隧道光面爆破开挖质量控制的应用研究*

刘仁华

中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065

爆破开挖是当前我国隧道开挖掘进的主要手段[1]。虽然人工钻眼爆破具有操作方便、价格便宜的优点，但若隧道爆破未能达到设计要求将导致超欠挖现象的发生，对工程质量造成不利影响，同时在处理超欠挖时所采取的补炮或者回填措施都将提高工程造价，影响施工进度。另外，隧道进行二次爆破将对围岩再次产生不利扰动，扩大围岩的损伤范围，影响围岩稳定性。为了提高隧道的施工效率，国内外学者对隧道爆破施工导致的超欠挖问题进行了大量的研究，提出了一些有效的爆破施工方法[2]。其中，光面爆破施工方法能够有效控制爆破对围岩的扰动，减少对隧道轮廓的超欠挖量，提高施工效率和经济效益，已被广泛应用于隧道爆破施工中[3-4]。但是，掌子面前方的地质情况复杂，裂隙、软弱夹层等不良地质会对光面爆破造成不利影响，导致隧道轮廓超欠挖较严重，增加施工周期和成本。

重庆轨道交通10号线兰花湖停车场出入段隧道（下文简称兰花湖隧道）为双线隧道，右线全长1136.068m，左线全长1026.080m，在右线桩号YCK1+124.722～YCK1+200段，隧道围岩等级为Ⅳ级，设计采用爆破施工。为了解决兰花湖隧道的超欠挖问题，相关人员使用全断面免棱镜测量技术，获得了爆破施工中隧道的开挖轮廓线，分析了隧道超欠挖的原因，通过超前地质预报对掌子面围岩情况进行预测，提出了一种爆破参数优化方法，能够有效控制兰花湖隧道的超欠挖质量，获得了良好的隧道轮廓线，提高了施工效率。

1 光面爆破原理

爆破的基本理论主要有爆生气体膨胀压力作用理论、应力波叠加理论、爆生气体与应力波共同作用理论。随着科技的发展，最终发现共同作用理论更符合工程实际，即炸药爆破所产生的爆生气体和爆炸应力波将共同作用于岩石，导致岩石产生裂纹并发生扩展，最后产生破坏。

爆炸应力波与爆生气体作用原理如图1所示。由于爆轰波阵面的压力和传播速度远高于爆生气体产物的压力和传播速度，爆轰波首先作用于炮孔壁上，使得围岩产生初始裂隙并以较高的速度向前传播，而爆生气体则楔入裂隙中，在准静压力作用下使裂隙得到扩展和传播。随着应力波的衰减，爆生气体的楔入速度逐渐接近应力波波速，最后二者相等，此时裂纹扩展停止发生。

图1 光爆孔裂缝发展过程

2 监控量测技术

此次监控测量采用全断面免棱镜测量技术，该方法是遵照围岩量测设计理念与新奥法围岩自稳宗旨，并结合现场施工经验总结出的隧道洞内超欠挖监控量测的关键技术。爆破施工后，在隧道周边的孔内埋设观测点，进行监控量测，然后与设计断面进行对比计算，如图2所示。计算公式如下：

图2 超欠挖测量与计算方法

采用全断面免棱镜测量技术对隧道断面进行超欠挖测量，绘制实测隧道轮廓面与标准隧道断面的对比图，如图3所示。

图3 隧道光面爆破效果（单位：mm）

从图3可以看出，洞内超挖较严重，尤其在左侧拱顶区域，超挖量最大。仔细观察隧道开挖后掌子面附近的地质情况，发现左侧拱顶区域存在少量软弱夹层，导致此区域围岩强度较弱，增加了隧道轮廓的超挖量。在拱脚附近，存在少量欠挖区域，对施工影响较小。由于爆破超挖严重，增加了隧道施工成本，降低了施工效率。

3 超欠挖原因

以兰花湖隧道爆破施工为基础，分析爆破导致的超欠挖原因，总结得出三点结论。

（1）掌子面前方围岩情况对隧道爆破施工导致的超欠挖问题影响很大。爆破施工过程中，炸药能量优先向围岩强度较弱的方向传播，导致隧道出现严重超挖现象。

（2）不合理的周边孔装药量影响隧道轮廓线形状。光面爆破动态设计的指导方针没有贯彻实施，施工人员抱着“宁超勿欠”的思想，导致装药量过大，影响光面爆破效果。

（3）钻眼的精度较低，影响爆破效果。隧道钻孔过程中，光线较差，施工人员放线位置存在偏差，机械钻孔操作难度大，影响周边孔的外插角方向和炮孔深度，导致爆破效果较差。

4 光面爆破参数优化

因为掌子面围岩情况对爆破超欠挖影响较大，所以在爆破开挖前使用超前地质预报，实时获取掌子面前方围岩情况，进而优化爆破参数，控制爆破开挖质量。

4.1 超前地质预报

此次超前地质预报将地质雷达和TRT相结合，充分发挥了两者的优点。兰花湖隧道施工过程中进行超前地质预报的现场施工图如图4所示。通过分析地质超前预报的雷达波形图，确定施工过程中掌子面前方的围岩情况，结果发现，在隧道左上方存在软弱夹层，围岩强度较弱。

图4 超前地质预报现场施工图

4.2 光面爆破设计方案

隧道周边地质条件对光面爆破中炸药的选择影响较大，经过超前地质预报，发现掌子面左上方存在软弱夹层，通过经验对比和筛选，最终决定用岩石乳化炸药进行爆破作业。在爆破作业前，先用钻机制作连续柱状装药结构，用作辅助眼和掏槽眼，再用钻机制作小直径药卷、不耦合间隔装药结构，用作周边眼。

光面爆破炮孔具体布置参数如图5所示。以两拱脚中点为中心，拱顶为起点，逆时针旋转60°，即图5虚线内区域，将其区域内的周边眼装药量改为原装药量的90%，进行装药、爆破。爆破时，起爆顺序为掏槽眼→辅助眼→底板眼→周边眼。

图5 光面爆破炮孔布置图（单位：cm）

4.3 优化后的开挖质量

为了进一步验证优化后的爆破参数能够有效控制隧道超欠挖质量，提高施工效率，将优化后的爆破参数用于兰花路隧道光面爆破施工中。对爆破后的隧道断面进行测量，与隧道设计断面图进行对比，爆破效果对比如图6所示。

图6 爆破参数优化后隧道光面爆破效果（单位：cm）

对比图3、图6的轮廓线可知，爆破参数优化后可以有效控制超欠挖质量，最大超挖量仅为283mm，拱脚附近存在少量欠挖，对施工影响较小。这说明降低围岩较弱区域周边眼的装药量可以有效减小围岩强度对隧道爆破效果的影响，降低爆破对围岩的干扰，提高施工效益，节约经济成本。

5 结论

（1）文章论述了光面爆破的基本原理，并利用全断面免棱镜测量技术对隧道断面进行测量，绘制了实际爆破轮廓线和设计轮廓线的爆破开挖效果图，发现围岩强度对爆破施工的超欠挖质量影响较大。

（2）文章设计了光面爆破方案，根据超前地质预报，实时获取掌子面前方围岩状况，为爆破参数优化提供了可靠的依据。

（3）文章提出了爆破参数优化措施，将周边眼的装药量改为原装药量的90%，可以有效减小围岩强度对隧道爆破效果的影响，降低爆破对围岩的干扰，提高隧道围岩的稳定性，缩短施工周期，可为后续隧道建设者提供参考。