紫罗山隧道爆破施工方案的优化

张波，郭敏，马腾飞，付君，杨鸿瑞，牛宏霄

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳 518000）

ZHANG Bo,GUO Min,MA Teng-fei,FU Jun,YANG Hong-rui,NIU Hong-xiao

随着公路基础设施的建设逐年增多，钻爆法由于对复杂多变地质适应性强和施工成本低的优点，被广泛应用于公路隧道的施工。而爆破方案设计是隧道施工的重要工序，对于提高工程质量、施工进度和造价都十分关键。

目前隧道爆破方案的优化主要从两个方向进行研究，分别是爆破效果和爆破振动方面。针对爆破效果优化问题，何闯等分析了炮孔形式和爆破振动大小之间的关系，结合现场工程实践对复式楔形掏槽技术进行了完善[1-4]。针对爆破减振优化，岳旭光等通过仿真软件对新建隧道爆破施工对临近既有隧道影响进行了研究，得出隧道在间距小于12m 的情况下爆破方案需要进行优化，应适当减小装药量以减弱对既有隧道的影响[5-8]。

紫罗山隧道围岩的结构、强度、松动程度、初始地应力的方向变化复杂，严重制约了隧道的掘进速度，需对隧道施工工艺和爆破参数进行优化。本文结合紫罗山隧道爆破开挖的具体实例，从开挖工艺、装药结构和炮孔布置3 个方面对爆破参数进行了优化研究，在原方案基础上取得了更好的效果，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

紫罗山隧道地处秦岭余脉外方山北麓，是G344 东灵线汝州汝阳交界至洛峪段公路的控制性工程之一，隧道总长968m，隧道部分穿越IV-V级围岩，该段地域围岩强度低，爆破超挖量大、施工进度慢，严重拖延了工程进度。为安全可靠的穿越IV-V 级围岩地段，减小超欠挖，控制施工进度，降低生产成本，亟需重新优化隧道爆破方案。从一端开始施工，按照先施工左线隧道、再施工右线隧道，连续交错的施工思路。具体隧道断面见图1。通过现场试验探索最佳爆破方案，对爆破施工参数不断进行优化，加快掘进效率。

图1 隧道断面图（单位：cm)

2 原设计爆破方案

爆破方案优化段为IV-V 级围岩深埋段，该标段原掘进方案为三台阶法开挖，在爆破方法上选择光面爆破法[9]。

2.1 炮孔布置

原设计方案掏槽孔选择楔形掏槽方式，在半径为隧道断面轴线1/4 的圆内布置掏槽孔，圆心在断面轴线上。沿隧道轴线布置3 对，炮孔深度为1.2m，单孔装药量0.9kg，倾角为75°。平行两对掏槽孔间距在70cm，相对两掏槽孔间距30cm。上台阶周边孔布置18 个孔，中台阶布置8个孔，下台阶布置8 个孔。上中下台阶周边孔间距均为65cm。先按照炮孔方案掏槽孔，其次沿爆破轮廓面布置周边孔，最后布置辅助孔，辅助孔根据掏槽孔的布置位置向外布置，炮孔均匀的布置在开挖掌子面上。根据现场施工情况，辅助孔的间距40～110cm，依据掌子面大小均匀布置。

2.2 爆破参数

人工控制钻孔，炮孔直径为∅4cm，掏槽孔深1.2m，炮孔与掌子面的夹角选取75°；扩槽孔深1.1m，炮孔与掌子面的夹角选取75°；辅助孔深1.0m，周边孔钻孔深度为0.9m。周边孔间距设计为0.65m，最小抵抗线取0.7m。选用低密度低爆速、低猛度的炸药，本工程采用2#岩石乳化炸药，1-15 段毫秒雷管起爆。掏槽孔、辅助孔以及掘进孔采用连续装药结构，周边孔采用间隔装药的形式。药包之间采用并联的连线形式，反向进行起爆。具体装药结构示意图见图2 所示。

图2 炮孔装药结构图

2.3 起爆网络设计

以保证爆破安全为前提，降低爆破对周围岩层的损伤、保护隧道围岩，起爆网络采用导爆索、导爆管及非电毫秒延期雷管组成起爆网络，击发进行起爆。从掏槽孔开始，辅助孔按照非电导爆管段数，从中心往外逐层起爆，最后周边孔。各段起爆后，最大单段药量为5.4kg。

图3 优化前左线爆破方案炮眼布置

3 爆破方案的优化设计

采用原施工方案，存在以下问题：①爆破效果差，易出现隧道超欠挖现象；②钻孔时间过长，炸药用量多；③采用三台阶爆破方案施工，工序繁多，隧道开挖支护进度慢，不利于工期的控制。因此针对现场爆破效果，对原有爆破方案进行优化。

3.1 爆破台阶和炮眼布置的优化

对原有爆破参数（表1）进行分析后，并结合岩层实际情况进行爆破方案的优化。

表1 优化前的爆破参数表

1）掏槽孔的优化。参考赵楚等人对公路隧道掏槽孔的设计，结合紫罗山隧道的地质地况，对隧道爆破掏槽孔的倾斜角进行调整[10]。与优化前相比较，第一排掏槽孔与隧道掘进面所成的倾斜角减小了2°，优化后为73°；第二排掏槽孔与隧道掘进面所成的倾斜角保持不变；第三排掏槽孔去掉，减少钻孔量。优化前后掏槽孔与掌子面倾斜角的变化如下图4 所示。

图4 优化前后掏槽孔布置图

2）周边炮孔主要起控制隧道开挖轮廓面的作用。依据现场岩石的性质，周边孔布置在轮廓线以内100～200mm 左右，以减小爆破开挖后的超欠挖现象。与优化前相对比，周边孔间距减小5cm。

3）炮孔深度L。炮孔深度与机械设备、开挖深度、岩石性质等因素有关，掏槽孔钻孔深度较周边孔深0.4m，根据围岩等级不同分别控制每循环炮掘进进度为0.5m，上台阶掏槽孔1.3m，辅助孔取1.1m，周边孔0.9m。下台阶掘进孔0.6m，周边孔0.3m。

4）炮孔布置形式。上台阶辅助孔选择三角形和圈形相结合的炮孔布置形式，充分释放炸药的爆破能量，破后岩石块度大小均匀，掘进进尺加大。与优化后爆破方案，炮孔利用率由75%提高至87%以上。优化后的炮孔采用反向装药，优化后台阶炮眼布置见图5，优化后的爆破参数见表2。

表2 优化后的爆破参数

图5 优化后的台阶炮眼布置

3.2 优化后方案爆破效果

紫罗山隧道采用优化后的爆破方案，爆破后炮眼利用率达到87%以上，爆破碎石块度均匀，便于运输。同时炸药用量从52.6kg 降低到47.4kg；优化后钻孔量较小，炮孔数量从99 个减少到95 个；优化前隧道断面周边孔间距65cm，优化后周边孔间距60cm，通过调整周边孔间距，较好的控制爆破轮廓面。

4 结论

通过对紫罗山隧道爆破开挖方案的优化设计，结论如下。

1）将三台阶爆破施工法优化为两台阶爆破施工，减少了施工工序，有利于工期的控制。

2）基于掏槽孔与掌子面的倾斜角的优化，充分利用岩石断面结构，爆破后获得较好的爆破效果。

3）通过调整爆破参数，上台阶采用梅花和环形相结合的炮孔布置形式，下台阶掘进孔采用增大间距的布孔方式，隧道断面爆破炸药量减少了5.2kg，取得了较好的经济效益。炮孔减少了4个，钻孔工作量进一步降低。O