光面爆破技术在硬质围岩隧道中的应用

徐振红　盖英志

摘要：硬质围岩隧道的施工，关键工序是开挖，控制开挖质量的关键因素则是光面爆破。影响光面爆破效果的因素很多，本文对光面爆破的机理、影响光面爆破效果的主要因素进行了分析，并以连云港后云台山隧道为例，介绍了控制光面爆破实例和取得的效果。

关键词：隧道施工；坚硬岩石；光面爆破

一、工程概况

连云港东疏港高速公路是直通连云港市港区的第一条高速公路，起点为连徐高速公路NK15+460，径直向东北方向，设置四座互通并以路堑开挖方式过中云台山，先后穿过后云台山隧道和炮台顶隧道后进入港区。其中后云台山隧道总长3740m，为特长隧道，隧道结构型式为分离式双向六车道，最大开挖断面高11.44m，宽16.24m。后云台山为典型的‘单面山，围岩级别85%以上为Ⅱ～Ⅲ级，仅各个洞口存在约15%左右的Ⅳ～Ⅴ级围岩；岩体多为坚硬的浅粒岩和变粒岩，隧道穿越的岩层平均单轴饱和抗压强度约100Mpa；地层结构多为厚层结构，完整性较好，相对较差的地层存在含云母质的较软弱岩层和比较明显的擦面结构。

二、光面爆破的作用机理及影响因素

隧道成型技术的核心是光面爆破技术。由于钻爆法施工工艺特点决定了超挖是不可避免的，所以合理的超挖成为施工控制的关键，尽量使炮孔中心与开挖轮廓线重合、仰角按炮孔深度适当确定，这样才能达到光面爆破的效果。

光面爆破首先是选择爆破方案，其次是钻孔、爆破、组织管理、测量放线等。有统计资料显示，影响光面爆破效果的主要因素不是地质条件，而是钻孔技术，其次是爆破技术和施工组织管理，这三项影响光面爆破效果达到82%[ ]。

以下就以连云港后云台山隧道为例，分析影响光面爆破效果的各种因素。

（一）爆破方案的选择

本工程采用预切割（或预裂）爆破，周边眼按设计间距钻孔、装药。具体做法是：在设计间距内加密钻孔作为空孔，将开挖面与围岩切割；在破碎地层地段，同一炮孔内采用微差减震爆破技术，必要时采用短进尺钻孔，从总体上提高光面爆破的效果。

（二）钻孔技术

①、钻孔技术表现在插钻位置、外插角控制、钻杆左右向摆动的控制等几个方面。

钻头的正确位置应是隧道设计开挖轮廓线中心，偏外侧则超挖，偏内侧则欠挖。在三车道隧道最大跨度位置，开挖弧长约为18m。钻头位置如平均偏上5cm，则每延米超挖将近1m3。

②、外插角是由于凿岩机的外型尺寸所决定的，它是指向孔底的"设计位置"，该"设计位置"在隧道开挖底部端面弧线以外，位于弧线法线上的点。这个点既能使得超挖量最小，又可以为下一循环开挖提供较好的设置风钻的空间。在正常情况下，外插角在2°左右是可以满足工艺要求的，所以《公路隧道施工规范》中给出了允许超挖值：硬岩（Ⅰ级），拱部平均超挖10cm，最大20cm；中硬、软岩（Ⅱ~Ⅳ级），拱部平均超挖15cm，最大25cm；破碎松散岩石（Ⅴ~Ⅵ级），拱部平均超挖10cm，最大15cm。以开挖进尺3m为例，仰角每加大1°，则线超挖量约为5cm，每延米增加超挖量约为0.75m3。

钻杆在钻进过程中应按上图标识的准确位置进行，偏向外侧，会造成超挖；偏向内侧，则会欠挖，并对下一个循环的钻孔造成影响，严重时，还须"扒皮"[2]，以消除欠挖对支护的影响。

（三）爆破技术

爆破技术首先需要选择的是雷管和炸药，其次是装药方式和炮孔的封堵。

1、雷管

目前电雷管已经发展为瞬发电雷管、毫秒延期电雷管、秒延期电雷管、半秒延期电雷管四大系列，隧道爆破中最常用的是毫秒延期电雷管。在爆破设计中应注意，毫秒延期在50ms以内时，冲击波的迭加还是明显的。目前毫秒延期电雷管的1~7段位间隔时间在25~40ms之间，需隔段使用，避免冲击波和振动速度的迭加，以避免围岩过大扰动和保护初期支护。

2、炸药

隧道施工一般均采用硝铵类炸药。硝铵类炸药是以硝酸铵为主要成分，与其他物质机械混合而成的。硝酸铵是爆炸剂，可以作为单质炸药，但其敏感度不稳定，而且产生大量有毒气体。当掺入少量烈性炸药如硝化甘油、TNT和某些易燃物质如松脂、木炭、木屑或石蜡等之后，可充分改善其敏感度，增强其爆炸力，并且使用更安全。

连云港后云台山隧道爆破选择的就是2#岩石硝铵炸药，其特点是：爆炸力适中，使用安全度高，产生有害气体较少，成本较低。

3、装药

爆破效果与装药的均匀度有关，药卷直径越小，均匀度越高，施工中一般宜选取小直径药卷。有试验资料显示，不同的装药方式对爆破效果影响也较大，a详见下表：

连云港后云台山隧道实际施工情况显示，采用药卷直径为32mm、间隔装药方式，其光面爆破效果差于药卷直径20~25mm、连续装药方式。

4．炮眼需采用炮泥进行封堵，以减小爆破凌空面积，增加爆破效能。

4、 组织管理

组织管理的核心是充分认识开挖工程的重要性和科学性，并在此基础上提高施工人员的专业技术水平和实际操作能力。"感觉到了的东西我们不能立刻理解它，只有理解了的东西，才能更深刻地感觉它"。只有让现场一线操作人员真正掌握了施工中的关键影响因素，比如外插角的含义、各种炸药的成分及其特性，才能主动去落实技术措施。此外，还要从优质优酬方面给以物质奖励,鼓励工人提高施工水平，确保光面爆破施工的有力开展。

5、 测量放线

1.严格控制隧道中线及标高。在洞外控制测量成果的基础上，利用人行或车行横通道对左右洞进行中线和水平的闭合导线测量，确保测量精度。

2.采用先进仪器，比如利用激光投点，可直接划出开挖轮廓线。

3.周边眼距离和最小抵抗线，要按不同的石质，选取效果较好的参数。一般情况下，周边眼距离E，略小于最小抵抗线的距离V，其比例一般是E/V≈0.8。如果V值较大，则围岩会受到很大扰动，"残孔"[3]难以保留，有时还会出现小型塌方；如果V值太小，爆炸的冲击力能轻易将外层爆开，而相临周边眼之间会留下一道"鼓包"，从而形成了欠挖。

6、 地质变化

随着现代施工技术的发展，受地质条件的限制影响光面爆破效果这一因素相对较小。若缺少先进施工技术措施作为保障，受地质条件的影响也是非常大的。应对地质变化的技术措施，主要有以下两个方面：

1.通过观察、分析，预测控稳结构面的位置。

岩石的构造面是不规则的、成立体状分布在岩体中，在隧道开挖过程中，某条结构面会在某一部位率先被揭露，借助岩层的产状要素等，就可以推测关键部位遇到控稳结构面的里程（见下图）。比如当控稳结构面在隧道下部首先被揭露，则可通过岩层走向、倾向和倾角，推算该结构面在拱部出现的里程；当控稳结构面自拱部首先被揭露时，要特别注意，因为一个循环的进尺，为3m左右，即使是较严重的控稳结构面，也是刚刚进入开挖面，从横断面看，可能还没有进入最大跨度范围内，及时的发现和采取应对措施，将有效的降低塌方风险，保证施工质量。

超前地质雷达预报方法，目前尚停留在定性阶段，比较可靠的方法仍是钻取岩芯，通过

岩芯中显示的结构面，判定是否为控稳结构面，并依此确定控稳结构面到达隧道拱部断面的里程。

2.针对控稳结构面的具体情况，制定和实施恰当的技术措施。

当遇到结构擦面在拱部交会的情况时，首先缩小开挖进尺，一般以1m为宜；加长、加密超前锚杆；严格控制炸药装药量，尽量减少对围岩的扰动。

当遇到岩石破碎，且地下水较丰富时，要设置超前锚杆并注浆，同时缩小开挖进尺。

当控稳结构层较厚、松散并富含地下水时，以超前小导管注浆为主，宜采用双液浆，以便控制浆液的凝固时间和扩散半径。

7、 其他

按照现行《公路隧道施工技术规范》的规定，"当岩石完整、岩石抗压强度大于30Mpa，并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别突出部分（每1m2内不大于0.1m2）但其隆起量不得大于5cm"。据此，可在周边眼放线时，在设计轮廓线向内按4~5cm放线（见下图）。如此处理，约可将允许超挖再降低50%。

三、 光面爆破效果实例总结

连云港后云台山隧道经过几个月的施工，已完成开挖支护约2200m，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩已全部完成，现将Ⅳ、Ⅴ级围岩和部分Ⅲ级围岩的光面爆破情况作如下小结。

1、全断面开挖，一般进尺3~3.5m，掏槽采用8个斜孔，另加3个Φ100钻孔，形成临孔面；周边眼间距50cm，最小抵抗限75cm，单位布孔率约为1.2~1.3孔/m2，一般采用10段毫秒雷管，隔段位使用。

2、隧道石质为变粒岩，大部分地段的节理、裂隙为密闭型，岩体内孔隙较少。虽然抗压强度一般均大于60Mpa，但单位用药量不大，平均单位用药量约为0.7~0.8kg/m3。由于岩体密实度较大，爆破能量得到了充分发挥。

3、采用全站仪对初支表面进行检测，没有出现欠挖，最大超挖个别点达0.55m，各洞口、各种围岩级别的超挖数量详见下表。经过统计分析后发现：一是局部超挖比较大，按要求的位置开孔，按标准的2°外插角，超挖应为0.75m2，考虑各种误差，超挖应在1m2左右。但统计的超挖量已大出2倍多；二是围岩级别越高，超挖量反倒越大，Ⅳ级围岩超挖量是Ⅴ级围岩的115%，而Ⅲ级围岩超挖量是Ⅵ级围岩的136%。说明单凭岩石级别较高，不能肯定光面爆破效果就必然是好的；同时也从侧面反映出施工组织管理对光爆效果也能产生很大影响。

4、在检测的开挖断面内，发现了很多断面的超挖是比较理想的。如ZK6+685断面，超挖量为0.62m2（见以下照片），说明光面爆破的潜力还是很大的。

四、 结语

由于连云港后云台山隧道主要为浅粒岩和变粒岩，该岩为硬质岩，致密坚硬，抗压强度大，抗分化性能好，岩体完整性好，在使用风钻钻孔施工时，机械能耗较大，施工进度较慢。实践证明，当采用光面爆破施工时，能有效控制开挖断面，减少喷锚支护工程量，降低工程造价，对施工进度也能有所加快。

注释：

[1]引自：关宝树《隧道工程施工要点集》

[2]由于欠挖，在爆破后开挖轮廓线不能满足设计要求，需要再次爆破

[3]爆破后残存的炮眼，常用于测算炮眼残存率

参考文献：

[1]周爱国.隧道工程现场施工技术.北京：人民交通出版社，2004.

[2]关宝树.《隧道工程施工要点集》.北京：人民交通出版社，2003.

[3]张军，柯小华，李建华.浅埋大跨软弱地层老山隧道动态设计施工技术.江苏宁淮高速公路老山隧道环保型建设技术暨大跨径隧道建设技术学术研讨会论文集.人民交通出版社，2006.