全断面光面爆破在复杂地质隧道施工中的应用

石佳楠

(中铁十八局集团 第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

在隧道施工中经常会遇到岩溶、危岩落石、顺层、有害气体、岩堆等复杂的地质条件，这些不良地质会对隧道施工的安全性、施工效率等造成严重影响。如果绕行施工，会消耗大量的成本，降低经济效益，这就对施工技术和防治技术措施提出了更高的要求。相比其他施工技术，全断面光面爆破施工具有操作简单,工序较少,可一次爆破到位,对周围围岩和土层造成的扰动比较小等优点，能够很好地满足复杂地质隧道施工的要求。基于此，开展全断面光面爆破施工在复杂地质隧道施工中的应用分析和研究显得尤为必要。

1 工程概述

九万大山一号隧道位于荔波—环江区间，进口里程DK177+048，出口里程DK194+060，全长17 012 m，最大埋深约488 m。隧道进口紧邻荔波江多线特大桥，出口接路基。隧道坡度设计为“人”字坡，进口至出口依次为：5 425 m长的22.5‰上坡、2 300 m长的5‰上坡、2 500 m长的5.3‰下坡、6 760 m长的21.4‰下坡。设1座横洞、1座泄水洞、1座平导辅助施工，辅助坑洞布置见图1。为满足建设工期要求、隧道施工通风、排水及防灾救援等要求，于DK180+115—DK184+800左侧25 m设置长4 685 m泄水洞；于横洞与泄水洞之间设置排水横通道，长185.28m；于DK184+800—DK192+300段左侧25 m、DK192+300—DK194+060段左侧45 m设置出口平导，长9 297 m；于DK180+150左侧12.5 m设置通风竖井，深70 m，直径2.5 m；在DK182+600左侧12.5 m设置深139 m，直径2.5 m通风竖井。

图1 九万大山一号隧道辅助坑洞布置图

在本工程施工中，通过全范围地质勘查发现本工程所在区域为复杂地质条件，存在岩溶、危岩落石、顺层、有害气体、岩堆、粉质黏土等问题，施工技术的选择及把控需严格要求。

2 复杂地质隧道开挖方法

案例工程隧道地质水文条件比较复杂，为保证施工质量和安全性，在隧道洞门和明洞段施工中，选择了明挖施工技术，在开挖时严格控制刷坡的高度，临时坡面采取骨架联合喷锚网支护[1]。尤其是在进洞段开挖中，通过专业的挖掘机进行挖桩，挖掘出来的土层通过自卸车进行运输，堆放到指定位置，做好防护工作，避免影响周围的施工环境。

洞内突水对施工的安全性、施工速度、施工质量有很大的影响，在具体施工中必须切实做好安全防护措施，避免发生隧道突水问题。按照地质勘查的结构，做好准备工作，及时将突水排出到隧道之外，避免地下水进入到隧道中，影响施工的安全性。按照其他类似工程施工经验，在地质水文条件复杂地段隧道开挖中，要以探水为主，预测为辅，详细分析超前地质勘查的结果，及时制定有针对性的措施。

岩溶也是复杂地段隧道开挖施工遇到的主要问题。岩溶是一种比较常见的地质结构，会对隧道施工的连续性、施工质量造成比较大的影响。一旦遇到岩溶地质结构，需要先进行详细的勘查，取得全面、详细的施工数据，制定有针对性的施工方案，确定岩溶的类型、规模等。按照分析结果，选择回填、加固、灌注等处理措施。如果岩溶中含有大量的水，要先将水排出后再继续施工，以保证施工的效率和安全性，同时还要加强复合衬砌，提升岩溶围岩结构的稳定性。

在洞口开挖时尽量避免雨季施工，做好测量放线工作，确定好开挖的范围，探明周围的地质情况，施作合理的排水系统。就本工程案例而言，选择顶坡天沟和截水沟都能满足排水要求，但需要布置在边坡、仰坡顶部不小于5 m的位置，沟底的坡度需要结合实际情况合理设置，不能小于3‰，避免发生淤积堵塞问题。在隧道洞口开挖中，需要严格按照“阶梯式”的顺序进行开展，针对洞口表层土方、风化软岩等可采取机械开挖方法。如果遇到硬质岩石，机械开挖难度大，可采用微振动爆破技术；如果为比较松软的土层，则要选择人工开挖避免发生超挖和欠挖问题，为后期进洞施工营造良好的条件[2]。

3 全断面光面爆破施工在复杂地质隧道施工中的应用

3.1 测量放线

测量放线是全断面光面爆破施工在复杂地质隧道施工中比较重要的一步。测量放线的结果(见图2)直接关系到整个工程施工的精度，因此在案例工程施工中，要将开挖轮廓线、掏槽眼、辅助眼、周边眼等确定好，采用激光铅直仪来控制边线。而距离开挖面约50 m的位置需要埋设一根中线柱，此后每隔100 m布设一个水准点，在测量方向过程中，需对上次爆破断面进行检查，以便更好地掌握全断面光面爆破施工参数，及时调整施工工艺，提升全断面光面爆破施工效果。

图2 测量放线图

3.2 保证钻孔的质量

全断面光面爆破施工钻孔质量直接关系到整个爆破工程施工的效果，所以本工程在开始钻孔之前，对每位钻孔工人进行技术交底，在掌握和了解炮眼布置(见图3)之后再进行钻孔。特别是要保证周边眼和头掏槽眼位置的精度，未经现场监理人员的同意不能随意调整位置、间距[3]。做到定人定位，由经验丰富的专业钻孔工人来完成钻孔操作，以保证钻孔的位置误差不超过5 cm，尽量使钻孔方向平行，避免相互碰撞和交叉。

图3 掏槽眼设计图

周边眼钻孔在施工中必须严格控制，否则会影响爆破效果，甚至会造成严重的安全事故。在案例工程施工中，保证外插角的深度在3.0 m左右，倾斜度不能超过3°，以提升爆破效果[4]。

3.3 周边眼的装药结构

在周边眼装药时，需要结合工程特点选择合适的装药结构，以保证全断面光面爆破施工质量，尽量使炸药能够沿着孔深均匀布置。在周边眼装药时，选择了不耦合装药结构(见图4)，装药系数取1.4～2.0。

图4 不耦合装药结构示意图

3.4 装药及起爆

根据隧道工程围岩结构和地质条件的不同，选择合适的炸药，避免炸药无故浪费，也要保证爆破效果。在本工程施工中，凡是含水量比较大和周边眼爆破中，都选择乳化炸药，其他位置为降低施工成本，选择了2#岩石硝铵炸药[5]，按照自上而下顺序进行，导爆管要“对号入座”。所有炮眼均以炮泥堵塞，堵塞长度不小于20 cm，全断面光面爆破施工参数见表1。

表1 全断面光面爆破施工参数表

3.5 微震爆破

按隧道埋线与位置情况，隧道周边采用光面爆破，不良地质、浅埋地段采用微震控制光面爆破。微震爆破作业段最大一段允许装药量可通过以下公式来计算：

(1)

式(1)中：Qmax—最大一段爆破药量，kg；

Vpk—安全速度，取2 cm/s；

R—爆破安全距离，m；

K—地形、地质影响系数；

a—衰减系数。

K、a值是针对隧道的具体情况，通过多次试爆基础上进行K、a值回归分析后确定[6]。根据爆破物距爆心的安全距离要求，并由此推出每段的最大装药量。

4 施工的重难点和解决对策

在案例工程施工中，由于所处的地理位置复杂，存在很多重难点，对施工造成了较大影响。应采取相应的解决对策，以解决施工中存在的问题，使各道工序高效、安全、有序地开展。

4.1 遇岩溶中等至强烈发育地段的措施

九万大山一号隧道DK178+746—DK192+283属于岩溶中等至强烈发育地段，占隧道总长度的79.57%。该段地表发育大量洼地，突水突泥风险高。为解决这一问题，可以加强岩溶探测和监测，超前地质预报，全面揭示岩溶勘测，隐伏岩溶探测，洞外监测、观测[7]，采用超前帷幕注浆、揭示性岩溶处理、隐伏岩处理等岩溶治理措施。

4.2 遇塌方及突水突泥风险高地段的措施

本隧道穿越三条断层，塌方及突水突泥风险高。断层破碎带DK178+570附近发育懂架平推断层，破碎带洞身影响长度约60 m，岩体破碎，岩质较软，围岩稳定性较差。DK180+743附近发育一条逆断层，洞身影响长度约200 m，断层带岩体破碎，含水丰富，突水突泥风险大。DK184+860附近发育一条正断层，洞身影响长度约220 m，断层带岩体破碎，含水丰富，突水突泥风险大[8]。

隧道断层破碎带采取“短开挖、强支护、快封闭”的原则，采用φ76中管棚+Ⅰ20b型钢，施工工法采用台阶法加临时仰拱法施工。仰拱导管规格为外径76 mm，壁厚5 mm。导管间距一般为30～50 cm,案例工程为40 cm。外插角一般为10°～15°，可根据实际情况调整[9]。注浆材料一般为纯水泥浆，水灰比0.5:1～0.8:1，可根据实际情况相应调整。当地下水发育时，为调凝需要，可部分采用水泥-水玻璃浆液，要求浆液强度等级不小于M10。

5 结 语

本文以九万大山一号隧道为例，分析了全断面光面爆破施工在复杂地质隧道施工中应用。分析得出，在复杂地质条件中开展隧道施工，施工难度比较大，而且存在很多不确定因素，容易发生安全事故和质量问题。采用全断面光面爆破施工，可有效控制复杂地质条件对隧道施工造成的不良影响，在保证施工质量、提升施工效率、降低施工难度等方面有显著优势，值得在类似工程中推广应用。