浅谈软弱围岩隧道爆破开挖关键技术及安全管控

张恩增 ZHANG En-zeng；张英才 ZHANG Ying-cai

（河南理工大学土木工程学院，焦作 454000）

1 工程概况

新疆奎屯河是新疆天山北坡经济带西缘的一条主要河流，承担着近200 万亩农田的灌溉、供水任务，新疆奎屯河引水工程施工区地势南高北低，海拔500～4800m。引水工程隧道总长11.5km，南部依连哈比尔尕山为构造剥蚀高山—中山区，北部准噶尔盆地南缘为构造剥蚀低山区和向北倾斜的冲洪积平原区，且山区引水系统位于6.5级潜在震源区，因此，隧道几乎是在Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩中的。

其中，Ⅳ类围岩隧道开挖最大直径6.2m，高6.25m，直墙高3.15m，顶拱开挖半径为3.1m，衬砌厚0.5m；Ⅴ类围岩，开挖最大直径6.4m，高6.45m，直墙高3.25m，顶拱半径为3.2m，衬砌厚0.6m；洞身采用钢筋混凝土衬砌。

2 软弱围岩地质特点及潜在危害

①地质特点。首先，软弱围岩通常岩体破碎，使得粘结力较弱，再加之该类围岩多由土层、风化层组成，因此，隧道洞身在开挖后，仅凭借微弱的胶结与颗粒摩擦作用成拱，极不稳定，特别是浅埋地段，极易发生坍塌；其次，软弱岩体通常多为片岩、泥岩、页岩、炭质岩等软质岩，这使得隧道围岩质地较软，强度较低，且这种质地遇水极易软化，稳定性不高，这样开挖后，隧道洞身极易变形，向内挤压，特别是在深埋地段；第三，被切割分解后的块状软弱岩体，抗压度低、抗拉应力和粘性力都较低，再加上质地较软，因此，隧道洞身开挖后，极易滑塌，保留围岩也较易产生变形。

②潜在危害。首先，由于软弱围岩自身渗水性能较差，采用注浆加固方法来处理变形的时候，其固结的速度是极为缓慢的，因此，较易发生还没有达到固结强度就滑塌的情况，这就使得隧道结构的工程整体稳定性和安全性受到威胁。其次，软弱围岩使得隧道洞身开挖后保留体在隧道施工过程中引起支护变形的可能性也较大，这种情况主要出现在浅埋地段，如果没有有效的后续巩固措施就难以进行防护，出现局部塌方。还有，断层破碎是软弱围岩开挖风险程度最大的地分，自身的稳定性严重不足不说，该区域还会伴存着大量的地下水，极易出现塌方和透水事故。

3 爆破开挖对软弱围岩岩体稳定性的影响分析

软弱岩体中的隧道开挖后，会在岩体中形成新的自由面，这样，原本处于高应力作用下的软弱围岩，就会向新的自由空间变形或移动，使得软弱围岩的自稳能力不断减弱。

目前，隧道的开挖仍较多的采用钻爆法。因此，在反复爆破开挖过程中，爆破应力波的多次叠加扰动影响下，围岩向开挖形成的洞身变形的速度会进一步加快，岩体的损伤也进一步加强，最终轻则会造成超挖和欠挖、重则可能会导致塌方和冒顶。

3.1 岩石爆破开挖作用理论分析

想要研究施工过程中爆破对围岩及周边设施产生的振动损伤，就要了解岩石在爆破作用下的破碎本质。由于炸药的爆炸过程表现出高温、高压且快速的特点，所以，岩石在炸药爆破作用下的破碎过程十分短暂，并且受到各种复杂地质及施工因素的影响，岩石在炸药爆破作用下的破碎过程复杂多变，因此，想要研究岩体在炸药爆破作用下的破碎机理是十分困难的。经过无数学者的探讨和研究，出现了一些理论体系、计算模型，虽尚未有统一的炸药爆破作用下的岩石破碎理论，但形成的以爆炸冲击应力波反射拉伸作用、爆生气体膨胀压力作用、爆炸冲击应力波和爆生气体共同作用为主的三种理论，基本反映了炸药在岩石爆破过程中的基本规律。

爆炸冲击应力波反射拉伸作用理论以动作用理论为基础，主张岩石破坏是炸药爆炸时产生的爆炸应力波，在岩体自由面上反射，形成的反射拉应力波将岩石拉断。这种理论主要考虑拉应力波在自由面的反射拉伸作用，对压应力、拉应力和压应力波的环向作用未进行考虑，对爆生气体考虑也仅限于岩石抛掷和辅助破碎的作用，忽略了爆轰气体在岩石破碎中的主要作用。

爆生气体膨胀压力作用理论以静作用理论为基础，主张岩石破坏是炸药爆破时，产生了具有高温高压特点的爆轰气体，对周围岩壁膨胀压力作用造成的岩石破碎。这种理论主要考虑爆生气体的高温、高压的荷载作用，忽略了爆炸冲击波和应力波在岩石破碎中的主要作用。

爆炸冲击应力波和爆生气体膨胀共同作用理论主张岩石爆破破碎是爆破冲击应力波和爆生气体共同作用，达到岩石破碎效果，是绝对不能分开单独作用的，二者只是在不同爆破阶段和不同波阻抗岩石中起到的作用不同。这种理论综合考虑了冲击应力波和爆生气体在岩石破碎过程的作用，是较为客观且符合实际的，因此被学术界普遍接受。

3.2 软弱岩体爆破开挖理论分析

上述三种理论为简化分析，均将岩石视为均匀介质，且只分析了单自由面情况下爆破过程，具有局限性。在实际施工过程中，遇到的岩体都是不均质的，岩体中存在大量的节理裂隙，而且走向各异。

弹塑性理论以弹塑性力学为基础，将岩石视为均匀、连续且各向同性的介质，以动抗拉强度作为岩石破坏标准，认为岩石破坏是由炸药爆炸后，产生的动态荷载作用超过岩石的动抗拉、抗压强度造成的。断裂力学理论将岩石看成脆性材料，认为岩石中存在初始微裂纹，炸药爆破后，岩石是在初始微裂纹的基础上进一步扩展和破坏的。在损伤力学理论中，将岩石视为脆性损伤材料，认为岩石中存在大量的初始微裂纹等缺陷，并且不规律分布。

软弱围岩岩体受软弱围岩结构面的影响，具有各向异性及显著的非线性，其破坏机理与普通岩体具有明显差异性，这也是软弱围岩岩体爆破效果差，易造成安全事故原因。

4 软弱围岩爆破开挖关键技术

综上分析，在软弱围岩隧道施工过程中造成超欠挖是在所难免的，设计采用弱爆破开挖法。其主要控制措施表现是：

①光面爆破采用不耦合装药或空气柱间隔装药，降低了炸药爆炸对炮孔壁的冲击，但是，仍会对保留岩体的长期稳定与安全产生影响。

②减小一次开挖循环进尺，将爆破开挖循环一次进尺控制在2.0~2.5m，以减小一次起爆药量，从而减轻爆破对保留围岩的扰动影响。

③再辅以快清渣和早初支，就是爆破后立即快速完成清碴和初其支护，以最小时限对变形围岩进行变形控制。

④此外，对钻孔精准度的要求提高，对周边孔线装药密度的把控等，也可以减少对围岩的振动和破坏。

Ⅴ类围岩爆破方案设计，循环进尺取为2.0m，掏槽孔深2.2~2.3m，其他炮孔深度取1.8~2.0m。

①在隧洞掌子面中心线两侧1.5m 处设置第一排掏槽孔，两侧各3 个炮孔，垂直布置，孔间距为0.9m；在第一排掏槽孔外0.45m 左右设置第二排掏槽孔，两侧各2 个炮孔，孔间距为0.9m；在第二排掏槽孔外0.5m 左右设置第三排掏槽孔，两侧各3 个炮孔，孔间距为0.9m。

②在掌子面上部设置两排辅助孔，下派孔数为2 个，孔间距为1.1m；上排孔数为4 个，孔间距取0.7m，增强底板孔爆破效果。

③周边孔沿隧道轮廓两侧及拱顶均匀布置一圈，孔间距为0.5m；在底板段设置周边孔数为5 个，间距为1.1~1.2m。

④数码电子雷管，设计段别为5 段，每段别延迟为50ms。

炮孔总数为50 个，雷管50 发，导爆索100m，总装药量48kg，最大单段药量14.4kg，掏槽眼药量21.6kg，开挖断面36.88m2，炸药单耗0.651kg/m3。

具体炮孔布置如图1 所示，爆破参数如表1 所列。

表1 Ⅴ类围岩爆破参数

图1 Ⅴ类围岩爆破方案（单位：cm）

5 软弱围岩爆破开挖安全管控技术

结合前文对本隧道工程的阐述，软弱围岩隧道开挖施工中的核心问题是对爆破开挖引起的变形的控制，以及对可能出现的塌方进行的预防。所以，对爆破开挖方法必须进行合理性优化确定，在此基础下，对软弱围岩隧道的施工必须围绕变形控制开展，这样才能确保隧道的顺利掘进。因此，开挖施工中必须做好以下几点，提前设防，防止坍塌，确保安全。

①增设临时支护。软弱围岩岩体整体具备不稳定性，若其再度被爆破开挖后处于支护前的悬空状态时，则其稳定性将会持续大幅降低。因此，针对此类地层的隧道爆破开挖施工，必须采用落地开挖技术，就是在实际开挖前，对断面提供一个临时支护结构，以阻止拱脚下沉过大或过快。

②进行围岩加固。针对III 类以下隧道围岩，施工时多采用高压灌浆技术来增强和改善施工影响范围内的围岩结构，通过增强软弱围岩的强度与硬度来大幅提升围岩周围结构的稳定性。同时，钻爆施工作业人员在实际的施工过程中要根据试爆来确定最终参数选取，尽可能减少爆破震动对周边围岩的扰动。

③采用超前勘探。在软弱围岩隧道正式施工前，必须采用超前钻孔，并辅以地质雷达、地质素描等物探手段进行超前地质预报，对探得的信息进行分析，以获取施工区域及前方岩体的陷穴、塌滑的准确情报，便于爆破开挖时针对不同的地质情况采用相应的技术措施，必要时可会同设计单位一同进行。

④超前导管支护。浅埋段隧道施工，在开挖前，通常会采用超前小导管预支护、超前小导管注浆预支护、超前锚杆预支护、超前大管棚、高压旋喷桩等超前支护措施，本工程的开挖施工中，设计“弱爆破、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，稳扎稳打，步步为营，确保了隧道开挖质量和施工安全。

⑤加强围岩监测。监控量测是判断隧道围岩及结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工最重要的信息化手段。监控量测主要包括拱顶下沉和水平收敛，浅埋段应进行地表沉降量测。同时，要增加量测频率，随时注意围岩动态，并派专人负责，尤其是在爆破时间段，务必加强安全警戒，采取预防措施，防止突发事件发生。

6 软弱围岩爆破开挖安全管控措施

①加强软弱围岩隧道爆破开挖方案审批及动态跟踪监管。软弱围岩地质条件复杂，施工工序繁多，工艺要求严格，因此，对软弱围岩隧道施工的技术方案必须严格执行审批，如方案中对地质情况的分析，方案中对爆破参数的选择，方案中对变形的监测预防措施，方案中对事故的应急处置等方面。

②加强精细管理，精益求精地施工来控制施工安全质量。

一是新，就是要从模式上、管理上进行创新；

二是准，就是要从策划上、执行上做到精准；

三是智，就是要从沟通上、索赔上发挥智慧；

四是严，就是要从合同上、考核上严格管控；

五是细，就是要从目标上、责任上细化到点；

六是实，就是要从技术上、组织上狠抓落实。