特大断面公路隧道的光面爆破技术研究

韩东山　张梓松　龚海波

摘要：光面爆破是减少围岩超欠挖和破裂损伤的关键技术。以京沪高速济南连接线浆水泉特大断面隧道为工程背景，在总结分析原常规爆破方案存在的主要问题基础上，经过多次现场光面爆破试验与爆破参数优化，进而提出了一套适合于浆水泉隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩的光面爆破方案。应用结果表明：光面爆破技术可有效地控制围岩超欠挖及爆破损伤，将平均线性超挖量由原来的0.20～0.25m降低到0.07～0.12m，保证开挖轮廓的光滑平顺，有利于围岩稳定。

关键词：特大断面;隧道掘进;光面爆破;超欠挖;爆破损伤

前言

现今我国关于大断面隧道开挖的方法总结归纳起来主要有两种：第一种是近几年来从国外引进的TBM掘进机，TBM掘进机施工进度快，但在山岭隧道施工中，由于其成本高，且易受到地质条件的限制，有时具有很大的局限性;第二种就是钻爆法施工，钻爆法由于其灵活多变、适应较强、成本较低等特点在我国山岭隧道中得到了广泛的应用。本文以兰渝线关子岭隧道爆破开挖为例，对采用的两种不同爆破方案与开挖方案进行对比分析，为其他类似工程提供借鉴和参考。

1工程概况

浆水泉特长隧道是济南二环南路东延工程的控制性工程，采用分離式结构、双向八车道设计，左线全长3101m，右线全长3085.4m，净跨度16.7m，是目前全国最长的双向八车道山岭公路隧道，被称为“山东第一隧”。洞身穿越地层为上更新统粉质黏土，奥陶系和寒武系灰岩、白云质灰岩及生物碎屑灰岩，多属Ⅲ级、Ⅳ级围岩，局部区段Ⅴ级围岩，岩石单轴抗压强度60～100MPa。隧道周边200m范围内无建（构）筑物和地下管线。

2公路施工中的隧道光面爆破技术应用

2.1测量及钻眼中的应用

公路隧道施工中的关键环节是测量放样，该环节是爆破技术的基础性工作，需满足光面暴露的施工标准。测量放样时利用全站仪处理相关问题，保证隧道中心线与拱顶高程的准确性，放样测量工作所需标准隧道施工的轮廓线，利用特殊标记明确钻孔位置，保证钻孔布设满足技术要求，测量放样工作的开展能及时调整爆破参数，从而有利于提升光面爆破技术的应用效果。在钻眼布置时，针对公路隧道的施工标准进行分析，保证钻眼后的爆破工作有效开展，钻眼布置需注重方向与隧道地质垂直，槽眼深度大于普通钻孔20cm。硬岩施工时，眼口设置在轮廓线10cm以内的距离。

2.2清孔作业的应用

公路隧道施工时，针对挖掘面的不平衡现状，可利用光面爆破技术调整钻眼位置，保证钻眼深度的统一性，在同一平面下达到处理面平整的目标。钻眼施工需保证设备及地面处于垂直状态，控制钻眼直径及深度，满足设计标准。爆破转眼施工后，检测其深度，与公路隧道设计标准一致后，展开后续的爆破工作。钻眼施工后，需对钻眼进行清理，观察钻孔沉渣是否达到预定标准，若沉渣量较大需完成清孔作业。

2.3爆破施工的应用

根据设计图纸对钻眼进行分组后，自上而下装配炸药，避免雷管发生混淆。为防止不耦合系数对爆破参数产生影响，可利用小剂量的导爆索。炸药安装后根据钻眼位置确定泡泥，一般情况下，堵塞周围钻眼的长度应当在20cm及40cm。光面爆破施工技术为达到预期的标准，在各个钻眼爆破的同时，可利用分段并联法连接炸药，满足起爆标准。爆破施工中观察导爆索是否发生超前破坏。为保证炸药同时爆炸，也可采取高端延迟雷管进行爆破。

3隧道开挖方案数值分析对比研究

3.1隧道开挖的有限元理论

3.1.1有限元分析的步骤

有限元的分析步骤概括起来，可以分为以下几步：

（1）连续体的离散化。离散化即是将给定的连续体分割成等价的有限单元组合系统，在地下结构分析中，要模型化的岩土介质连续体的范围一般是不能明显确定的，可能要考察在水平和垂直方向上都是无限大或非常大的岩土底层介质。由于实践上的限制，通常引入考察并将其离散化的只是处理这种大连续体中与地下结构物相邻近的有意义的部分围岩;对应力波在地层中传播问题的有限元解析中，因为有复杂的边界效应，而建议人为地设置边界阻尼等处理方法;

（2）选择场变量模型（位移模式）;

（3）按变分法（或虚功原理）推导单元刚度矩阵，形成平衡方程;

（4）综合整个离散化连续体的代数方程式组：

[K]{δ}={R}并引入几何边界条件，在结构的边界处位移是给定的。并按此适当修改上述方程;

（5）解算结点场变量矢量（单元结点的未知位移）;

（6）由结点场变量幅度矢（结点位移）计算单元合量（单元的应变和应力）。

3.1.2模拟隧洞开挖的荷载释放法

隧洞开挖过程中，隧洞开挖面的空间几何效应在纵断面上表现为“半圆穹”约束，在横断面上则表现为“环形”约束，这两种约束方式的联合作用使得开挖面附近一定范围内的围岩体在无支护的情形下得以稳定。开挖面的环向约束效应在某种程度上受纵断面方向的“虚拟”支撑力影响，在横断面上使洞周围岩以及与支护结构共同构成的承载拱效应得以加强。随着开挖面的不断推进，开挖面的支撑效应会不断地减小，在二维平面中，利用洞壁径向位移释放系数来反映开挖面径向的“虚拟支撑力”的变化。

4结语

（1）隧道位移随时间演化的过程是一个受多方面因素影响的复杂过程，其影响因素与位移之间存在极其复杂的非线性关系。双曲函数不仅可以很好地拟和围岩开挖后的初期变形，还可预估围岩的最终变形量，且相关系数高。

（2）根据所选定的双曲函数由极限公式可得到最终总位移量和沉降量为4.608m、10.101m，实测值达到预测总量的80的时间分别为50d和45d，根据求导公式得出第50d的位移速率和第45d的沉降速率分别为0.02m/d、0.04m/d，由此可综合判断围岩在开挖45d后周边位移及拱顶沉降均已稳定，可进行二次衬砌施工。

（3）根据以上分析结果可以看出拱顶沉降量约为周边位移的2倍，拱顶沉降变化速度稳定，较周边位移快。

参考文献

[1]关宝树.隧道施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2021，86（3）：465-744