锚碇隧道开挖爆破施工技术研究

张磊

（四川路桥华东建设有限责任公司，成都 610000）

1 引言

悬索桥具有跨度大、适应性强、节省材料等特点，在山区高速公路中常采用大跨度桥梁结构来跨越山沟及大河。锚碇结构是悬索桥中主要承受缆索拉力的结构。锚碇隧道对桥址区岩体要求高，施工工艺复杂，无法得到广泛运用，而钻眼爆破法具有适应性强、成本低、施工进度快等优点，在山岭隧道施工中运用得较为广泛。锚碇隧道爆破施工是一个反复作用的过程，使锚碇隧道围岩损伤不断增加，影响隧道围岩的稳定性，直接关系着悬索桥的运营安全及使用周期[1-4]。锚碇隧道常采用光面爆破施工，根据锚碇隧道设计断面的轮廓线布置光爆孔，确定光爆孔的装药系数和装药结构，形成平整、光滑的隧道周壁，减小爆破施工对围岩的扰动，有利于保证锚碇隧道围岩的稳定性。锚碇隧道采用光面爆破技术可有效控制超欠挖，以减少爆破施工对围岩的损伤，加快施工进度，节约施工成本，给建设单位带来巨大的经济效益和社会效益。

2 工程概况

雅安侧锚锭为隧道锚，分左右两侧，锚洞洞室整体为喇叭形，断面由洞口向洞内逐渐变大。根据结构受力特点，隧道锚可分为锚塞体、散索鞍支墩、锚室、锚洞4部分。左右洞隧道锚轴线总长度为159 m，其中，轴室轴线长度为74.8 m，锚塞体轴线长度为39.2 m，锚洞轴线长度为45 m。锚洞净断面为6.4 m（宽）×6.6 m（高），拱顶半径为3.2 m，底板反拱，半径为4.64 m；锚塞体后锚面断面尺寸为17.1 m（宽）×18.37 m（高），拱顶半径为8.55 m，地面反拱，半径为12.4 m。左右洞隧道锚间最小净距为9.3 m，隧道锚与泸定隧道最小净距为26.42 m，大于2倍的单洞隧道宽度。锚碇隧道围岩为闪长岩和蚀变二长花岗岩，岩体中存在节理裂隙，且受后期卸荷影响，前期构造产生的部分节理裂隙产生张裂缝。

3 锚碇隧道施工难点分析

1）由于锚碇隧道的结构特点及隧址区域复杂的工程地质条件，隧道单次开挖进尺小，循环爆破对围岩的扰动次数将不可避免地增加。

2）锚碇隧道的锚塞体位置处，中夹岩墙厚度小于2倍隧道跨度，为小净距段施工。同时，悬索桥锚碇隧道和泸定隧道的相对距离较小，为小净距隧道。锚碇隧道开挖爆破施工需要严格控制爆破振动强度才能避免对邻近隧洞和洞室的稳定性与安全性带来影响。

3）由于锚碇隧道特定的结构形式，在不断进行锚碇隧道的开挖爆破施工时，锚洞开挖断面逐渐增大，需不断对开挖爆破孔网参数进行调整，以适应设计断面尺寸。

4）随着锚碇隧道断面不断增大，为了破碎抛掷岩石，需加大炸药用量，其引起的振动越来越强烈，但随着锚碇隧道的不断掘进，中夹岩墙的厚度不断减小，中夹岩墙的振动控制越苛刻，如何控制振动强度与单循环进尺的总炸药量是本工程的重大难点。

4 锚碇隧道控制爆破方案

4.1 锚碇隧道控制爆破技术方案

1）控制锚碇隧道每一循环的开挖进尺可以有效控制爆破振动强度，单循环进尺直接关系着单次爆破开挖方量，影响着施工进尺。因此，确定合理的隧道上台阶单次爆破掘进进尺，可以达到控制爆破振动的要求，还可以提高施工效率。根据本工程地质条件和爆破振动控制标准，锚碇隧道上台阶单次爆破掘进进尺确定为1.8 m，并对施工过程中爆破振动强度进行监测，当振动强度远小于振动控制标准时，可以适当增加单次爆破掘进进尺。

2）锚碇隧道施工过程中，受开挖爆破自由面条件的限制，虽然掏槽孔单段起爆药量不是最大的，但在掘进和爆破的所有炮孔中，掏槽孔开挖爆破所受的夹制作用最大，因此，在锚碇隧道掘进爆破引起的振动强度中，掏槽孔最为强烈。为充分利用掌子面有限的自由面，减少掏槽孔的夹制作用，降低爆破振动强度，在进行锚碇隧道设计时，应尽量减小掏槽孔轴线与掌子面的夹角，锚碇隧道在单次掘进爆破进尺为1.8 m时，掏槽角选取为50°~65°，随着隧道开挖宽度不断增加（8~17.7 m），掏槽角越来越小，掏槽爆破的振动明显减弱。

3）锚碇隧道掘进爆破的炮孔数量较多，为了控制爆破振动强度，必须采用毫秒微差延迟起爆技术控制隧道掘进爆破单次起爆药量。因此，为了减少各段炮孔引起的地震波相互叠加，每段炮孔之间或同类炮孔中不同圈层炮孔之间的起爆时差应控制在50 ms以上。同时，对实时监测的监测结果进行判读和分析，确保各段爆破的振动速度不形成50%以上的叠加，作为起爆延时时间的依据。

4）为了减弱开挖爆破对锚洞围岩的扰动破坏，同时，使爆破开挖形成平整的轮廓线，并有效地控制隧道的超挖和欠挖，隧道开挖边界上的周边孔采用光面爆破。根据锚碇隧道围岩情况，光面爆破的炮孔间距选为40~50 cm，现场钻孔时根据实际情况对炮孔间距进行调整，周边孔采用的线装药密度不小于0.2~0.3 kg/m。周边孔采用光面爆破药卷，炸药爆速最好控制在约2 200 m/s，药卷直径控制在20~25 mm，并且采用径轴向不耦合装药结构，减弱光面炸药起爆引起的应力波对孔壁围岩的冲击，避免在隧道周壁产生粉碎圈，缩小爆破对围岩的扰动范围。

4.2 锚碇隧道控制爆破设计

锚碇隧道钻眼爆破的炮孔直径为40 mm。

4.2.1 锚碇隧道爆破参数设计

1）单循环爆破进尺。根据锚碇隧道区域的地质条件、隧道施工进度、小净距隧道及邻近隧道的振动控制要求，锚碇隧道单次掘进爆破施工进尺为1.8 m，考虑到隧道爆破炮孔利用率为0.9，故本次爆破方案炮孔深度设计为2 m。

2）炸药单耗。依据锚碇隧道的开挖断面尺寸、隧道围岩强度及岩石的完整度，并结合相关工程开挖爆破经验，爆破施工采用2#岩石乳化炸药，本工程开挖爆破设计采用的炸药单耗为q=1.0~1.2 kg/m3。

3）单次开挖爆破的炸药量。每次开挖爆破所需要的炸药量根据锚碇隧道断面尺寸、隧道单次开挖爆破进尺和岩石炸药单耗确定。由于锚碇隧道每次开挖的断面尺寸都不相同，故每次爆破所需要的炸药量各不相同，每次根据爆破的振动及岩石爆破破碎效果对单次爆破所使用的炸药量进行调整。单次开挖爆破所需的炸药量计算式如下：

式中，q为炸药单耗，kg/m3；s为隧道掘进断面面积，m2；L为掌子面上炮孔的平均深度，m；η为炮孔利用率，一般在0.85~0.95，设计按照0.90计算。得到前锚室段单循环爆破的炸药耗量为Q=43~58 kg。

4）炮孔堵塞长度。炮孔堵塞长度一般可根据炮孔直径确定：

式中，l堵为堵塞长度，m；d为炮孔直径，m。经计算，对于光面爆破孔的堵塞长度应不小于0.4 m，其他炮孔的堵塞长度为0.8~1.0 m（掏槽孔可取小值）。

4.2.2 锚碇隧道爆破施工设计

1）炮孔设计。锚碇隧道上台阶开挖爆破中掏槽孔和辅助掏槽孔均按矩形布置设计，炮孔深度均为2.2 m，掏槽孔的排距为0.5 m，孔口距为2.6 m，并根据隧道开挖宽度做相应调整，掏槽孔与掌子面夹角约为61°；辅助掏槽孔排距为0.65 m，孔口距为3.2 m，同时，按隧道开挖宽度做出相应调整。隧道开挖掘进孔按半圆弧形布置，炮孔深度为2 m，各圈掘进孔的孔距约为1.0~1.2 m，排距为0.9~1.0 m。周边光面爆破孔沿着锚碇隧道开挖轮廓线进行布置，炮孔设置1°~2°的外插角，为下一循环爆破留有钻孔作业空间，还能有效控制超欠挖。上述设计参数是根据隧道断面尺寸为标准断面B时进行设计的，施工时掘进炮孔的位置允许在5~10 cm范围内，其余的调整间距则不能大于5 cm。标准断面B上台阶掘进爆破炮孔布置剖面及装药结构图如图1所示。

图1 标准断面B上台阶掘进爆破炮孔布置剖面及装药结构图（单位：cm）

2）装药结构。锚碇隧道掏槽孔、辅助掏槽孔和掘进孔设计采用2#岩石乳化炸药，药卷直径为32 mm，长度为200 mm；周边孔采用光面爆破专用炸药，药卷直径为25 mm，长度为200 mm。除周边光面爆破孔，其他炮孔均采用连续装药结构，周边光面炮孔采用间隔装药结构。掏槽孔设计装药量为7卷；辅助掏槽孔设计装药量为6卷；掘进孔设计装药量均为5卷；光爆孔装药量为3卷。为使爆破效果提高，所有炮孔均采用反向起爆方法引爆孔内炸药，即在炮孔底部放置起爆药卷。周边光面爆破孔全部采用导爆索，使周边光面爆破孔同时起爆，以获得更好的光面爆破效果。周边光面爆破孔装药结构如图2所示。

图2 周边光面爆破孔装药结构

3）起爆网路。锚碇隧道开挖爆破采用毫秒延时微差爆破，起爆顺序为：掏槽孔、辅助掏槽孔、掘进孔、周边孔。各段炮孔起爆间隔时间为50 ms，周边光面孔与最后一圈掘进孔的起爆时间差应大于100 ms，以保证光面爆破效果。

5 锚碇隧道爆破振动分析

标准断面A掏槽孔爆破开挖引起中隔墙的振速峰值为11.87 cm/s，标准断面B掏槽孔爆破开挖引起中隔墙的振速峰值为9.12 cm/s。根据相关研究表明，锚碇隧道不同区段开挖爆破的振动控制标准为：锚碇隧道上段振动速度阈值为20 m/s，锚碇隧道中段振动速度阈值为15 m/s，锚碇隧道下段振动速度阈值为11 m/s。这2个断面的爆破振动峰值均小于锚碇隧道不同区段开挖爆破的振动控制标准。因此，该爆破设计可以确保锚碇隧道掘进爆破施工安全，并能有效加快施工进度。

6 结语

1）由于锚碇隧道自身结构的特殊性，在隧道掘进爆破过程中需要根据不同的断面形式采用合理的爆破设计方案。

2）随着锚碇隧道开挖深度不断增大，隧道间间距也不断减小，属于小净距隧道；而锚碇隧道邻近存在既有的二郎山隧道，故掘进爆破施工时需要考虑爆破振动对邻近结构的影响。

3）锚碇隧道掘进爆破中，掏槽孔爆破引起的爆破振速最大，在对中隔墙振动速度进行监测时，主要监测上台阶开挖爆破施工。