西南地區(qū)軟硬互層巖隧洞爆破參數(shù)優(yōu)化研究

王晨浩， 李濤， 林作章， 李曉超

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222；2.云南建投第一水利水電建設(shè)有限公司，昆明 650599）

0 引言

隧洞施工根據(jù)開挖方式可分為鉆爆法、盾構(gòu)法和掘進機法。鉆爆法施工工序簡單、開挖成本低、對圍巖條件適應(yīng)性強，因而成為當前國內(nèi)外最為常見的隧洞施工方法。鉆爆法隧洞爆破是以鉆孔、爆破工序為主，配以裝運機械出碴，完成隧洞施工的方法，應(yīng)用于各類軟硬圍巖隧洞施工中，尤其是長度較短、斷面較小的水工隧洞施工。鉆爆法隧洞爆破通過參數(shù)優(yōu)化達到保障圍巖穩(wěn)定、控制圍巖超欠挖及提高施工速度的目的。

文中以分析西南地區(qū)軟硬互層圍巖的水工隧洞鉆爆破法爆破設(shè)計試驗實例為切入點，調(diào)整對比優(yōu)化爆破設(shè)計參數(shù)，總結(jié)軟硬互層沉積巖爆破設(shè)計經(jīng)驗，為類似爆破工程設(shè)計、爆破參數(shù)優(yōu)化、施工管理、成本控制提供有價值的參考，展望爆破發(fā)展趨勢與方向。

1 隧洞爆破基礎(chǔ)

1.1 隧洞爆破簡介

調(diào)整掏槽孔、輔助孔和周邊孔是光面爆破設(shè)計優(yōu)化重要一環(huán)。掏槽孔是后續(xù)爆破效果能好的基礎(chǔ)，直接影響隧道爆破的循環(huán)進尺和掘進效果，決定輔助孔的自由面；輔助孔在爆破隧洞圍巖中起到擴大掏槽效果的作用，決定后續(xù)爆破新的自由面；周邊孔是決定隧洞超挖、欠挖大小和原始圍巖損害程度的關(guān)鍵因素[1，2]。

炮孔方向可以與作業(yè)面垂直或傾斜，在有明顯的裂縫或?qū)永頃r，炮孔應(yīng)與巖石裂縫或?qū)永泶怪被蛐苯唬M量避免平行層理和鉆入裂隙，掏槽可利用裂縫、層理[3]。

1.2 爆破參數(shù)

炮孔爆破參數(shù)設(shè)計是決定隧洞爆破效果、質(zhì)量的重要參數(shù)，涉及掏槽方式，掏槽孔斜率，炮孔深度、數(shù)目、孔距及直徑，裝藥直徑，單位巖體炸藥用量、單孔裝藥線系數(shù)，周邊孔裝藥不耦合系數(shù)，起爆段差、聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。

誘變育種是目前最常用的藻種獲取手段，包括物理誘變和化學誘變。物理誘變常用的誘變輻射源包括紫外線、半導(dǎo)體激光等各種射線、微波或激光；常用的化學誘變劑種類有烷化劑、核酸堿基類似物等[8]。研究者們已將誘變育種用于培育高脂質(zhì)含量的藻種，并取得了一定的效果[9]。誘變育種操作可以方便、快捷地篩選到具有優(yōu)良性狀的藻株，但優(yōu)良性狀的誘變機理尚不明確，表現(xiàn)型不穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場掘進條件（圍巖情況、斷面情況等）及爆破參數(shù)相互關(guān)系，結(jié)合實際炮孔利用率、四壁超欠挖效果、破碎圍巖塊度等情況，為達到更優(yōu)、更適宜爆破效果及質(zhì)量，從而達到優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)的目的[4]。

隧洞爆破后還需考慮：爆破后圍巖面應(yīng)圓順平整，超挖量控制在10cm以內(nèi)并不欠挖；無破壞圍巖原始結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生明顯裂縫，無較大浮石，炮孔利用率達到90%以上；炮孔殘留痕跡需均勻分布在開挖面上并有一定的痕跡保留率（硬巖≥90%，中硬巖≥70%，軟巖≥50%）；相鄰兩孔間需保持巖面平整，孔壁無明顯裂隙，臺階形出現(xiàn)誤差≤150mm。

我國在GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》中，對周邊建筑物安全采用安全允許振動速度進行爆破安全評價[5，6]，見表1、表2。

表1 部分建筑物爆破振動安全允許標準

表2 新澆大面積混凝土（C20）爆破振動安全允許標準

爆破振動采用質(zhì)點振動速度測點進行監(jiān)測，每個測點布置豎直向、水平徑向和水平切向（垂直于水平徑向）3個方向的傳感器。

1.3 爆破試驗概況

工程隧洞為4.5m×5m城門洞型，隧洞圍巖為互層狀微風化砂巖、頁巖，頁巖單軸飽和抗壓強度為9.83～13.4MPa，屬較軟巖，砂巖單軸飽和抗壓強度為37.64～42.6MPa，產(chǎn)狀NE70°，NW∠40°，洞向為NE230°，與隧洞斜交，夾角為40°，圍巖自穩(wěn)定時間短，屬不穩(wěn)定，判定為Ⅳ類圍巖，如隧洞圍巖應(yīng)力見圖1。

圖1 隧洞圍巖應(yīng)力

2 爆破試驗布置

根據(jù)炮孔布置圖，由測量人員在開挖掌子面上將各炮孔位置做好標記，鉆孔采用4臺TY-28手風鉆鉆進，鉆孔過程中隨時對鉆孔深度和斜率進行檢測，嚴格控制炮孔的深度和角度，以便及時糾偏。爆破試驗采用“光面鉆孔-人工裝藥-非電微差雷管起爆-裝載機裝車-自卸車出渣外運-錨桿錨固-掛鋼筋網(wǎng)后噴混凝土支護”的流程進行。

根據(jù)每次爆破完成后的效果及時調(diào)整炮孔的間距和裝藥量；出渣完成后，根據(jù)開挖輪廓線規(guī)則程度、巖面平整度及超欠挖情況、殘孔率調(diào)整周邊光爆孔的間距和裝藥量、裝藥起爆形式；根據(jù)底板超欠挖情況來調(diào)整底孔間距和裝藥量及預(yù)留量。

每次爆破時，在距離掌子面20m處左側(cè)洞壁、底板、右側(cè)洞壁中部等3處混凝土，布置質(zhì)點振動速度測點（即監(jiān)測測點1～3），監(jiān)測爆破振動效果。

2.1 第1次爆破試驗

（1）爆破基本參數(shù)：孔徑D=42mm；炮孔深度：掏槽孔L=2.5m，八字型掏槽，傾角32°～35°；崩塌孔L=2.2m，輔助孔L=2.2m，周邊孔L=2m；藥卷直徑d=32mm；周邊孔不耦合系數(shù)з=1.31（炮眼直徑與藥包直徑的比值）；周邊眼孔距a=50cm；最小抵抗線（光爆層厚度）W=0.8～1m；線裝藥密度：掏槽孔QL=0.2kg/m；崩塌孔QL=0.2kg/m；輔助孔QL=0.2kg/m，周邊孔QL=0.225kg/m，爆破試驗炮孔布置見圖2、圖3。

圖2 第1次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

圖3 爆破試驗掏槽孔、周邊孔布置圖（單位：m）

（2）鉆孔布置：炮孔設(shè)掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔19～32號、周邊孔33～60號、底孔61～64號。掏槽眼比其他炮眼加深50cm，周邊孔孔口間距50cm，掏槽孔向內(nèi)稍斜（32°～35°），周邊孔的孔口在斷面設(shè)計輪廓線內(nèi)5cm處；輔助孔間距300～900mm，上稀下密，中部均勻分布。

（3）裝藥：裝填炸藥藥卷直徑均為32mm。掏槽眼單孔裝藥量1.2kg，共計8孔，共裝藥9.6kg；崩落孔單孔裝藥量0.6kg，共計10孔,共裝藥6kg；輔助孔單孔裝藥量0.6kg，共計14孔，共裝藥8.4kg；周邊孔采用軸向不耦合裝藥，單孔裝藥量0.45kg，共計25孔，共裝藥11.25kg；底眼單孔裝藥量0.9kg，共計4孔，共裝藥3.6kg。累計裝藥量：38.85kg。雷管選擇：采用四序起爆，掏槽眼1～8號選用1段非電雷管；輔助孔（崩落孔）9～18號選用3段非電雷管；輔助孔（崩落孔）19～32號選用5段非電雷管；周邊孔和底孔33～61號選用7段非電雷管。各孔采用導(dǎo)爆管并聯(lián)，并與起爆雷管串聯(lián)。起爆雷管采用兩枚即發(fā)電雷管。起爆聯(lián)結(jié)線路，如圖4所示。

圖4 起爆聯(lián)接線路

（4）爆破效果：圍巖巖體穩(wěn)定條件較差，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、破碎、局部夾泥，層間結(jié)合差；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱及左上方塌方較多，殘孔率5%左右，洞渣最遠拋擲距離35m見圖5；周邊混凝土監(jiān)測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.21、0.29、0.57cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構(gòu)）筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響。

圖5 第1次爆破后隧洞成型

2.2 第2次爆破試驗（與第1次爆破試驗相比）

（1）爆破基本設(shè)計參數(shù)和第1次爆破試驗相同。

（2）鉆孔周邊孔孔距a=50cm調(diào)整為40cm，底孔僅布置在兩側(cè)，對中部進行一部分預(yù)留，即掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔19～32號、周邊孔33～64號、底孔65～68號。調(diào)整后爆破試驗炮孔布置見圖6。

圖6 第2次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

（3）單孔裝藥量不變，根據(jù)實際炮孔進行裝藥，即周邊孔由25孔變?yōu)?2孔，裝藥量由11.25kg調(diào)整為14.4kg。累計裝藥量為42kg。雷管選擇：采用四序起爆（僅周邊孔和底孔33～68號選用7段非電雷管，其余均與第1次爆破試驗一樣）。

（4）爆破效果：圍巖巖體穩(wěn)定條件較差，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，破碎，局部夾泥，層間結(jié)合差；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱及左上方存在30cm厚掉塊，右側(cè)有少量超挖，殘孔率約8%，洞渣最遠拋擲距離32m，爆堆塊度普遍直徑20～40cm，適宜扒渣機裝渣見圖7。周邊混凝土監(jiān)測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.32、0.25、0.47cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構(gòu)）筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響。

圖7 第2次爆破后隧洞成型圖

2.3 第3次爆破試驗（與第1次爆破試驗相比）

（1）爆破基本參數(shù)僅周邊孔線裝藥密度QL=0.225kg/m調(diào)整為0.15kg/m。

（2）鉆孔周邊孔孔距a=50cm調(diào)整為40cm；底孔僅布置在兩側(cè)，對中部進行一部分預(yù)留，掏槽孔間距由1.88m調(diào)整為1.28m，即掏槽孔1～8號、崩落孔9～18號、輔助孔 19～32號、周邊孔 33～64號、底孔 65～68號。調(diào)整后爆破試驗炮孔布置如圖8。

圖8 第3次爆破試驗炮孔布置圖（單位：m）

（3）單孔裝藥量不變，根據(jù)實際炮孔進行裝藥，即周邊孔由25孔變?yōu)?2孔，單孔裝藥量0.45kg變?yōu)?.3kg，裝藥量由11.25kg調(diào)整為9.6kg。累計裝藥量：37.2kg。雷管選擇：采用四序起爆（僅周邊孔和底孔33～68號選用7段非電雷管，其余均與第1次爆破試驗一樣）。

（4）爆破效果：圍巖巖體穩(wěn)定條件較差，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育、局部夾泥、層間結(jié)合差，拱頂右側(cè)有煤線層；隧洞采用全斷面開挖，放炮后隧洞斷面成型差，頂拱右側(cè)存在20cm厚掉塊，右側(cè)邊墻局部超挖0.1～0.2m超挖，邊墻呈鋸齒狀，殘孔率10%左右，洞渣最遠拋擲距離30m，爆堆塊度普遍直徑約20～40cm，適宜扒渣機裝渣見圖9。周邊混凝土監(jiān)測測點1～3的最大爆破振動速度分別為0.36、0.45、0.41cm/s。實測爆破振速低于爆破振動安全允許標準。爆破振動沒有對周圍建（構(gòu)）筑物和設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響，地表無新增裂隙，表明爆破對周圍建（構(gòu)）筑物影響極小。

圖9 第3次爆破后隧洞成型圖

3 試驗分析

（1）隧洞采用全斷面開挖形式，周邊成型采用光面爆破施工，每循環(huán)控制在2m范圍內(nèi)，巖層破碎或自穩(wěn)性差時隨挖隨襯；巖層條件較好時在排危后作隨機錨桿簡易支護，掘進2循環(huán)后一并初期支護。

（2）受制于巖層結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致各向異性，洞臉徑向成型較差，鉆孔作業(yè)時鉆桿角度與洞軸線、圍巖層面存在較大夾角。鉆孔過程應(yīng)在相鄰已成孔內(nèi)插入外露導(dǎo)向桿，作為炮孔作業(yè)的方向參照。

（3）光面爆破周邊孔經(jīng)驗值0.4m已滿足成型要求，但光面殘孔率低，個別部位存在欠挖巖坎。主要原因是起爆未采用導(dǎo)爆索起爆，裝藥間隔過大，炮孔堵塞嚴重不足。

（4）底孔造孔位于設(shè)計開挖線上，爆破時對隧洞底板造成震動破壞，雨季洞內(nèi)存在滲水，加上施工遺水，重載車輛反復(fù)碾壓，造成底板超挖，經(jīng)濟成本提高。后續(xù)底板開挖時應(yīng)預(yù)留0.2m作為保護層，模筑襯砌前采用機械對個別欠挖部分鑿除。

（5）軟硬互層圍巖通過試驗表明，爆破參數(shù)應(yīng)選第3次爆破試驗參數(shù)，最佳單次藥量37.2kg。

（6）有水地段爆破炸藥應(yīng)采用乳化炸藥，其他段應(yīng)采用銷銨炸藥，雷管類別可選電雷管、毫秒管（奇數(shù)段1～7段，嚴格控制最大一段的裝藥量）、導(dǎo)爆索，起爆形式應(yīng)選各序孔并聯(lián)，起爆電雷管串聯(lián)，導(dǎo)爆管起爆。

4 應(yīng)用展望

（1）調(diào)整掏槽孔間距、輔助孔及周邊孔間距是控制圍巖爆破效果有效方式，軟硬互層狀圍巖需根據(jù)實際情況適時縮小各孔間距。

（2）城門洞型斷面的側(cè)壁和頂拱是爆破活動中的較為薄弱段，軟硬互層圍巖爆破應(yīng)根據(jù)側(cè)壁和頂拱爆破效果進行調(diào)整，同時應(yīng)在隧洞底部布置一定的保護層預(yù)留。

（3）軟弱互層圍巖的層面在爆破設(shè)計中應(yīng)予以考慮，隧洞洞向為順層面方向時洞頂易形成凌空導(dǎo)致超挖，垂直層面且與層面呈大角度相交時，易產(chǎn)生不可預(yù)見性掉塊。

（4）人工智能、大數(shù)據(jù)是近些年發(fā)展的重點，隧洞爆破過程中應(yīng)適時加入智能監(jiān)測和大數(shù)據(jù)預(yù)測，施工過程中可根據(jù)實際的圍巖情況、爆破效果及炸藥性能等監(jiān)測成果，及時不斷完善調(diào)整爆破參數(shù)，進而達到提高爆破質(zhì)量、控制施工成本等目的。

5 結(jié)語

（1）走出高質(zhì)量發(fā)展是新時代的進擊之路，倡導(dǎo)各行各業(yè)、各個領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展是大趨勢、大方向，視情況隨時調(diào)整爆破參數(shù)優(yōu)化是隧洞工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的重要一環(huán)。

（2）西南地區(qū)軟硬互層巖隧洞爆破參數(shù)優(yōu)化，總結(jié)實踐經(jīng)驗，為類似爆破工程設(shè)計、爆破參數(shù)優(yōu)化、施工管理、成本控制提供有價值的參考。