穿越脉状破碎断层隧道光面爆破技术研究

刘敦文，江树林，唐 宇，蔡才武，姜 冰

(1.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083；2.中交路桥华南工程有限公司，广东 中山528400)

随着近年中国基础设施建设的大力发展，隧道建设项目规模也随之增大。据统计，截止2018年末，我国共建成铁路隧道15 117座，总长16 331 km；等级公路隧道17 738座，总长约17 236 km[1]。以上数据表明，我国已成为当之无愧的隧道大国，特别是随着“十三五”发展规划的深入推进，我国基础设施建设将朝着“补齐短板”前进，会加大对中西部地区基建投资规模。因此，未来将会有大量的隧道工程在范围大、海拔高、地质条件复杂的中西部地区进行，这给山岭隧道的施工带来了新的机遇和挑战。

山岭隧道的修建是一项艰巨的任务，钻爆法具有施工灵活、适用范围广的优点，但是如果爆破施工中爆破参数不合理，将不可避免的导致隧道出现超挖、欠挖以及严重的围岩损伤等不利情况。为了避免上述问题，上世纪50年代，瑞典人Hagthorpe[2]发明了光面爆破技术。自此人们一直开展着与其相关的研究。刘殿书等[3-4]指出，光面爆破中相邻光爆孔之间岩石裂隙的形成贯通是应力波叠加、爆生高压气体准静压力共同作用的结果。凌伟明[5]通过建立光面爆破断裂力学模型，分析得出光爆孔爆炸冲击波冲击孔壁后衰减而成的应力波首先使岩石产生径向裂隙，而随后相邻光爆孔之间岩石的断裂则主要是爆生气体准静态压力作用的结果。Yamamoto等[6]利用电子雷管研究了光面爆破中雷管延时精度对超欠挖、围岩损伤和开挖轮廓面平整度的影响。宗琦等[7]研究了光面爆破技术中常用的空气间隔不耦合装药结构中轴向不耦合系数的计算方法，并以在寒武系片麻岩段实施光面爆破为例进行了实例计算，爆后现场显示光爆效果良好。Zhao Zhiye等[8]基于非连续变形分析方法，利用显式有限元程序LS-DYNA、DDA分别模拟爆炸荷载、岩体动力响应，研究了爆破荷载作用下，不同延时时间和不同岩体性质对岩石破碎的影响。彭刚健[9]提出了基于不考虑损伤和考虑损伤的背景下光面爆破参数确定的两种理论计算方法。王家来等[10]结合经验与理论，分析了光面爆破中受到应变波损伤后的岩体断裂过程中裂隙发育扩展全过程。张继春[11]从断裂力学的角度出发，在考虑岩体尺寸效应的条件下，研究了光面爆破中节理岩体在爆生压力作用下的破裂机制，推导出了岩体沿节理面破坏的损伤发展方程。付玉华等[12]将原岩应力和岩体损伤的影响考虑在内，提出了一套基于岩体损伤背景下计算深部岩体巷道光面爆破参数的方法。郭尧等[13]通过开展隧道现场试验与数值模拟，指出光面爆破对围岩造成的损伤明显小于预裂爆破。顾义磊等[14]提出一项以孔痕率、超欠挖量、围岩损伤为核心指标的隧道光爆质量验收标准。Sumia[15]选用几种传爆性能好的导爆索，在钢管、小方形工作面进行微爆破试验，模拟研究了光面爆破中导爆索类型与光爆孔损伤、围岩损伤之间的联系。上述研究表明，目前各国对光面爆破的研究主要围绕光面爆破的机理、围岩损伤条件下光爆参数的设计、光爆效果的评价标准等方向，缺乏对同时存在天然节理裂隙发育与破碎断层地质条件下的山岭隧道光面爆破技术的研究。

因此，本文以贵州玉石高速公路工程某山岭隧道为研究对象，结合爆破理论、施工工艺和现场地质条件，研究了穿越破碎断层、节理裂隙发育的复杂工程地质条件下的山岭隧道光面爆破施工技术，通过对孔网参数、装药结构的优化，提出了一套适用于节理裂隙发育的山岭隧道的光爆方案。在基建不断向中西部延伸的背景下，其研究结果将对类似地质条件下工程项目的实施具有实际参考价值。

1 工程概况

玉石高速公路项目某隧道工程右线进口段位于贵州省铜仁市石阡县境内，该地区属于溶蚀峰丛低山地貌构造。根据区域资料及物探解译，隧道穿越多条断层破碎带，断层F2影响宽度约80 m，向斜大致呈南北向发育，区域上该向斜被红石断裂切截。

根据掌子面所揭露的围岩情况和雷达图像解析结果，并结合地质资料，发现隧道右线进口段掌子面前方围岩为中风化灰岩，围岩等级主要为Ⅲ级围岩；该段探地雷达反射信号整体以中频反射信号为主，局部振幅反射较强，同向轴连续性一般，结合掌子面素描，围岩属硬岩，稍破碎，节理裂隙发育，岩体结构稳定性一般，地下水不发育，初步判断在掌子面前方从左向右有一条脉状破碎带断层发育，厚度约为3 m。该隧道右线进口段全面采用光面爆破法全断面一次爆破成型。

2 光面爆破方案设计

2.1 设计原则

针对该隧道右线进口段地质条件、开挖断面、开挖方法、围岩工程特征，以安全、优质、经济、高效作为掘进施工要求，遵循以下原则进行光面爆破设计：①减少隧道岩体超欠挖量，避免增加不必要的工程量；②控制隧道轮廓面平整，减少应力集中，保持围岩的稳定性；③提高炸药利用率，减少炸药用量，避免盲炮现象的出现；④减轻对围岩的破坏损伤，光爆孔附近围岩不应有明显的炮振裂隙；⑤孔痕率≥80%；⑥尽可能提高掘进速度，缩短工期。

2.2 爆破器材

采用2号乳化炸药，φ32 mm×20 cm规格药卷，单卷200 g，起爆系统采用导爆管传爆，以集束为主的混合连接引爆网路。

起爆网路采用孔内延时的方式，选用1～15段非电毫秒雷管。周边孔使用同段毫秒雷管加导爆索引爆，保证周边孔同时起爆尽快形成孔间应力集中区拉断岩石。施工过程还应根据围岩特征差异以及爆破效果不断调整爆破参数，以保证开挖轮廓面平整光滑。

2.3 爆破参数优化

周边孔的爆破参数是决定能否取得良好光爆效果的关键因素，在最终确定光爆参数前，首先通过总结分析类似光爆施工经验筛选爆破参数的经验范围，再在隧道洞外进行多次单孔爆破漏斗、三孔爆破成缝试验，根据现场试验的效果修正爆破参数，再结合隧道右线进口段工程地质状况，最终确定合适的光爆参数。

基于以上试验，本隧道右线进口段全断面循环进尺设计为3.5 m，炮孔平均深度H=3.7 m，炮孔直径d=40 mm。周边孔参数设计依据经验计算：

1)周边孔抵抗线W，在围岩裂隙发育的情况下，可以适当偏大，从而减少炸药的用量。周边孔抵抗线W=(10～20)d，周边孔间距E=(0.6～0.8)W。

2)周边孔密集系数K=E/W，需要注意，K值过大或过小均达不到良好的光面爆破效果[16]，K值大于1会导致发生偏斗爆破，K值小于0.6会造成围岩超挖，本工程取K=0.71。

3)周边孔装药集中度一般为ρ=0.2～0.5 kg/m，本设计取ρ=0.3 kg/m。综上，周边孔光爆参数如表1所示。

表1 周边孔爆破参数

2.4 装药结构与填塞

周边孔采用空气间隔不耦合装药，使用胶带捆绑药卷至竹片上填入炮孔。间隔装药相关参数如图1所示。

图1 间隔装药

由图1可知，根据施工工艺与实际工程地质条件综合考虑，装药间隔取55 cm。为降低周边孔因沟槽效应以及其他原因引起盲炮现象的发生，使用传爆速度更快、传爆效果更好的导爆索引爆孔内药卷。炮口使用预先拌制的柔性炮泥填塞，填塞长度取35 cm。其他炮孔均采连续装药，以掏槽孔为例，装药结构如图2所示。

图2 连续装药

由图2可知，连续装药采用导爆索引爆药卷，以保证抛岩效果。所有炮孔孔口均使用预先拌制好的柔性炮泥填塞，填塞长度40 cm。

2.5 炮孔数目及装药量计算

1)周边孔炮孔数N1：

(1)

式中：B为隧道掘进宽度；a为周边孔间距m；BL为隧道掘进周长，BL按式(2)近似计算

(2)

式中：S为隧道掘进断面面积；c为断面形状系数，拱形隧道c=3.86。

2)周边孔炮孔装药量。周边孔装药集中度ρ为0.3 kg/m，周边孔装药量q1=N1Hρ。

3)掏槽孔、辅助孔和底孔总数目N2。可通过将爆破所需要的总装药量减去周边孔装药量，再除以单孔平均装药量来计算[16]。

(3)

式中：Q为按定额确定一个掘进循环所需的总装药量，Q=qSHη，其中q为岩石炸药单耗;H为周边孔平均深度;η为炮孔利用率。

4)掏槽孔、辅助孔和底孔平均装药量计算

(4)

式中：Q0为除周边孔外每个炮孔内的平均装药量，kg；γ为除周边孔外其余炮孔的装药系数，取γ=0.6；QL为每个药卷的重量，kg；L0为每个药卷的长度，m。

根据上述公式得出炮孔数目后，再结合类似工程经验，依据实际施工情况，选定内圈孔间距75 cm、掘进孔间距从里向外依次为100、80 cm，底板孔间距60 cm、掏槽孔间距90 cm、辅助孔间距110 cm。根据孔间距推出掏槽孔、辅助孔和底孔各自的数目，掏槽孔适当增加装药，底孔适当减少装药，最终得出Ⅲ级围岩段各孔装药量(见表2)。

表2 Ⅲ级围岩各孔装药量

综上所述，可得到Ⅲ级围岩全断面爆破炮孔布置起爆顺序如图3～图4所示。

注：1，3，5，7，9，11，13为毫秒雷管段别。

图4 掌子面掏槽孔布置

根据光爆设计参数点精准标记布孔，任用经验丰富的钻孔工按照布孔标记进行钻孔作业，保证炮孔的质量达到准、平、直、齐，保证炮孔孔底落在设计图所规定的平面上。炮孔间距允许偏差范围：掏槽孔≤2 cm，周边孔与内圈孔≤3 cm，周边孔孔底与轮廓线间距误差≤5 m，周边孔外插角≤3°，底板孔方向与隧道坡率应保持一致。钻孔工作结束后，按照炮孔布置图对所有炮孔依次进行检查，不符标准的炮孔必须补钻，经检查合格后方可装药爆破。

3 光面爆破效果分析

爆破施工严格依据爆破设计方案执行，隧道穿越破碎带区域取得了较好的效果。其中拱顶爆破效果如图5所示。

图5 隧道拱顶光爆效果

由上图可知，爆破后隧道开挖轮廓面清晰平整，拱顶周边孔残孔痕迹明显，破碎带断层处围岩稳定，不存在危岩。测量数据表明轮廓面围岩未出现明显的超欠挖现象，不平整度小于8 cm，符合光面爆破质量标准。此外，边墙同样取得较好的光爆效果(见图6)。

图6 隧道边墙光爆效果

由图6可知，隧道边墙爆破效果良好，围岩未出现炮振裂隙，周边孔残孔痕迹明显，经测量确认周边孔实际孔网参数与爆破设计方案基本保持一致。周边孔孔痕率、炮孔利用率均达到90%以上。

综上可知，此光面爆破方案在穿越破碎带断层的山岭隧道里的实施取得了良好的光爆效果。

4 结论

1)周边孔的光爆参数设计是最终能否取得良好光爆效果的关键，必须根据实际围岩工程地质特征调整周边孔的间距、抵抗线、线装药密度等。

2)对于抛岩对象是存在破碎带断层、裂隙发育的围岩，周边孔的间距应该适当减小，以便周边孔之间尽快地形成贯穿裂隙，第一时间剥离光爆层，以减轻爆炸荷载对裂隙发育围岩的破坏。而周边孔最小抵抗线可以适当增大，从而减少炸药总用量。

3)在节理发育的围岩中，炸药宜选用低猛度、传爆性能好的乳化炸药。以减轻爆破对围岩造成的损伤，控制周边孔装药量产生的应力足以拉断岩石而不能压碎岩石，爆破方案设计中应根据围岩力学性质，结合周边孔装药结构、孔距、最小抵抗线等参数确定周边孔的合理装药量。

4)必须保证周边孔同时起爆。根据有关试验证明，周边孔的起爆时差不能大于0.1 s，否则就等同于单个炮孔爆破，这样会减缓光爆裂缝的形成时间，加重围岩损伤。使用同段毫秒雷管与传爆速度更快、传爆效果更好的导爆索引爆孔内药卷可以实现周边孔同时起爆。