉碎區，并利用爆炸沖擊波及爆炸產物做功，將巖石拋出槽口。為了保證掏槽炮能有效地將石渣拋出槽口，采用孔底反向連續裝藥和雙雷管起爆。
4.2 輔助眼的布置
輔助眼的作用是進一步擴大掏槽體積和增大爆破量，并為周邊眼創造有利的爆破條件。其布置主要是解決炮眼間距E和最小抵抗距W問題，一般取E/W=60%～80%為宜。輔助眼應由內向外，逐層布置，逐層起爆，逐步接近開挖斷面輪廓形狀。
4.3 周邊眼的布置
周邊眼的作用是爆破后使隧道斷面達到設計的形狀和規格。周邊眼原則上沿著設計輪廓均勻布置，間距和最小抵抗線應比輔助眼小，以便爆出較為平順的輪廓。周邊眼眼口一般沿設計輪廓線布置。眼底應根據巖石的抗爆破性來確定其位置，應將炮眼方向以3%～5%的斜率外插。這一方面是為了控制超欠挖，另一方面是為了便于下次鉆眼時容易落鉆開眼。此外，為了保證開挖面平整，輔助眼及周邊眼的深度應使其眼底落在同一垂直面上，必要時應根據實際情況調整炮眼深度。
4.4 底板眼的布置
為了爆破后隧道底面達到一定的平整度，以便出渣車平穩運行，開挖臺車就位，保證后續工作的開展。因此，在開挖仰拱時，底板眼間距、裝藥量和裝藥結構是否合理，才能有效控制超欠挖和平整度。
4.5 光面爆破設計圖
按照圍巖情況，綜合以上分析和隧道斷面、開挖臺架等實際情況，對該隧道進行爆破優化設計，其炮眼的布置和掏槽眼的布置如圖2和圖3所示：
4.6 光爆參數表
表1 大寨隧道Ⅳ級圍巖爆破裝藥參數表
|
編號 |
炮眼
名稱 |
炮眼直徑(mm) |
炮眼深度(m) |
炮眼長度(m) |
炮眼間距(cm) |
炮眼抵抗線(cm) |
單眼裝藥量(kg) |
炮眼數量(個) |
雷管段號 |
總炸藥量(kg) |
各種炮眼總長度(m) |
|
1 |
周邊眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
50 |
63 |
0.6 |
43 |
13 |
25.80 |
154.80 |
|
2 |
內圈眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
79 |
80 |
1.2 |
24 |
9、11 |
27.65 |
86.40 |
|
3 |
掘進槽側 |
45 |
3.7 |
3.96 |
90 |
90 |
1.8 |
4 |
5 |
7.21 |
15.84 |
|
4 |
掘進槽下 |
45 |
3.7 |
3.75 |
100 |
100 |
1.8 |
7 |
7 |
12.61 |
26.25 |
|
5 |
掏槽眼外 |
45 |
3.7 |
4.17 |
90 |
95 |
2.5 |
8 |
3 |
19.68 |
33.36 |
|
6 |
掏槽眼內 |
45 |
3.7 |
4.52 |
50 |
60 |
2.8 |
12 |
1 |
33.63 |
54.24 |
|
7 |
輔助眼 |
45 |
3.7 |
3.77 |
100 |
100 |
1.7 |
6 |
5、9 |
10.18 |
22.62 |
|
8 |
二臺眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
95 |
90 |
1.4 |
4 |
5、9 |
5.76 |
14.40 |
|
9 |
底板眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
99 |
60 |
1.8 |
15 |
15 |
27.00 |
54.00 |
|
合計 |
|
|
|
|
|
|
123 |
|
169.52 |
461.91 |
注：表中數值為大寨隧道Ⅳ級圍巖上半斷面設計參數，設計斷面為75.66m2，進尺為3.5m。
5 變形量控制
預留變形量的大小主要取決于圍巖本身的工程性質，但受工程條件如隧道斷面大、開挖方法、掘進方式、支護方法等因素的影響。變形量的大小可以根據實際量測數據分析確定，并進行調整。Ⅳ級圍巖預留變形量可取5～10cm。
測量放線時，應根據斷面量測數據、圍巖級別、圍巖破碎程度等實際情況及時調整開挖輪廓線半徑，以便有效地控制規整度和超欠挖。
6 光面爆破取得的成效
大寨隧道光面爆破設計經過兩周時間的實踐和改進，取得了顯著的效果，各種評比指標明顯得到改善。具體見表2：
表2 爆破設計實施前后技術指標對照表
|
序號 |
技術指標 |
實施前 |
實施后 |
|
1 |
炮痕率（%） |
60% |
84% |
|
2 |
炮眼利用率（%） |
87% |
97% |
|
3 |
平均線性超挖量（cm） |
11.4 |
4.5 |
|
4 |
最大線性超挖量（cm） |
26.8 |
11.6 |
|
5 |
兩茬炮銜接臺階最大尺寸（cm） |
25 |
8 |
注：表中數值為爆破設計實施前后兩周內調查數值的平均值。
7 施工總結
7.1 超前支護
在實施過程中，在開挖前提前進行了掌子面圍巖情況觀察分析，對圍巖破碎或節理發育位置先進行超前支護和預加固處理。并對該部位炮眼位置和數量進行調整，裝藥量進行優化，成型效果明顯。超前支護有效的提高了隧道圍巖的穩定性，一定程度上防止了隧道破碎帶的小塌方和掉塊，為光面爆破提供了的穩定安全環境。
7.2 優化開挖臺架
開挖臺架的設計對掌子面布眼起著決定性的作用，合理的開挖臺架不僅滿足開挖布眼要求，同時要有足夠的操作空間(尤其在拱腰處)，在一定程度上縮短作業時間，提高生產效率。在允許條件下盡量縮短左右兩排掏槽眼間距，以減少掏槽眼裝藥量、縮短拋渣距離。
7.3 適當加密周邊眼間距，合理確定光面爆破層厚度
隧道施工過程中，同一個斷面圍巖性質和完整性相同，幾乎出現的可能性較小。因此，在隧道打眼前必須認真觀察掌子面情況，對爆破后可能出現成型差、超挖的部位，應適當加密周邊眼間距，可以有效控制爆破成型和超欠挖，其光爆效果在斷層破碎帶尤為顯著;合理的光爆層厚度既要能保證內圈眼爆破后為周邊眼提供臨空面，同時也要在一定程度上減少因光爆層厚度過小而對周邊圍巖圍巖的擾動性。另外，適當增加孔底的藥量，以便克服眼底巖石的夾制作用和上覆石渣的壓制，起到翻渣作用，提高了炮眼利用率。
7.4 合理用藥及合理的裝藥結構
用于光面爆破的炸藥，既要求有較高的破巖應力能，又要消除或減輕爆破對圍巖的擾動。周邊眼間隔裝藥既能避免因裝藥集中而產生的局部超欠挖，同時也減小了周邊眼裝藥集中度，在一定程度上減少了炸藥用量。
7.5 光爆孔起爆時差的控制
有關資料表明，在軟巖中爆破，振動頻率比較低，一般在100Hz以下，振動持續時間縱向比橫向大時，可達到200ms左右，垂直向可達到100ms左右。為避免振動強度的疊加作用，雷管必須跳段使用。另外，由于周邊眼的個數多，同時起爆振動強烈，對周邊圍巖的擾動大，所以建議周邊眼采用13段和15段兩個段別分區域起爆。
參考文獻：
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