层状片岩隧道爆破方案优化设计

缑智强 牛庆伟 郑烨晨 付庭茂

摘  要：钻爆法是岩质隧道的主要开挖方法，爆破开挖引起的超挖问题是工程中亟待解决的难点。本文以中兰客专某层状片岩隧道为研究对象，在考虑了层状片岩的结构特性的基础上，基于光面爆破设计理论，对三台阶爆破开挖方案进行优化设计。该方案中上台阶爆破形成作业面，中、下台阶采用低药量爆破结合凿岩台车破碎岩体方式。现场工程实践应用表明，该方案能节约爆破材料，降低对隧道围岩破坏，爆面形状良好，显著降低了超挖量。研究成果对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：层状片岩   高速铁路隧道   爆破   优化设计

中图分类号：U459.2                          文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0016-04

Influence of Rock Dip Angle on Deformation Characteristics of Schist Tunnel

GOU Zhiqiang  NIU Qingwei  ZHENG Yechen  FU Tingmao

（The Third Engineering Co.，LTD of China Railway Seventh Group， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China）

Abstract：Drilling and blasting method is the main excavation method of rock tunnel. The over excavation problem caused by blasting excavation is a difficult problem to be solved in engineering. Taking a layered schist tunnel of Zhonglan Passenger Dedicated Line as the research object， based on the structural characteristics of layered schist and the Smooth Blasting Design theory， the three-step blasting excavation scheme is optimized. In this scheme， the upper bench blasting forms the working face， and the middle and lower bench adopt the method of low charge blasting combined with rock drilling jumbo to break the rock mass. The field engineering application shows that the scheme can save blasting materials， reduce the damage to the surrounding rock of the tunnel， have a good shape of the blasting surface， and significantly reduce the amount of overbreak. The research results have certain reference value for similar projects.

Key Words： Layered schist; High-speed railway tunnel; Blast; Optimal design

钻爆法具有地质条件适应性强、开挖成本低等特点，是岩质地层中山岭隧道施工的主要手段。在隧道爆破开挖中，超欠挖尤其是超挖现象普遍存在。超欠挖造成围岩应力局部集中，增加工程成本，是钻爆法施工中的重要难题[1]。刘海波[2]介绍了聚能水压光面爆破技术在成兰铁路金瓶岩隧道施工中的应用;刘墩文[3]依托某山岭隧道穿越破碎带断层工程，研究了周边孔爆破参数、装药结构、起爆方式等关键参数;郝广伟[4]依托蟠龙山隧道工程，进行了水平层状岩体中不同循环进尺的掘进爆破试验，对隧道超挖值及围岩成型效果进行对比分析;周涵等[5]提出隧道掌子面短导洞掏槽爆破技术，并结合掌子面爆破参数及炮眼布设的优化设计，实现小断面矿山隧道全断面一次爆破成孔的光面爆破效果;张万志[6]通过现场炮孔图像采集及分类、深度学习方法，进行隧道炮孔的自动化识别与位置定位，实现了光面爆破参数的智能优化。

本文以中（卫）兰（州）客专某片岩隧道工程为依托，根据现场围岩条件及爆破施工情况，基于光面爆破设计理论，在考虑了层状片岩的结构特性的基础上，对三台阶爆破开挖方案进行优化设计，并结合现场工程实践，对爆破优化方案进行评价。研究结果可为類似工程爆破施工提供参考。

1  工程概况

中（卫）兰（州）客专为银（川）兰（州）高速铁路的重要组成部分，依托隧道工程位于甘肃省白银市皋兰县内，隧道全长4578m，为双线铁路隧道，马蹄形断面，设计时速为250km/h，开挖断面面积约150m2，最大埋深约206m。隧道洞身段穿越前寒武系皋兰群片岩，呈鳞片状变晶结构，片理构造，节理较发育，岩体呈现中—薄层状结构，开挖后岩层易剥落掉块，为IV～V级围岩。研究区段位于DK203+695～DK203+740，隧道围岩级别为IV级，采用三台阶光面爆破法开挖。原爆破方案借鉴已有工程经验设计，且考虑现场片岩较硬，上台阶加大炸药量为200kg，中、下台阶炸药量分别为180kg，现场爆破后超挖显著，爆破效果较差。

2  爆破方案优化

优化钻爆方案能够有效地加快施工进度，炮眼的利用率因钻孔倾斜影响而降低，加大炸药量，进尺增加且超挖量增加。因此，精准计算炮眼深度可平均减少60%的超挖量，在选择钻孔深度时要综合考虑各种因素，合理改进每循环进尺，以达到最优爆破方案设计。

隧道实际施工中，最常用的是压顶光爆、斜眼掏槽爆等，掏槽眼的位置应该布置在掌子面的中间部位。根据实际情况，本文使用斜眼掏槽，斜眼掏槽最突出的优点就是能够根据隧道岩石的实际情况来选择合适的掏槽方式和角度，更方便抛掷岩石，而且需要的掏槽眼数量较少。

2.1 上台阶优化方案

本隧道分三台阶开挖，先开挖上台阶，由现场量测可知上台阶开挖断面面积S=52.27m2，循环进尺L=3m。根据现场Ⅳ级围岩破碎情况选用2号岩石乳化炸药，单位体积炸药消耗量g=1.3kg/m3，换算系数K=1.2，炮眼利用率n=0.7，炮眼装药系数a=0.4，单个药卷质量p=0.2kg，长度c=0.144m，则：循环炸药消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×52.27×3×0.7=171.24kg;炮眼数目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×52.27 ×0.7×0.144/（0.4×0.2）=103个。

根据经验，炮孔间距a一般取10～20倍的孔直径，根据现场层状围岩性质，取a=15d=15×42=630mm，最小抵抗线W≥a=630mm，炮眼临近系数m=a/W=1.0。由爆破振动速度计算经验公式，v=70Q0.7/R1.5=50m/s，因此满足安全性要求。优化后爆破参数如表1所示，炮眼布置如图1所示。

2.2 中、下台阶优化方案

中、下台阶爆破目的主要是提供工作面，使得凿岩台车能够正常工作。因为上台阶起爆精度要求更高，已经炸出完整的工作面，中台阶爆破孔眼可以适当减少，目的是为了破碎掌子面结构，帮助凿岩台车继续破碎岩体并且出渣。中、下台阶炮眼相关参数与上台阶相同，仅开挖面积不同，每个台阶需要单独计算炮眼数目和用药量。

（1）对于中台阶：开挖面积S=40m2，考虑到爆破目的是松动围岩，炮眼装药系数a=0.6，单个药卷质量p=0.2kg，长度c=0.156m，其它参数与上台阶相同，则：循环炸药消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×40×3×0.7=131.04kg;炮眼数目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×40× 0.7×0.156/（0.6×0.2）=57个。

（2）对于下台阶：开挖面积S=51m2，考虑到爆破目的是松动围岩，炮眼装药系数a=0.6，单个药卷质量p=0.2kg，长度c=0.11m，其他参数与上台阶相同，则：循环炸药消耗量：Q=g×K×S×L×n=1.3×1.2×51×3×0.7=167.08kg;炮眼数目：N=g×K×S×n×c/（a×p）=1.3×1.2×51× 0.7×0.11/（0.6×0.2）=51个。

优化后爆破参数如表2、表3所示，炮眼布置如图2、图3所示。

3  现场应用效果分析

按照优化后爆破方案，现场进行爆破施工，效果如图4所示。由图4可以看出，隧道爆破面成型良好，破碎后岩面非常光滑，超挖现象不明显，即使局部超挖也是沿隧道轮廓大致向外偏移，便于后续施工凿面整平处理。这是由于增加了一段雷管，优化炮眼布置，爆破能量更为集中地作用在层状岩体结构面上，从而起到较好的破碎效果，降低对周边围岩破坏。通过现场量测，隧道超挖量控制在70mm以内，观感较原来有明显的提升，拱顶光滑，两侧贴合，说明优化后的爆破方案取得了较为满意的结果。与原方案560kg用药量相比，优化后方案减少用药量约90kg，减少了约16%。

4  结语

本文在现场调查的基础上，基于光面爆破设计理论，在考虑了层状片岩的结构特性的基础上，对三台阶爆破开挖方案进行优化设计。现场工程实践应用表明，该方案能节约爆破材料，隧道爆破面成型良好，显著降低了超挖量，提高了施工效率，具有很好的工程应用价值。

参考文献

[1] 张旭.隧道光面爆破施工超欠挖影响因素分析及控制技术研究[D].北京：北京交通大学，2020.

[2] 刘海波.聚能水压光面爆破新技术在成兰铁路隧道施工中的应用[J].现代隧道技术，2019，56（2）：182-187.

[3] 劉敦文，江树林，唐宇，等.穿越脉状破碎断层隧道光面爆破技术研究[J].工程爆破，2021，27（2）：79-84.

[4] 郝广伟，张万志，李世堂，等.不同循环进尺下水平层状岩隧道爆破成型研究[J].地下空间与工程学报，2020，16（S1）：316-322.

[5] 周涵，孙从煌，曲艳东，等.小断面长陡斜坡隧道短导洞光面爆破技术研究[J].现代隧道技术，2021，58（2）：228-237.

[6] 张万志.岩质隧道炮孔图像识别算法及光面爆破参数优化研究[D].济南：山东大学，2019.