中风化泥质砂岩隧道“缓冲爆破+机械扩挖”施工技术分析

李元刚

（中铁建城建交通发展有限公司，江苏 苏州 215151）

0 引言

近年来，我国西部地区交通基础建设发展迅速。由于西部地区山川起伏、地形地势条件复杂多变，交通基础建设涉及大量隧道工程需要修建。建设中，各种复杂地质情况层出不穷，其中比较有代表性的一种就是中风化泥质砂岩地层，其结构松散，稳定性差，遇水软化，在施工中易发生坍塌、流沙现象[1-2]。针对此类围岩情况，合理的隧道施工技术不仅能提高工效、降低成本，更能确保施工期间的安全性，提高施工质量，减少运营期间安全隐患，因此对此类隧道开展开挖施工技术的研究十分必要。杜瑞锋等[3]通过室内试验研究了泥质砂岩动弹模阻尼及能量耗散特性，为研究爆破扰动作用下的泥质砂岩岩土性质提供了基础。薛光[5]认为在泥质砂岩隧道换拱作业时，宜采取微型爆破，必要时辅以破碎锤。曹宗军[4]依托重庆江习高速公路四面山特长隧道，介绍了水压爆破技术在泥质砂岩隧道中的应用，实践中也达到了降尘、节约炸药的效果。在陇漳高速公路十里铺隧道开挖工程中，针对中风化泥质砂岩隧道应用了“缓冲爆破+机械扩挖”施工技术，本文对该施工诗句的实践经验和施工效益进行总结分析，以期为相关工程提供参考。

1 工程概况

十里铺隧道进口位于陇西县菜子镇南十里铺村附近，出口位于巩昌镇西十里铺村附近，隧道右线长1920m，左线长1905m，为左右行分离式的双洞长隧道。洞身最小埋深25m，最大埋深210m，全隧围岩级别为V级。

隧道洞口段覆盖层为冲积黄土，洞身段围岩以中风化泥质砂岩为主，棕红色，砾状结构，层状构造，原岩结构部分破坏，岩体风化剧烈，岩质软，可掰碎，遇水易软化、崩解，岩体结构松散，岩层单轴极限抗压强度2.1～11.9MPa，围岩自稳能力一般，侧壁相对较稳定，上覆风积黄土。地下水主要分布于隧址区基岩节理、裂隙及岩层层面裂隙中，开挖时，以面状滴水为主，局部出现线流现象。

2 “缓冲爆破+机械扩挖”作业区域划分

中风化泥质砂岩隧道围岩强度较低，自稳能力一般，遇水易软化。若采用常规爆破方式作业，极易对掌子面及开挖轮廓线外岩体造成剧烈扰动，使其强度大幅降低、稳定性产生极大破坏，此外隧道洞身穿越道路、沟道段，埋深较浅，施工中存在较大的安全隐患。缓冲爆破是减轻或避免爆破对开挖轮廓面以外岩体造成破坏的一种爆破方法，采取缓冲爆破方式，既能更好地保护开挖轮廓线外岩体的稳定性，又能有效控制该区段地表沉降，确保邻近构筑物安全，并能保持开挖轮廓线平滑，隧道超欠挖控制在10cm以内。

针对十里铺隧道泥质砂岩情况，将掌子面开挖方式分为爆破作业区与机械扩挖作业区（如图1 所示），爆破作业采用缓冲爆破方式[6]以降低爆破震动效应，环向预留部分岩体采用机械扩挖。目的是充分发挥围岩自身的承载力，力求开挖断面规整圆顺，严格控制超欠挖，避免应力集中。

图1 掌子面开挖方式作业区域划分

3 “缓冲爆破+机械扩挖”施工方案

3.1 缓冲爆破设计

为降低隧道开挖爆破对开挖轮廓线以外岩体的扰动，主要从降低爆源的爆破震动强度和干扰爆破地震波的传播两方面采取措施。具体为：确定合理的开挖进尺、降低炸药单耗、降低单段最大装药量、微差爆破、干扰导向地震波的传播路径等。

3.1.1 开挖进尺

根据围岩的特性及自稳能力来确定合理的开挖进尺，从而减弱爆破对开挖轮廓线以外岩体的扰动。隧道开挖进尺的增加意味着一次性起爆药量的增多，爆破震动效应增强。但如果进尺过短，震动效应虽然减弱，却会严重影响施工进度，延长工期。

3.1.2 降低炸药单耗

为了达到降低炸药单耗、减弱爆破震动效应的效果，掌子面爆破作业区域采取加强松动爆破方式，以形成可见的爆破漏斗并产生少量抛掷作用，炸药单耗取值0.3～0.6kg/m3。以十里铺隧道为例，隧道开挖进尺为2m，开挖方量为122m3，总装药量为50kg，综合炸药单耗为0.41kg/m3，其中掏槽眼与底眼爆破区域炸药单耗为0.54kg/m3，其他爆破区域炸药单耗为0.32kg/m3，如图2所示。

图2 炮孔布置及网络连线示意图（单位：cm）

3.1.3 微差爆破

采用微差爆破方式，由于微差爆破显著地减小了一次性起爆药量，原来同时起爆药量在时间上得以分散，因此爆破地震能量在时间和空间上也得以分散，震动效应大大降低。同时前后两级爆破产生的地震波还会相互干扰，削弱地震波强度，减轻地震波对开挖轮廓线外岩体稳定性的破坏。

3.1.4 复式掏槽，分级起爆

将大楔形掏槽结构改为复式小楔形掏槽[7]结构，降低单段一次性起爆装药量。如图2 所示，将一次掏槽方式分为掏槽眼与二架掏槽眼，分两级起爆，同时前一级掏槽爆破为后一级爆破提供临空面，爆破振动强度降低，爆破效果提高。

3.1.5 缓冲爆破

开挖轮廓线区域采取缓冲爆破方式。开挖轮廓线打设缓冲孔，底板与边墙夹角1m 范围内装药，其余不装药。沿开挖边界布置密集的周边眼，使得地震波环向切割岩体，从而形成预裂缝，此时主爆区正常爆破的地震波在裂缝面上会产生较强的反射，大大减弱透过裂缝的地震波强度，从而减轻地震波对开挖轮廓线外岩体稳定性的破坏。

3.1.6 预留岩体

主要利用爆破压缩应力波与爆生气体使机械开挖作业区内的岩体产生裂隙，降低岩体强度与整体性，后期利用机械进行修边。经现场多次试验，确定十里铺隧道裂隙区岩体预留层最佳厚度为70～90cm。

3.1.7 爆破参数

以十里铺隧道上台阶进尺2m 为例，围绕缓冲爆破理念展开爆破设计。炮孔布置及网络连线如图2 所示，爆破参数见表1。

表1 爆破参数表

3.2 机械修边

3.2.1 挖机改装

为提高工作效率，对挖机进行改装，增加快速连接器（见图3所示）和用于周边机械开挖修边的松土器（见图4所示），可在10s内完成挖斗与松土器的转换。

图3 快速连接器

图4 松土器

3.2.2 机械扩挖修边

爆破一次出渣后，利用激光红外线辅助控制，挖机与松土器对周边进行机械扩挖与修边。

4 工艺效果及施工效益分析

4.1 工艺效果

经调整后的开挖工艺，隧道超挖可控制在10cm 以内，开挖轮廓线圆顺，且无爆破裂缝，避免了因超欠挖导致的应力集中。型钢拱架架设后，去除4cm外保护层厚度，超挖值可控制在1～5cm。

4.2 施工效益分析

4.2.1 成本大幅降低

十里铺隧道采用“缓冲爆破+机械扩挖”施工方案后，施工成本降低明显，主要体现在：

（1）喷射混凝土超耗量大幅降低。

V级围岩架设型钢拱架施工，喷射混凝土超耗主要包含超挖损耗与回弹损耗两方面因素，而喷射混凝土回弹率又随着喷混凝土厚度增加而增大，所以控制超挖是解决喷混凝土超耗的主要措施。

目前V 级围岩架设型钢拱架施工喷射混凝土超耗率普遍在100%，而十里铺隧道在采取上述工艺后喷混凝土超耗率最低可控制在38.7%，平均超耗率为48.2%。现对该隧道连续40m喷混凝土超耗情况进行统计，具体见表2所示。

表2 十里铺隧道喷射混凝土超耗统计

十里铺隧道全长3825m，喷射混凝土成本约850元/m3，每延米喷混凝土约6.85m3，全隧可减少因过度超挖造成的经济损失约为11536410元，计算如下：

850×6.85×(100%-48.2%)×3825=11536410元。

（2）火工品耗材成本降低。

软岩隧道常规爆破炸药单耗普遍为0.8kg/m3，而采取上述工艺后炸药单耗降低至0.41kg/m3。以陇漳高速公路十里铺隧道为例，隧道全长3825m，炸药单价约12000元/t，每延米开挖方量约105m3，每千米可节约炸药成本约为2120580元，计算如下：

12000÷1000×105×(0.8-0.41)×3825=1879605元。

4.2.2 安全、质量、进度大幅提升

十里铺隧道采用“缓冲爆破+机械扩挖”施工方案的后，施工效果明显提高，主要体现在：

（1）爆破后机械开挖修边时长约1h，常规爆破修边约0.5h，单工序时长增加0.5h。但每循环减少了因过度超挖而导致的喷混凝土作业时长约1～1.5h，总体计算，工效增加。

（2）因型钢拱架背后无过度超挖，因此能确保初期支护无空洞，质量得到保证。

（3）因周边眼未进行装药，裂隙区岩体预留层厚根据围岩变化而随时调整，将爆破作用半径与开挖轮廓距离大大增加；同时缓冲孔的打设，降低了施工爆破对开挖轮廓线外岩体的扰动，提高了开挖掘进的安全系数。

5 结束语

综上所述，中风化泥质砂岩强度较低，无水状态下，自稳能力一般，遇水急剧软化。爆破施工时，必须减弱爆破震动效应对开挖轮廓线外岩体稳定性的破坏。陇漳高速公路十里铺隧道开挖工程的实践证明，采用“缓冲爆破+机械扩挖”开挖技术不仅从工效方面加快施工进度，而且在节约成本方面有显著的经济效益，能确保施工期间安全性，提高施工质量，减少运营期间安全隐患。该开挖技术对类似围岩强度较低的隧道开挖有一定的借鉴意义。