预裂光面综合爆破在层理发育隧道中的应用

储宁吉 冯进 毕文生 谢运东 黄林

（中化学交通建设集团有限公司，山东 济南 250014）

1 工程概况

本文选取临沂至滕州公路施工四标段崮山隧道开展试验，通过与光面爆破效果对比，对超挖量、施工成本、安全、质量等进行了全面分析。

崮山隧道进口位于临沂市费县崮山东头村以南约210m处，出口位于崮山西头村以北约120m处。隧道左线起止桩号为ZA3K57+584～ZA3K58+491.5，长907.5m，进口设计标高158.57m，出口设计标高170.35m，最大埋深138m；右线起止桩号为k57+570～k58+496，长926m。隧道地质较复杂，岩体整体较破碎，结构面发育较好，结构面类型为节理、裂隙、层面，层间结合一般，为中、薄层状结构，岩体稳定性一般，左洞拱顶围岩较完整，右洞拱顶层理发育较破碎，层理发育较明显，拱部无支护时可能产生坍塌、冒顶，爆破开挖后，找顶过程中拱顶出现较大超挖，拱顶右侧局部出现“平顶”现象。集中降雨时，洞室可能出现点滴状或淋雨状出水。

2 爆破机理与预裂爆破原理

2.1 爆破机理

2.1.1 动力学理论

炸药爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的岩体，在岩体中激发成强烈的应力波。当应力波达到自由面时，从自由面反射而形成拉伸应力波，当拉伸应力波的强度超过岩体的极限抗压强度时，则产生拉伸片裂破坏作用。

2.1.2 静力学理论

炸药爆破时，会产生大量高温高压的爆生气体，当这种气体膨胀时所产生的压力作用在周围的岩壁上，会引起岩石质点的径向位移。由于作用力不等引起不同径向的位移，导致在岩石中形成剪应力，当剪应力超过岩石的极限抗剪强度时，会引起岩石的破裂。当爆生气体的推力大到一定程度时，则会引起岩石隆起、抛掷。

2.1.3 动力学与静力学联合作用理论

应力波拉伸破坏与爆生气体的推力、尖劈共同作用，根据岩体的性质不同，作用程度不同。在整体性较好、致密坚韧的岩体中，因其波阻抗较高，应力波传播性能好，岩石的破坏程度主要取决于应力波拉伸破坏作用；在围岩较破碎、完整性较差的岩体中，因其波阻抗较低，存在不同介质，应力波传播性能较差，岩石的破坏程度主要取决于爆生气体的作用。

2.2 预裂爆破原理

预裂爆破先于其他炮眼起爆，预先形成贯通裂缝，装药方式为不耦合间隔装药，利用导爆索或多发雷管等方式，实现传爆。待外圈辅助眼爆破时，爆生气体及应力波到达贯通裂缝时，因介质发生变化，应力波穿过不同介质，会发生较大的衰减，作用于围岩的应力将大大减弱，当应力波到达贯通裂缝时，因介质的改变，会发生反射作用，在相互叠加的作用下，破岩作用得到增强。一旦爆生气体到达贯通裂缝，会沿已形成的裂缝尖劈，减小对围岩的作用，且可以二次切割贯通裂缝。

3 工艺要点及难点

3.1 工艺要点

对测量人员开展技术交底，明确开挖轮廓线尺寸，确保轮廓线、孔位标注准确；严格对司钻工进行技术交底，保证周边眼外插角不大于2°；调整雷管段位，保证拱顶周边眼先起爆，掏槽眼、辅助眼、侧墙周边眼、底板眼再依次起爆；确保拱顶周边眼仅有孔口一个临空面，爆破效果不受制于抵抗线；预先在拱顶形成有效贯通裂缝，减小辅助眼对围岩的扰动；引导辅助眼破岩外的爆生能量，二次切割贯通裂缝，提高预裂效果。

3.2 工艺难点

拱顶周边眼贯通裂缝能否有效形成是重中之重，会直接影响整体爆破效果及超欠挖；拱顶处周边眼炸药单耗较光面爆破较大，炮眼间距较光面爆破较小，在保证炮眼间不欠挖的条件下，控制孔底超挖为关键所在。

4 光面爆破实施效果

4.1 左洞光面爆破效果

左洞ZA3K57+842段设计为Ⅳ级加强衬砌类型，衬砌厚度40cm，初期支护I18工字钢，喷射混凝土厚度24cm，设计预留变形量8cm。

图1 左洞设计断面图

施工中根据现场围岩情况及监控量测数据，预留5cm变形量，采取正台阶法开挖，实际开挖轮廓线如图2所示。钻孔前测量人员使用全站仪对掌子面开挖轮廓线实施放样，红油漆标注孔位，保证钻孔精度。

图2 左洞开挖轮廓线示意图

周边眼爆破参数为炮孔间距E=50 cm，最小抵抗线W=60cm，线装药密度q=0.25kg/m，炮眼密集系数m=0.83，周边眼采用MS-15非电毫秒导爆管雷管，孔内两发雷管实现间隔装药，左洞周边眼布置如图3所示。

图3 左洞周边眼布置示意图

左洞爆破开挖找顶后，扫描掌子面断面，掌子面断面图如图4所示。

图4 ZA3K57+842掌子面断面图

从掌子面断面图分析，该循环超挖控制较好，线性平均超挖10.8cm，每延米超挖2.22m3。最大超挖18.2cm，位于拱顶处，通过现场跟班作业分析后得出，主要原因为开挖台架高度偏低，作业人员钻孔作业困难，角度偏大导致。

分析现场掌子面实拍影像可知，拱顶处存在部分欠挖、挂口现象，虽有部分残孔，但孔间有炮茬，存在不同程度的超欠挖。总体来说，超挖较可控，但轮廓线形有待提高。

4.2 右洞光面爆破效果

右洞k57+789段设计为Ⅳ级加强衬砌类型，衬砌厚度40cm，初期支护I18工字钢，喷射混凝土厚度24cm，设计预留变形量8cm。设计类型、开挖轮廓线、炮眼布置与左洞一致。

右洞爆破开挖找顶后，扫描掌子面断面，示意图如图5所示。

图5 k57+815.3掌子面断面图

从掌子面断面图分析得知，此循环超挖较大，最大超挖27.7cm，位于拱腰处，拱顶超挖较严重，存在多处20cm以上超挖，通过计算，线性平均超挖19cm，开挖断面轮廓线弧长20.56m，每延米超挖3.91m3。经分析，拱顶围岩层理较发育，爆破效果受地质条件影响较大，孔底爆破漏斗过大，因围岩层理发育，爆生气体无法完全有效作用于岩体，且受到应力波不规则拉伸破坏，致使拱顶整体超挖严重。

分析现场掌子面实拍影像得知，拱顶处全面超挖，尤其拱肩处超挖较大，现场分析为水平层理岩层，开挖后线形尚可，找顶后掉块较严重，且围岩平整度较差。经分析，内圈辅助眼、周边眼对围岩的扰动过大，致使找顶后超挖严重。

5 预裂光面综合爆破实施效果

考虑左洞、右洞拱顶部分超挖较大，拟在拱顶处采用预裂爆破，侧墙按原爆破设计采用光面爆破，为保证预裂区与光爆区之间能有效形成贯通裂缝，设计在预裂区与光爆区之间打设空眼，深度与周边眼深度相同，起到导向作用。

5.1 左洞预裂光面综合爆破效果

左洞选取ZA3K57+845、ZA3K57+849段，设计衬砌形式、开挖工法、实际开挖轮廓线同ZA3K57+842段，实际预留量取5cm。

周边眼爆破参数为侧墙周边眼间距E=50cm，最小抵抗线W=60cm，线装药密度q=0.25kg/m，炮眼密集系数m=0.83，周边眼采用MS-15非电毫秒导爆管雷管，孔内两发雷管实现间隔装药；拱顶周边眼间距E=40cm，最小抵抗线W=50cm，线装药密度q=0.25kg/m，炮眼密集系数m=0.8，拱顶周边眼采用MS-1非电毫秒导爆管雷管，孔内两发雷管实现间隔装药，周边眼布置如图6所示。

拱顶预裂区周边眼线装药密度与其他周边眼相同，但因炮眼间距减小，总体炸药单耗提高。

图6 预裂光面综合爆破周边眼布置

左洞开挖找顶后，扫描掌子面断面，实际超欠挖如图9所示。

图7 ZA3K57+845掌子面断面图

分析掌子面断面得知，此循环超挖较光面爆破略有增大，最大超挖25.2cm，位于拱顶处，线性平均超挖13.6cm，每延米超挖2.8m3。采用预裂爆破后，平均线性超挖和最大超挖均增大，经分析，左洞拱顶岩体较完整，周边眼炮眼间距减小，炸药单耗提高后，炮孔间爆破漏斗重叠，应力波作用加强，导致较大超挖。

图8 ZA3K57+849掌子面断面图

从掌子面断面图分析，此循环超挖控制较好，最大超挖29.1cm，位于拱肩处，线性平均超挖12.6cm，每延米超挖2.59m3。同ZA3K57+845断面分析，均因炸药单耗增大所致。

分析现场掌子面实拍影像得知，拱顶处存在较大超挖，尤其是最大超挖达到30cm，经过数据收集与现场分析，主要原因为单耗增大所致，其次为司钻工打眼时外插角度过大所致。初步结论判断，预裂爆破不适用于岩体较完整的隧道。

5.2 右洞预裂光面综合爆破效果

右洞选取k57+794、k57+797段，设计衬砌形式、开挖工法、实际开挖轮廓线、炮眼布置、爆破参数等同左洞。

右洞开挖找顶后，对掌子面断面进行扫描，实际超欠挖见下。

从掌子面断面图分析，此循环超挖较小，最大超挖11.3cm，位于左拱肩处，线性平均超挖7.6cm，每延米超挖1.56m3。

图9 K57+794掌子面断面图

图10 K57+797掌子面断面图

分析掌子面断面图可知，此循环超挖控制较好，最大超挖18.5cm，位于右拱肩处，线性平均超挖9cm，每延米超挖1.85m3。

分析现场掌子面实拍影像可知，右洞爆破开挖后，炮孔残存率高，拱顶预裂区域达到100%，且超挖较小，较光面爆破超挖有所减小，但两个循环最大超挖均出现在拱肩处，此处为预裂区与光爆区结合处，应适当增大预裂区与光爆区的周边眼炮眼间距。初步结论判断，预裂爆破适用于层理发育的隧道。

6 施工成本比较

每循环进尺3.2m，拱顶区域光面爆破打设18个周边眼，预裂爆破打设22个周边眼，炮眼增加4个，雷管增加8发，炸药增加3kg。增减成本具体如表1所示。

表1 光面爆破与预裂光面综合爆破成本比较

7 开挖效果分析

左洞采用预裂光面爆破后，平均线性超挖由10.6cm增大至13.6cm、12.6cm，超挖由2.22m3增大至2.8m3、2.59m3，平均每延米超挖增大0.495m3，超挖率增大22.3%；左洞最大超挖由18.2cm，增大至25.2cm、29.1cm，且随机性较强，基本位于拱顶、拱肩处。

图11 左洞爆破效果对比图

右洞采用预裂光面爆破后，平均线性超挖由19cm减小至7.6cm、9cm，超挖由3.91m3减小至1.56m3、1.85m3，平均每延米超挖减少2.205m3，超挖率较小56.4%；右洞最大超挖由24.9cm，减小至11.3cm、18.5cm，且均位于拱肩光爆区与预裂区交界处。

图12 右洞爆破效果对比图

8 结束语

通过实践表明，预裂光面综合爆破技术可应用于层理发育隧道，但不适用于围岩完整隧道。

从整体效果来看，预裂光面综合爆破技术能有效减少拱顶处超挖，并可将线性超挖整体控制在10cm左右，最大超挖不超过20cm，爆破后掌子面围岩轮廓较好，圆顺平整，超挖率降低近60%，考虑因周边眼外插角度造成不可避免的超挖因素，此爆破技术已从很大程度上减少了超挖。

从成本来看，采取预裂光面综合爆破虽增加了炸药、雷管成本，但大大节约了喷射混凝土，每延米降低成本900元。同时减少了混凝土的总耗量，也减少了回弹量，按定额规定回弹20%来计算，节约成本180元，总体每延米降低成本1080元。

从进度来看，降低了超挖量，减少了出渣的时间，缩短了喷浆的时间，整体循环工效得到提升。

从安全来看，拱顶爆破炮痕保存率近100%，岩面圆顺，降低了拱顶掉块和地应力的集中，提高了安全系数。

从质量来看，岩面圆顺，可减少找顶时间，第一时间对围岩进行初喷，保证了应力的重分布，提高了整体质量。