公路隧道差异化爆破施工与损伤控制研究

李 勇

(中铁十八局集团第二工程有限公司，唐山 064000)

随着我国隧道建设进程不断加快，公路隧道总量和建设规模持续增大，现阶段钻爆法因其技术效果显著且经济性高，仍是公路隧道掘进过程中普遍采用的工法之一。国内典型工程如秦岭终南山隧道工程和新疆天山胜利隧道工程等均采用钻爆法施工工艺[1-3]。钻爆法施工过程中，当隧道开挖地质条件复杂时，若按照统一的爆破方案而未充分考虑到相关区域岩性、水文等地质条件的变化，可能会导致隧道施工效率降低甚至发生安全事故。如在襄渝二线新蜀河隧道施工中，由于未考虑不同岩层岩性差异及软弱破碎岩层的流变性，隧道掘进过程中围岩变形过大，发生塌方事故。针对隧道钻爆法施工，国内外学者也开展了具体研究，韩国首尔国立大学Jong等[4]研究了地质条件对隧道爆破装药量的影响，分析发现岩性和岩层结构特征是爆破装药量等参数设计和调整的重要依据；Deng等[5]研究了薄基岩顶板隧道爆破掘进过程中围岩振动及损伤特征，并对隧道爆破影响范围进行了预估，强调爆破负面效应对隧道开挖的显著影响；李启月等[6]采用预留光爆层水压爆破方法，一定程度上改善了爆破效果，但由于该方法需要预留光爆层，存在工序转换频繁且复杂的缺陷，技术交底若不到位极易产生安全隐患；张继春等[7]以浆水泉隧道实际工程为背景，对爆破方案进行改进并解决了爆破掘进中的超欠挖问题，但由于方案中要使用小直径低爆速的专用药卷，限制了改进后方案推广应用的范围；李建旺等[8]以延崇高速玉渡山隧道工程为背景，采用交互式建模软件构建了复杂的地质隧道模型，而建模过程中某些处理过于理想化，导致模拟结果不能完全应用于工程实践；袁红所等[9]为了降低爆破施工对鹧鸪山隧道围岩体的扰动，根据该隧道地层特征并结合实际经验，提出了适合于隧道Ⅴ级围岩条件的控制爆破方案，但由于实验段岩性单一，对软弱岩体掘进并未进行深入探讨；刘锦东等[10]通过对隧道爆破方案和减振技术等进行研究，确定了科学有效的隧道爆破参数，并综合运用水压爆破和微差爆破等方法有效控制爆破次生灾害，保障隧道施工安全，然而并未对复杂地质条件下爆破效果进行应用验证。虽然近年来隧道钻爆法施工的工艺技术取得了长足进步，但由于隧道所处的地层岩性千差万别，目前依旧未有普适性的爆破方案，复杂隧道爆破施工仍面临众多挑战。

以福建省三明市境内莆炎高速公路YA18标段隧道工程为依托，针对原有爆破方案存在的超欠挖严重、光爆效果差和爆破振动强烈等一系列难题，研究针对不同岩层岩性的差异化掘进方案，结合工程实际特点和三明地区盛产毛竹的区域优势，确定合理的爆破孔网参数并降低施工成本，实现理想的爆破成型效果，减小围岩扰动范围，将爆破振动控制在合理范围内，实现精准高效且绿色安全的公路隧道施工效果。

1 工程概况

莆炎高速公路YA18标段线路总长为6.062 km，其中3座隧道总长2 657.5 m，该段地质条件复杂、富水破碎带多、隧道施工风险较高，具体表现为：①隧道穿越粉质黏土、不同风化砂岩及夹泥质砂岩，围岩地质条件差且洞身位于地下水位线以下，侧壁和洞顶稳定性较差，施工时因围岩的强烈扰动极易产生坍塌。②隧道Ⅴ级围岩开挖宽度达17.2 m(3车道)，且左右线间距约为40 m。大断面隧道施工工程量大、工序时间长，围岩裸露时间随之增加，降低了围岩的自承能力和掌子面施工安全性，施工难度增大。③隧道洞口浅埋段位于沟谷处，自然坡度陡。上述条件增加了隧道施工难度，相关文献和工程实践表明：通过爆破参数的调整和优化，可有效降低爆破对围岩体的扰动，将超欠挖量控制在合理范围内，从而提升断面轮廓开挖的平整度。

2 具体爆破方案与现场实施

由于隧道所处地段地质条件复杂、岩性变化大，施工时通过试爆和参数调整确定了差异化爆破施工方法，具体为：由于Ⅲ级围岩整体性较好，完整性系数为0.70～0.79，主要为中风化或弱风化层，结构面有渗水，因此为了降低对围岩体的扰动，Ⅲ级围岩地段采用台阶法施工。Ⅳ级围岩节理裂隙局部发育，主要为中等风化砂岩夹泥质砂岩，完整性系数为0.51～0.59，岩体较破碎，因此Ⅳ级围岩浅埋岩质较完整段或断层影响带以及Ⅳ级围岩深埋地段采用环形留核心土法施工。Ⅴ级围岩洞口段主要为全、强风化层，围岩稳定性很差，开挖时洞顶易坍塌，洞身段主要为中等或强风化夹泥质砂岩，岩体呈厚层夹中层状，节理、裂隙显著发育，岩体完整性较差，拱顶易出现掉块现象，地下水丰富，因此Ⅴ级围岩洞口浅埋或断层破碎带、Ⅳ级围岩紧急停车带地段采用中隔壁法施工。

2.1 Ⅲ级围岩开挖方案

隧道Ⅲ级围岩掘进采用光面爆破，三台阶法开挖施工。选用2#岩石乳化炸药，气腿式风钻打眼，炮孔孔径为42 mm，单循环进尺为2 m。

在隧道爆破掘进过程中，掏槽孔爆破是最为关键的技术，直接影响隧道开挖速度，开挖进尺与掏槽孔的深度关系密切。掏槽孔爆破具有岩石夹制力大、炸药单耗高的特点，施作二级楔形掏槽是较为有效的减振措施[11-13]。从减小振动强度的角度出发，对于完整度较好的Ⅲ级围岩掏槽孔采取二级楔形掏槽形式，倾角分别为68°和70°，超深为200 mm，装药段为炮孔长度的80%，第一楔长度为1.30 m，单孔装药量qt1为1.0 kg；第二楔为2.35 m，单孔装药量qt2为1.9 kg。复式楔形掏槽布置如图1所示。

图1 复式楔形掏槽布置(单位：mm)

决定隧道掘进质量的关键在于周边孔，周边孔(底孔除外)采用光面爆破时孔距取0.5 m，孔深为2.0 m，光爆层厚度取0.7 m，孔距小于光爆层厚度，便于形成沿炮孔连线方向的贯通裂纹。由于隧道岩体节理裂隙发育，不宜形成裂缝，线装药密度取0.2 kg/m3，则单孔药量qz为0.4 kg。

辅助孔间距通常为0.6～1.0 m，排间距为0.5～0.9 m，施工中应视岩石硬度进行调整，岩石完整且硬度大时取小值，反之则取大值。现场试爆确定辅助孔间距a为0.9 m，排间距b为0.8 m，孔深为2.0 m，装药段长度为孔深的50%～60%，装药量qf为1.0 kg/孔。底眼孔间距为0.7 m，孔深为2.0 m，单孔装药量qd为1.2 kg。三台阶法爆破参数(Ⅲ级围岩)如表1所示。

表1 三台阶法爆破参数(Ⅲ级围岩)

2.2 Ⅳ级围岩开挖方案

Ⅳ级围岩浅埋段岩质较完整或处于断层影响带，对其采用环形开挖留核心土法开挖施工，循环进尺为1.0 m，采用楔形掏槽孔，倾角为65°，超深为200 mm，装药段长度为炮眼的80%，装药量qt为1.0 kg/孔。楔形掏槽布置如图2所示。

图2 楔形掏槽布置(单位：mm)

周边孔(底孔除外)采用预裂爆破，孔深为1.0 m，孔间距为0.5 m，预裂层厚度为0.7 m。预裂炮孔线装药密度为0.1～0.2 kg/m3效果最佳，综合考虑确定qz为0.2 kg/m。

辅助孔间距通常为0.6～1.0 m，排距为0.5～0.9 m，为使炮孔分布相对均匀，应根据隧道尺寸对孔间距进行调整并按照规范要求使孔间距误差≤100 mm。试爆确定孔间距a为0.9 m，排距b为0.8 m，孔深为1.0 m，装药量为0.5 kg/孔，根据隧道实际取底眼装药量为0.6 kg/孔。环形开挖留核心土法爆破参数(Ⅳ级围岩)如表2所示。

表2 环形开挖留核心土法爆破参数(Ⅳ级围岩)

2.3 Ⅴ级围岩开挖方案

Ⅴ级围岩深埋地层、围岩洞口浅埋或处于断层破碎带，采用中隔壁法爆破施工工艺。对隧道拱墙部位进行预裂爆破，循环进尺为1.0 m。爆破参数(间距、孔深和单孔装药量)同Ⅳ级围岩爆破方案，但由于开挖方式不同，总装药量、炮孔数以及炸药单耗有所不同。中隔壁法爆破参数(Ⅴ级围岩)如表3所示。

表3 中隔壁法爆破参数(Ⅴ级围岩)

不同岩石类型开挖钻孔布置如图3所示。

3 爆破网络布置及效果对比分析

3.1 爆破网络布置

施工装填炸药时充分利用三明地区盛产毛竹这一地域优势以降低施工成本，将药卷间隔布置在预先加工好的毛竹条上并全长敷设导爆索，孔底药量适当增加避免产生根底，隧道内无瓦斯涌出，为提高爆破效果采用反向起爆。炮孔均采用不耦合装药和孔内延期，并确保导爆管雷管有足够的连接长度，同时确保炸药装填到位并进行有效堵塞。炮孔装药结构如图4所示。

3.2 不同围岩超欠挖及损伤控制效果

公路隧道掘进中如何做好超欠挖现象的合理控制是现阶段亟待解决的难题[14-16]，超欠挖现象的影响因素众多，而测量精度是其中重要的影响因素之一。因此在实际操作过程中，须通过拱部和墙部激光指向仪做好精确测量。严格按照设计要求进行炮孔钻凿，爆破后应测量超欠挖形态，及时反馈并调整设计方案。

为便于统计，采用激光断面仪选取隧道拱顶、左侧腰部和右侧腰部这3个部位作为测点，分别对32次常规爆破和差异化爆破方案下各局部断面的平均超挖量进行统计，不同围岩超欠挖量统计如表4 所示。

表4 不同围岩超欠挖量统计

由表4可知，岩石强度越高，在周边装药合理的条件下爆破效果越明显。差异化爆破方案对超欠挖现象起到了很好的控制作用。其中，Ⅲ级围岩爆破后半眼痕明显，轮廓面平整，成型质量好，半眼痕率90%以上，通过激光断面仪检测超欠挖情况时发现平均超挖量不超过60 mm；Ⅳ级和Ⅴ级围岩由于预裂爆破先于其他炮孔起爆，初始扰动大，加之南方雨季隧道涌水量增加等因素，开挖后局部有少许片落，但平均超挖量控制在100 mm以内，总体爆破效果满足设计要求。

隧道监控量测结果显示： Ⅴ级围岩中隔壁法开挖爆破当天拱顶沉降为-7.0 mm；Ⅳ级围岩拱顶沉降为-5.5 mm；Ⅲ级围岩拱顶沉降为-4.0 mm，均小于1.0 cm限值，差异化爆破施工效果优良，满足工程要求。

3.3 爆破振动效应分析

为了科学评估隧道爆破产生的振动效应，采用TC-4850型测振仪对不同岩石类型条件下的爆破振动进行监测。为防止爆破飞石对测振仪的破坏，同时考虑到隧道周边零星民房均位于隧道开挖掌子面50 m范围以外，因此在距离隧道开挖掌子面15 m处布设监测点，可反映该区域范围内结构体的振动响应情况。测点布置选择在岩性稳定的区域，传感器通过膨胀螺钉固定在隧道拱腰部位，并用石膏粉充填接触不贴合处，设置仪器为外触发模式，触发阈值为0.5 cm/s。测点布置时将三向振动传感器的X向指向隧道开挖轴线方向，Y向指向与X向垂直的水平方向，Z向指向隧道拱顶方向[17-18]。从监测到的三向振速对比可以看出，沿隧道轴线方向的水平X向振速峰值较其余两向振速峰值大，原因在于隧道爆破自由面单一，岩石夹制作用显著，爆破飞石的运动方向与X向相同，隧道已开挖区域形成的空洞效应也对X向的振速有一定贡献。因此，这里选取X向振速进行分析，不同围岩条件下差异化爆破产生的振动波形时程曲线如图5所示。图5(a)中Ⅲ级围岩条件下第一台阶爆破振动波峰值为7.13 cm/s，波谷值为-4.24 cm/s，主频值为90 Hz；图5(b)中Ⅳ级围岩条件下第一部分波峰值为4.87 cm/s，波谷值为-5.47 cm/s，主频值为71.01 Hz；图5(c)中Ⅴ级围岩条件下第一部分产生的波峰值为3.78 cm/s，波谷值为-2.27 cm/s，主频值为102.5 Hz。现阶段爆破振速和振动主频仍是体现爆破振动效应较为权威的评价标准[19-20]。依据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中对交通隧道爆破规定：当主频f≤10 Hz时，允许振速峰值范围为10～12 cm/s；当10 Hz<主频f≤50 Hz时，允许振速峰值范围为12～15 cm/s；当主频f>50 Hz时，允许振速峰值范围为15～20 cm/s。3种岩性开挖工况下产生的三向振速峰值均在安全范围内，保障了周边建(构)物安全，爆破振动信号监测为后续爆破方案及参数的调整提供理论依据，同时为隧道周边建(构)筑物振动响应提供科学的评价手段。

(a) Ⅲ级围岩(台阶法)

(a) 光面或预裂孔

(a) Ⅲ级围岩

4 结论

通过莆炎高速公路隧道YA18标段钻爆法施工实践，得到以下结论。

(1) 隧道岩性不同，应采取不同的爆破方案。莆炎隧道在复杂地质条件下，Ⅲ级围岩采用台阶法开挖，Ⅳ级围岩采用留核心土法开挖，Ⅴ级围岩采用中隔壁法开挖，差异化爆破方案对岩性变化适应性强，现场应用效果显著。

(2) 总体爆破效果较好，超欠挖现象控制到位，围岩变形较小。隧道差异化爆破效果会因岩性较好而有所提升，隧道开挖后周边轮廓平整度也会提高。Ⅳ级和Ⅴ级围岩周边采用预裂爆破，由于先于其他炮孔起爆，周边孔起爆自由面单一，眼痕率有一定程度降低。同时，借助三明地区盛产毛竹的区域优势，降低了施工成本，具有显著经济效益。

(3) 振速监测表明与隧道轴线方向接近平行或一致的X向振速最大，这与自由面的数量、爆破飞石的运动方向等有密切关系，后续施工过程中应重点加强对水平X向振动的监测和控制。

(4) 隧道施工中针对具体地质条件，通过提升测量精度、制定科学合理的爆破方案以及加强现场施工管理等措施可有效减少隧道超欠挖现象，达到精准高效且绿色安全的施工目的。