翔安某项目超大跨度隧道三台阶+上台阶CD爆破施工技术

收稿日期：2024-01-05

作者简介：郝庆高（1986—），本科，工程师，研究方向：工程施工技术。

摘要 超大跨度隧道断面尺寸大，掌子面开挖时结构稳定性差，对爆破技术要求较高。为使超大跨度隧道爆破施工更加规范和安全，文章将以“翔安机场高速公路巷东隧道”为工程背景，对Ⅲ级围岩段大跨度隧道的三台阶+上台阶CD工法爆破作业进行研究。采取连续装药、间隔装药结构及不耦合装药三种装药结构，建立三台阶+上台阶CD工法典型断面的平面应变模型并对数值模型进行简化，分析左上、右上台阶先后多次爆破对围岩振动速度和损伤的影响规律。

关键词 巷东隧道；超大断面；三台阶+上台阶CD；施工技术

中图分类号 U455文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0132-03

0 引言

以超大跨度隧道三台阶+上台阶CD爆破施工为背景，提出相应的爆破施工思路、方案及解决办法，最终得到合理的装药结构、炮眼间距及最终效果，可以为施工人员开展大跨度隧道三台阶+上台阶爆破施工提供相应的指导帮助。

1 工程概况

巷东隧道左洞Z2K5+980～963段，原设计为Ⅴ级浅埋段，设计推荐工法为双侧壁工法。建模验算可行后，现将开挖工法变更为三台阶+上台阶CD法。地层岩性主要由粉质黏土、碎块状强风化岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩组成，该区段隧道围岩级别属Ⅲ级。大跨度扁平隧道的爆破掘进施工具有受力复杂、施工难度大、施工风险大等特点。因此，该爆破工程采用微震爆破和光面爆破等控制技术。

2 爆破设计及效果分析

2.1 施工方案

三台阶+上台阶CD施工顺序如图1所示：①上台阶左导坑超前支护。②上台阶左导坑开挖，上台阶左导坑初期支护及临时支护（每次开挖循环进尺均控制在60 cm）。③中台阶左导坑开挖，中台阶左导坑初期支护（每次开挖循环进尺均控制在60 cm，上下台阶掌子面间距小于18 m）。④上台阶右导坑开挖，上台阶右导坑初期支护。⑤中台阶右导坑开挖，中台阶右导坑初期支护。⑥下台阶左导坑开挖，下台阶左导坑初期支护。⑦下台阶右导坑开挖，下台阶右导坑初期支护。⑧拆除临时支护[1-2]。

隧道开挖采用钻爆法，以新奥法理论指导施工，光面爆破，炸药选用2号岩石硝铵炸药和乳化炸药（用于涌水地段），其规格为Φ25×200 mm（用于周边眼），Φ32×200 mm两种[3]。

图1 巷东隧道Ⅲ级围岩

三台阶+上台阶CD法支护设计图（cm）

2.2 爆破模型

采用Plaxis2D建立四孔爆破模型，对爆破动力参数和周边孔间距进行研究。假定隧道围岩为单一均质连续Ⅲ级围岩，采用理想弹塑性本构模型摩尔-库伦模型，可记录爆破过程中围岩超过破坏压应力和拉应力的状态。具体参数如表1所示。根据地勘报告抗压强度85.55 MPa，假定围岩黏聚力47.75 MPa，取抗拉强度的10%为抗拉强度。

通过模拟分析，周边孔间距600 mm为最优间距方案。

2.3 爆破设计

2.3.1 孔网参数的选择

炮孔直径取D=38～42 mm，设计进尺1 m，具体根据试爆和实际情况进行调整。孔排距如表2所示。炮孔数目公式：

N=3.3（ fS2）1/3 （1）

则每一掘进循环炮孔数目：

N=3.3×（16×251.382）1/3=331（个）

考虑光面爆破和多钻孔、少装药的施工方法，每一掘进循环炮孔数适当增加，具体数字根据试爆和现场情况确定。设计选用中心掏槽、周边辅助的方式进行爆破施工，分6个区域交叉掘进爆破施工，炮孔深度L=1.2 m。掏槽区域选用二级复式楔形掏槽孔。掏槽孔设计图，炮孔布置如图2所示。

表2 孔排距参数设计表

炮孔 孔排距

掏槽孔 排距b/cm 30～40 cm

孔距a/cm 80～90 cm

扩槽孔 孔距a/cm 70～80 cm

辅助孔 排距b/cm 70～80 cm

孔距a/cm 80～90 cm

周边孔 孔距a/cm 50～60 cm

底板孔 孔距a/cm 70～80 cm

图2 三台阶+上台阶CD法分部开挖法炮孔布置示意图

2.3.2 装药量设计

根据掘进断面方式分为6个区，其中上左和上右区域独立掏槽掘进，剩余4个区中下台阶爆破不设掏槽区，平均炸药单耗取q=0.8～1.2 kg/m3。

隧道掘进每循环进尺所需用总药量计算公式为：

Q=q·S·L·η （2）

隧道爆破装药量需根据不同部位炮孔所起的不同作用进行合理分配，其各部位的装药量如表3所示。该处设计值仅作为爆破参考值，施工中需结合试爆和实际情况适当调整各炮孔单孔装药量和总装药量。

表3 爆破炮眼分布及药量分配表

部位 雷管

段别 炮孔

名称 炮孔数/

个 炮孔

长度/m 装药

系数 单孔

药量/kg 单段

药量/kg

上左 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 扩槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 辅助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

8 辅助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

9 辅助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

10 辅助孔 4 1.2 0.4 0.48 1.92

11 辅助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

12 辅助孔 7 1.2 0.4 0.48 3.36

13 辅助孔 2 1.2 0.4 0.48 0.96

14 辅助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

15 周边孔 22 1.2 0.3 0.36 7.92

16 底板孔 14 1.2 0.6 0.72 10.08

小计 — 115 — — — 60.18

上右 1 掏槽孔 6 0.9 0.6 0.54 3.24

3 掏槽孔 6 1.6 0.6 0.96 5.76

5 扩槽孔 6 1.3 0.5 0.65 3.9

7 辅助孔 3 1.2 0.4 0.48 1.44

8 辅助孔 12 1.2 0.4 0.48 5.76

9 辅助孔 10 1.2 0.4 0.48 4.8

10 辅助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

11 辅助孔 13 1.2 0.4 0.48 6.24

12 辅助孔 11 1.2 0.4 0.48 5.28

13 辅助孔 8 1.2 0.4 0.48 3.84

14 周边孔 26 1.2 0.3 0.36 9.36

13 底板孔 15 1.2 0.6 0.72 10.8

小计 — 127 — — — 65.7

注：①以上爆破参数须根据试爆和现场实际情况进行调整，以达到最佳爆破效果。②若单段药量大于安全振速允许的最大单响药量，可增加雷管段位，降低最大单响药量。③爆破过程中需根据监测的爆破振动数据调整施工方案，振动速度过大，需采取措施减振。

2.4 围岩爆破影响

2.4.1 模拟分析

建立三台阶+上台阶CD工法典型断面的平面应变模型并对数值模型进行简化，分析左上、右上台阶先后多次爆破对围岩的振动速度和损伤的影响规律。假定隧道围岩为单一均质连续Ⅲ级围岩，采用理想弹塑性本构模型摩尔-库伦模型，可记录爆破过程中围岩超过破坏压应力和拉应力的状态。

爆破设计起爆顺序依次分为掏槽孔、扩槽孔、辅助孔、周边孔；数值模型中依照起爆顺序进行动力荷载的激活。根据爆破振动波频率特点和前期爆破施工经验，浅孔爆破时各段延期时间隔为10～50 ms，数值模型中取10 ms，具体各段爆破过程几何模型。

爆破动力荷载引起围岩压力和拉力的大幅增大，围岩在压力作用下发生局部破坏，辅助眼引起的破坏区厚度约为0.4 m，周边眼药量较小，厚度约为0.15 m，控制药量可以显著控制超挖范围。拉应力引起的围岩松动，上台阶拱部松动圈范围约为隧道洞壁外4 m内；上台阶底部松动圈范围约为下方4.5 m内。

2.4.2 监测结果

（1）沉降和收敛。为了取得三台阶+上台阶CD爆破施工影响情况，分别在隧道间隔5 m/断面，每个断面拱顶、两侧拱腰、下台阶及中隔墙处共布置8个点。

施工周期内，采集拱顶沉降量、净空收敛数据，分析得到沉降速率和收敛情况，如图3～4所示。

数据表明，施工周期内拱顶沉降量、沉降速率、净空收敛监测累计变化值和变化速率均在控制范围内，无明显异常，采用三台阶+上台阶CD爆破开挖代替双侧壁导坑法开挖对围岩稳定基本上无影响，方案可行。

（2）爆破振动和围岩应力。为了分析松动圈边缘受爆破荷载影响规律，设置拱部外侧距离隧道边界4 m位置左、右两个测点。

爆破振动影响呈现类圆形传播。在2.5 ms时，冲击波到距离洞壁6.44 m的围岩处，振动速度极值大部分处于14～25 m/s范围之间。右上台阶围岩受到已开挖的左上台阶的临空条件影响，振动速度极值显著小于左上台阶。

爆破动力荷载引起围岩压力和拉力的大幅增大，围岩在压力作用下发生局部破坏，辅助眼引起的破坏区厚度约为0.4 m，周边眼药量较小，厚度约为0.15 m，可见控制药量可以显著控制超挖范围。拉应力引起的围岩松动，上台阶拱部松动圈约为隧道洞壁外4 m范围内。

拱部松动圈边缘监测点第一主应力19.7 MPa远小于围岩抗压强度，处于安全范围；第三主应力接近抗拉强度8.55 MPa，因此，洞壁外4 m范围易于松动，可判定为松动圈，应进行锚杆加固。

综合监测数据，实际采用三台阶+上台阶CD爆破开挖所测得数据与模拟数据基本相符。

3 结语

该设计采取连续装药、间隔装药结构及不耦合装药三种装药结构，浅孔大于3.5 m可采用间隔装药结构，上下装药比例为1∶3，间隔段用黄土或钻粉堵塞密实；光面爆破采用不耦合装药结构。

三维模型左上台阶爆破时，在隧道横断面方向上获得破坏区、松动区与断面模型基本一致；在隧道前、后方向上，均未形成明显受压破坏区；左上台阶掌子面前方2 m范围为松动区，右上台阶受到左上台阶爆破作用下，前方1 m范围也出现部分区域拉伸塑性点。应注意合理设计左、右台阶步距，建议不小于5 m。

周边孔间距600 mm为最优间距方案。因为，间距500 mm和间距600 mm爆破作用下，均可以达到爆破要求（竖向破坏区贯通），水平破坏区范围均为215 mm。间距700 mm无法达到破坏要求，通过增加药量才可以达到破坏要求，但水平破坏区范围增加到351 mm，容易造成超挖。

参考文献

[1]蓝志杰. 军马场隧道富水段围岩稳定性分析及处置措施研究[D]. 昆明：昆明理工大学， 2019.

[2]陈国政， 孟陈祥， 万波， 等. 三台阶七步开挖法在超大断面扁平隧道的应用[J]. 价值工程， 2023（32）： 86-89.

[3]施有志， 柴建峰， 阮建凑， 等. 特大跨度隧道分部开挖爆破对既有隧道结构的影响[J]. 中山大学学报（自然科学版）， 2018（5）： 72-80.