高速公路隧道施工中光面爆破技术的应用

何欧

摘 要：当前，在我国高速公路隧道网络建设速度的不断加快下，已经广泛应用了爆破法。随着超长距离、大断面以及大埋深高速公路隧道开挖工程在高海拔及高寒等恶劣环境下的深入落实，逐渐增加了工程的施工难度。特别是在爆破施工过程中，不符合实际或掏槽方式，起爆方法、设计的爆破参数、装药设置等，都会增加隧道施工风险，甚至会引发难以预知的重大伤亡事故。为了解决这些问题，以某高速公路隧道工程为例，重点研究预留光爆层水压爆破技术在该项工程中的应用效果。首先阐述了光面爆破技术的原理及特点，其次在明确总体施工工艺的基础上，严格按照炮眼布置及钻孔要求、炮预留光爆层厚度的计算、起爆顺序、装药结构等施工方法，详细介绍了光面爆破技术在高速公路隧道工程中的应用流程，最后针对应用成果进行了探讨，已充分证实在工程中应用这种施工方法，每茬炮平均进尺可达到3.87m，周边轮廓圆顺，炮眼残留率达到85%，线性超挖能控制在12 cm以内，而且洞内爆破后空气中可吸入物颗粒（PM10）及总悬浮粒物（TSP）含量均有明显下降，缩短了通风排烟时间，加快了施工进度。由此可见，所提出的施工方法，在高速公路隧道工程中应用后取得的效果较为显著，具有较大的应用价值。

关键词：高速公路;隧道施工;光面爆破技术;应用

中图分类号：U459                                  文献标识码：A                                    文章编号：2096-6903（2022）05-0013-03

0 引言

根据新奥法施工的理论要求，隧道开挖应采用光面爆破施工工艺。光面爆破主要是在爆破面上的指定位置實施开挖，于掌子面的中心位置开展岩体爆破，并在设计各段轮廓线上，由内而外进行分段微差起爆，但是在隧道光面爆破过程中，应该注意需要同时起爆掌子面左右两部分，这样光爆效果才能得到保证，以此全部去除设计方案中开挖面积内的岩体，最终形成一个平整的开挖轮廓。而预留光爆层是为了更好的达到光爆效果而采用的一种爆破方法，它基于爆炸气体的膨胀作用，水会产生“水楔”效应，既能降低装药量，还可以破碎岩石。同时，水袋爆破后能进一步降低粉尘对环境的污染，起到雾化降尘的作用[1]。

1 光面爆破技术原理

针对光面爆破的理论研究，它的原理从外在而言，指有目的、分段设置隧道开挖截面上许多相互对称平行且间隔较小的炮眼，运用低爆速的工程炸药在科学控制装药结构、炮眼角度及深度的前提下开展分段微差起爆，这样同一段内的所有炮眼必将形成贯穿岩体的裂缝，从而有顺序的脱落。这种破坏形式从断裂力学的观点而言，属于在爆炸发生过程中，岩石受拉力影响导致自身承载能力不足造成的破坏，在日常生活中这种现象也经常能遇见，与我们在撕开两张邮票时，它们之间小孔处断开的现象较为相似，皆是因为突然应力集中造成的拉应力现象而导致的断裂。纵观当前工程实际情况而言，可从以下几点体现爆破控制管理[2]：

1.1 爆破振动

它的控制管理针对地铁开挖爆破或地下工程来说，一般包括对已建地下工程和周围构筑物的影响分析、地表沉降控制以及基本的爆破效果控制。爆破效果的控制涵盖了超欠挖工程量与岩体的爆出程度，这对整个工程进度与施工成本有直接影响;在城市地下工程开展过程中，已有地下空间较多且地下管道与周围构筑物密集，极需对地表沉降予以有效控制，例如，我国上海某工程施工过程中，因为没有全面了解周围地质环境，造成周围居民楼和公路地表在施工过程中出现倾斜和下沉，引发了非常严重的安全隐患;当前对已建工程和工程周围构筑物的影响分析，主要表现在爆破振动引发的影响程度，作为一种爆破施工难以预防的负影响，爆破振动在城市建设中的导致的负效应较大，需要制定相关的动态反馈措施，并进行实时监控，不然极易造成结构出现松动及周围建筑开裂的现象。故而，需要严格控制爆破振动对周围的影响程度。

1.2 循环爆破

在建设高速公路隧道过程中，虽然说它没有城市地下的密集管道与构筑物，但是因为地形条件的复杂性，控制管理难度依然不容忽视。近年来，我国出台了相关标准，逐渐规范了爆破施工，但针对高速公路建设方面，管理与监督手段仍然不足，除了上述需要控制爆破振动对周围的影响程度外，还需要重视对每次循环爆破效果的管控。爆破效果的好坏对高速公路来说与城市工程有一样的要求，都需要对爆破面的规则与超挖欠挖进行严格控制;在控制振动大小过程中，因为每次循环开挖的单次装药量较多，进尺也比城市工程大，怎样才能在保证施工安全的前提下，推动施工的快速开展将于下面予以更深入的探讨及分析。

2 光面爆破技术特点分析

在我国现阶段高速公路隧道施工中，光面爆破这种控制爆破开挖方式较为常用，其能有效控制开挖后围岩的爆破轮廓线较为规则、平整，不仅减少了对周围岩体带来的破坏，还能控制开挖爆破中的超挖欠挖，为围岩自身稳定性提供了充足保障。纵观当前施工情况和理论研究得知，其具有特点在隧道掘进施工中可表现为以下几个方面[3]：

设计爆破参数，对单次爆破量和超欠挖进行严格控制，特别是在较差的地质条件下，不稳定岩石效果相对较为明显。

光面爆破技术与其他爆破方法相比，针对于周围地层的爆破振动影响，在开挖过程中较小;能对开挖爆破时过大振动导致的对地面构筑物的影响和塌方现象予以有效避免，在增强作业安全性的同时，还能提升施工效率，其效果在岩质较差或围岩等级不高的条件下更为显著。FE2EA4C7-3244-48AE-9847-AEA3170429DE

通过合理钻孔和布孔方法及对岩性的分析，在光面爆破开挖中，运用炸药能量，能对施工成本予以最大程度降低。

3 光面爆破技术的施工工艺及方法

3.1 工程基本情况

作为国家“一带一路”战略部署“丝绸之路大通道”的重要组成部分，本工程中的高速公路隧道是某地区建设项目的控制性工程，左线长11.764 km，右线11.775 km，共设置两处斜井，辅助施工兼运营通风。整个隧道地形地质、水文气象条件复杂，最大埋深1 225 m，隧道建设具有超长距离独头掘进、涌水量大、地应力高、施工风险高、气温极寒等显著特点，是目前国内设计施工难度最大、风险最高的高速公路隧道之一[4]。

隧址区以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，地层岩性上覆第四系全新统粉质黏土、卵石、碎石、块石、漂石;下伏基岩以石炭系凝灰岩、熔结泥灰岩、凝灰质砂岩和泥盆系中统大南湖组凝灰质砂岩、花岗岩、辉绿岩为主。隧道进口段独头掘进长度3.9 km，出口段3.6 km，通过斜井辅助施工的中间区段更是长达4.2 km以上，超长距离通风在一定程度上增强了隧道施工的难度。

开挖爆破是整个施工过程的关键环节，其效果好坏决定了隧道的施工质量、进度和效益，乃至决定着整个项目何时通车运营。因此在隧道施工中，爆破开挖采用两台阿特拉斯BOOMERXL3D型三臂岩机钻孔，根据隧道围岩条件，采用预留光爆层水压爆破技术，严格控制超欠挖，减少对围岩扰動，降低爆破开挖的粉尘浓度，改善洞内施工环境等一系列措施的应用，是项目管理的关键环节。

3.2 总体施工工艺

本隧道Ⅲ级围岩采用全断面法施工，在掌子面围岩完整性较好、自承能力较强地段，为了给周边眼的爆破创造更多的临空面，在开挖过程中采用了预留光爆层分次光面爆破法。即第一循环爆破时周边眼不爆破，只起爆掏槽眼、辅助眼和底眼;第二循环爆破时上循环的周边眼和本循环掏槽眼同时起爆。这样使周边眼爆破时沿隧道纵向增加了一个临空面，更好的提高光爆效果。

在爆破过程中采用水压爆破技术，施工现场配备了水袋机和炮泥机，按工艺要求加工水袋和堵塞炮泥。装药时在孔底和孔口放置1～2个水袋，炮泥封口，以降低粉尘浓度，改善洞内环境[5]。

3.3 施工方法

3.3.1 炮眼布置及钻孔要求

隧道Ⅲ级围岩断面开挖面积86.65 m2，布置炮眼184个。钻孔前，测量人员在掌子面精确放样各炮眼位置并做好标记，钻孔时按放样位置施钻。钻眼应符合下列要求：

第一，掏槽眼。严格遵循设计深度和角度标准开展作业，在5 cm内控制眼口排距与行距偏差。

第二，辅助眼。严格遵循设计深度和角度标准开展作业，在5 cm内控制眼口排距与行距偏差。

第三，周边眼。在设计断面轮廓线上，针对开眼位置可以调整轮廓线，并在5 cm内控制偏差;炮眼眼底与开挖断面轮廓线相比不能超出15 cm，尽量控制在10 cm内，外斜率要控制在50 mm/m。

第四，应在5 cm范围内控制内圈炮眼至周边眼的排距偏差。

第五，按炮眼布置图，在完成钻眼后开展检查并详细记录相关数据，遇到不满足规定的炮眼时应重钻，待检查完全符合后即可装药实施起爆。

第六，装药前需要使用吹洗干净炮眼内的石粉与泥浆。所有装药的炮眼均应堵塞炮泥，确保堵塞质量完好。

3.3.2 预留光爆层厚度的计算

在光面爆破中，光爆层的厚度即为最小抵抗线。利用马芹永学者给出的公式，将图1数据代入公式W=Q/C×a×Lb，其中Q为单孔装药量，取1.35kg;C为爆破系数，相当于炸药单耗值，取1.2 kg/m3;a为孔距，取0.45 m;Lb为炮孔深度，取4.3 m。

计算得w=1.35/0.45×4.3=0.5

在本公式中，W应根据岩石性质及地质条件加以调整，经多次试验，实际取值0.65 m。

3.3.3 起爆顺序

第一循环只起爆掏槽眼、辅助眼和底板眼，预留周边65 cm的光爆层。使用毫秒雷管微差起爆，起爆顺序及连线如图1。

第二循环周边眼和掏槽眼连均用1段雷管，使用预留的光爆层和本循环掏槽眼同时起爆，起爆顺序及连线如图2。

3.3.4 装药结构

利用三臂台车钻孔速度快，孔深长的优势，采用二级楔形掏槽方式，炮眼长度350～500 cm。装药结构周边眼间隔装药，间隔装药时将药卷绑在竹片上（如图3），其他炮眼连续装药。炮眼孔径45 mm，药卷为Φ35×200 mm乳化炸药、炮泥直径35 mm，水袋用聚乙烯塑料制作，厚0.8 mm、长200 mm、直径35 mm（如图4）。

在装药过程中应注意以下：第一，施工时经常发生辅助眼炮孔内装药质量及连线均完好，但炮孔残药较多。经多次试验在掏槽眼起爆药包前的一级掏槽30 cm、二级掏槽60 cm长度内采用耦合装药，加大眼底的起爆力度，给辅助眼形成较大的临空面，取得了较好的爆破效果。第二，孔口炮泥的堵塞质量要保证，否则孔口水袋在爆破瞬间将射出炮孔。未形成水雾，起不到降尘效果[6]。

4 应用成果

在施工中运用以上方法，经过多个循环的统计，每茬炮平均进尺达到3.87 m，周边轮廓圆顺，炮眼残留率达到85%，线性超挖控制在12 cm以内。同时，通过采样点的观测洞内爆破后空气中可吸入物颗粒（PM10）及总悬浮粒物（TSP）含量均有明显下降，缩短通风排烟时间10 min，加快了施工进度30%，并且在Ⅲ级围岩中月施工进度达到了160 m以上。

5 结论

本文结合工程实例，通过对高速公路隧道中预留光爆层水压爆破技术的应用研究，得出了以下结论：

预留光爆层水压爆破技术应用在隧道工程中，能更加精确的起爆周边孔，以此来促使相邻炮孔间形成贯穿裂缝，取得较为显著的光面爆破效果;另外，通过对光爆层厚度的合理选择，能最大程度降低炸药冲击波破坏内壁的情况，运用新自由面反射拉伸波切向拉伸光爆层岩体，从而减少超挖量，为光爆效果提供了充足保障。

在工程开展中运用预留光爆层水压爆破技术，能减少岩石在周围孔起爆时的堆积现象，降低炸药的单耗，并且夹制作用较小，自由面相对增大，大幅度降低了破坏周围岩体与爆破振动的程度。

在工程开展中应用周边孔内水压爆破方法，通过高温高压下产生的水雾化对爆破中粉尘颗粒予以的润湿吸附，可以起到明显的降尘效果和作用，实现了对人工作业环境的有效改善。

参考文献

[1] 谢全敏，殷建强，杨文东.基于Hoek-Brown方程的边坡光面爆破参数设计方法[J].中国铁道科学，2017，38（2）：1-5.

[2] 王军.聚能水压光面爆破技术在崤山隧道施工中的应用研究[J].铁道建筑技术，2017（5）：81-84.

[3] 沈显才.地铁暗挖隧道聚能水压光面爆破新技术应用分析[J].铁道建筑技术，2017（5）：102-105+123.

[4] 刘海波，白宗河，刘学攀，等.隧道掘进聚能水压光面爆破新技术与应用[J].工程爆破，2017，23（1）：81-84.

[5] 马芹永.光面爆破炮眼间距及光面层厚度的确定[J].岩石力学与工程学报，1997，1（6）：590-594.

[6] 张继春，潘强，郑爽英，等.特大断面公路隧道的光面爆破技术研究[J].爆破，2018，35（4）：52-57.FE2EA4C7-3244-48AE-9847-AEA3170429DE