光面爆破技術在硬質圍巖隧道中的應用

徐振紅　蓋英志

摘要：硬質圍巖隧道的施工，關鍵工序是開挖，控制開挖質量的關鍵因素則是光面爆破。影響光面爆破效果的因素很多，本文對光面爆破的機理、影響光面爆破效果的主要因素進行了分析，并以連云港后云臺山隧道為例，介紹了控制光面爆破實例和取得的效果。

關鍵詞：隧道施工；堅硬巖石；光面爆破

一、工程概況

連云港東疏港高速公路是直通連云港市港區的第一條高速公路，起點為連徐高速公路NK15+460，徑直向東北方向，設置四座互通并以路塹開挖方式過中云臺山，先后穿過后云臺山隧道和炮臺頂隧道后進入港區。其中后云臺山隧道總長3740m，為特長隧道，隧道結構型式為分離式雙向六車道，最大開挖斷面高11.44m，寬16.24m。后云臺山為典型的‘單面山，圍巖級別85%以上為Ⅱ～Ⅲ級，僅各個洞口存在約15%左右的Ⅳ～Ⅴ級圍巖；巖體多為堅硬的淺粒巖和變粒巖，隧道穿越的巖層平均單軸飽和抗壓強度約100Mpa；地層結構多為厚層結構，完整性較好，相對較差的地層存在含云母質的較軟弱巖層和比較明顯的擦面結構。

二、光面爆破的作用機理及影響因素

隧道成型技術的核心是光面爆破技術。由于鉆爆法施工工藝特點決定了超挖是不可避免的，所以合理的超挖成為施工控制的關鍵，盡量使炮孔中心與開挖輪廓線重合、仰角按炮孔深度適當確定，這樣才能達到光面爆破的效果。

光面爆破首先是選擇爆破方案，其次是鉆孔、爆破、組織管理、測量放線等。有統計資料顯示，影響光面爆破效果的主要因素不是地質條件，而是鉆孔技術，其次是爆破技術和施工組織管理，這三項影響光面爆破效果達到82%[ ]。

以下就以連云港后云臺山隧道為例，分析影響光面爆破效果的各種因素。

（一）爆破方案的選擇

本工程采用預切割（或預裂）爆破，周邊眼按設計間距鉆孔、裝藥。具體做法是：在設計間距內加密鉆孔作為空孔，將開挖面與圍巖切割；在破碎地層地段，同一炮孔內采用微差減震爆破技術，必要時采用短進尺鉆孔，從總體上提高光面爆破的效果。

（二）鉆孔技術

①、鉆孔技術表現在插鉆位置、外插角控制、鉆桿左右向擺動的控制等幾個方面。

鉆頭的正確位置應是隧道設計開挖輪廓線中心，偏外側則超挖，偏內側則欠挖。在三車道隧道最大跨度位置，開挖弧長約為18m。鉆頭位置如平均偏上5cm，則每延米超挖將近1m3。

②、外插角是由于鑿巖機的外型尺寸所決定的，它是指向孔底的"設計位置"，該"設計位置"在隧道開挖底部端面弧線以外，位于弧線法線上的點。這個點既能使得超挖量最小，又可以為下一循環開挖提供較好的設置風鉆的空間。在正常情況下，外插角在2°左右是可以滿足工藝要求的，所以《公路隧道施工規范》中給出了允許超挖值：硬巖（Ⅰ級），拱部平均超挖10cm，最大20cm；中硬、軟巖（Ⅱ~Ⅳ級），拱部平均超挖15cm，最大25cm；破碎松散巖石（Ⅴ~Ⅵ級），拱部平均超挖10cm，最大15cm。以開挖進尺3m為例，仰角每加大1°，則線超挖量約為5cm，每延米增加超挖量約為0.75m3。

鉆桿在鉆進過程中應按上圖標識的準確位置進行，偏向外側，會造成超挖；偏向內側，則會欠挖，并對下一個循環的鉆孔造成影響，嚴重時，還須"扒皮"[2]，以消除欠挖對支護的影響。

（三）爆破技術

爆破技術首先需要選擇的是雷管和炸藥，其次是裝藥方式和炮孔的封堵。

1、雷管

目前電雷管已經發展為瞬發電雷管、毫秒延期電雷管、秒延期電雷管、半秒延期電雷管四大系列，隧道爆破中最常用的是毫秒延期電雷管。在爆破設計中應注意，毫秒延期在50ms以內時，沖擊波的迭加還是明顯的。目前毫秒延期電雷管的1~7段位間隔時間在25~40ms之間，需隔段使用，避免沖擊波和振動速度的迭加，以避免圍巖過大擾動和保護初期支護。

2、炸藥

隧道施工一般均采用硝銨類炸藥。硝銨類炸藥是以硝酸銨為主要成分，與其他物質機械混合而成的。硝酸銨是爆炸劑，可以作為單質炸藥，但其敏感度不穩定，而且產生大量有毒氣體。當摻入少量烈性炸藥如硝化甘油、TNT和某些易燃物質如松脂、木炭、木屑或石蠟等之后，可充分改善其敏感度，增強其爆炸力，并且使用更安全。

連云港后云臺山隧道爆破選擇的就是2#巖石硝銨炸藥，其特點是：爆炸力適中，使用安全度高，產生有害氣體較少，成本較低。

3、裝藥

爆破效果與裝藥的均勻度有關，藥卷直徑越小，均勻度越高，施工中一般宜選取小直徑藥卷。有試驗資料顯示，不同的裝藥方式對爆破效果影響也較大，a詳見下表：

連云港后云臺山隧道實際施工情況顯示，采用藥卷直徑為32mm、間隔裝藥方式，其光面爆破效果差于藥卷直徑20~25mm、連續裝藥方式。

4．炮眼需采用炮泥進行封堵，以減小爆破凌空面積，增加爆破效能。

4、 組織管理

組織管理的核心是充分認識開挖工程的重要性和科學性，并在此基礎上提高施工人員的專業技術水平和實際操作能力。"感覺到了的東西我們不能立刻理解它，只有理解了的東西，才能更深刻地感覺它"。只有讓現場一線操作人員真正掌握了施工中的關鍵影響因素，比如外插角的含義、各種炸藥的成分及其特性，才能主動去落實技術措施。此外，還要從優質優酬方面給以物質獎勵,鼓勵工人提高施工水平，確保光面爆破施工的有力開展。

5、 測量放線

1.嚴格控制隧道中線及標高。在洞外控制測量成果的基礎上，利用人行或車行橫通道對左右洞進行中線和水平的閉合導線測量，確保測量精度。

2.采用先進儀器，比如利用激光投點，可直接劃出開挖輪廓線。

3.周邊眼距離和最小抵抗線，要按不同的石質，選取效果較好的參數。一般情況下，周邊眼距離E，略小于最小抵抗線的距離V，其比例一般是E/V≈0.8。如果V值較大，則圍巖會受到很大擾動，"殘孔"[3]難以保留，有時還會出現小型塌方；如果V值太小，爆炸的沖擊力能輕易將外層爆開，而相臨周邊眼之間會留下一道"鼓包"，從而形成了欠挖。

6、 地質變化

隨著現代施工技術的發展，受地質條件的限制影響光面爆破效果這一因素相對較小。若缺少先進施工技術措施作為保障，受地質條件的影響也是非常大的。應對地質變化的技術措施，主要有以下兩個方面：

1.通過觀察、分析，預測控穩結構面的位置。

巖石的構造面是不規則的、成立體狀分布在巖體中，在隧道開挖過程中，某條結構面會在某一部位率先被揭露，借助巖層的產狀要素等，就可以推測關鍵部位遇到控穩結構面的里程（見下圖）。比如當控穩結構面在隧道下部首先被揭露，則可通過巖層走向、傾向和傾角，推算該結構面在拱部出現的里程；當控穩結構面自拱部首先被揭露時，要特別注意，因為一個循環的進尺，為3m左右，即使是較嚴重的控穩結構面，也是剛剛進入開挖面，從橫斷面看，可能還沒有進入最大跨度范圍內，及時的發現和采取應對措施，將有效的降低塌方風險，保證施工質量。

超前地質雷達預報方法，目前尚停留在定性階段，比較可靠的方法仍是鉆取巖芯，通過

巖芯中顯示的結構面，判定是否為控穩結構面，并依此確定控穩結構面到達隧道拱部斷面的里程。

2.針對控穩結構面的具體情況，制定和實施恰當的技術措施。

當遇到結構擦面在拱部交會的情況時，首先縮小開挖進尺，一般以1m為宜；加長、加密超前錨桿；嚴格控制炸藥裝藥量，盡量減少對圍巖的擾動。

當遇到巖石破碎，且地下水較豐富時，要設置超前錨桿并注漿，同時縮小開挖進尺。

當控穩結構層較厚、松散并富含地下水時，以超前小導管注漿為主，宜采用雙液漿，以便控制漿液的凝固時間和擴散半徑。

7、 其他

按照現行《公路隧道施工技術規范》的規定，"當巖石完整、巖石抗壓強度大于30Mpa，并確認不影響襯砌結構穩定和強度時，允許巖石個別突出部分（每1m2內不大于0.1m2）但其隆起量不得大于5cm"。據此，可在周邊眼放線時，在設計輪廓線向內按4~5cm放線（見下圖）。如此處理，約可將允許超挖再降低50%。

三、 光面爆破效果實例總結

連云港后云臺山隧道經過幾個月的施工，已完成開挖支護約2200m，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖已全部完成，現將Ⅳ、Ⅴ級圍巖和部分Ⅲ級圍巖的光面爆破情況作如下小結。

1、全斷面開挖，一般進尺3~3.5m，掏槽采用8個斜孔，另加3個Φ100鉆孔，形成臨孔面；周邊眼間距50cm，最小抵抗限75cm，單位布孔率約為1.2~1.3孔/m2，一般采用10段毫秒雷管，隔段位使用。

2、隧道石質為變粒巖，大部分地段的節理、裂隙為密閉型，巖體內孔隙較少。雖然抗壓強度一般均大于60Mpa，但單位用藥量不大，平均單位用藥量約為0.7~0.8kg/m3。由于巖體密實度較大，爆破能量得到了充分發揮。

3、采用全站儀對初支表面進行檢測，沒有出現欠挖，最大超挖個別點達0.55m，各洞口、各種圍巖級別的超挖數量詳見下表。經過統計分析后發現：一是局部超挖比較大，按要求的位置開孔，按標準的2°外插角，超挖應為0.75m2，考慮各種誤差，超挖應在1m2左右。但統計的超挖量已大出2倍多；二是圍巖級別越高，超挖量反倒越大，Ⅳ級圍巖超挖量是Ⅴ級圍巖的115%，而Ⅲ級圍巖超挖量是Ⅵ級圍巖的136%。說明單憑巖石級別較高，不能肯定光面爆破效果就必然是好的；同時也從側面反映出施工組織管理對光爆效果也能產生很大影響。

4、在檢測的開挖斷面內，發現了很多斷面的超挖是比較理想的。如ZK6+685斷面，超挖量為0.62m2（見以下照片），說明光面爆破的潛力還是很大的。

四、 結語

由于連云港后云臺山隧道主要為淺粒巖和變粒巖，該巖為硬質巖，致密堅硬，抗壓強度大，抗分化性能好，巖體完整性好，在使用風鉆鉆孔施工時，機械能耗較大，施工進度較慢。實踐證明，當采用光面爆破施工時，能有效控制開挖斷面，減少噴錨支護工程量，降低工程造價，對施工進度也能有所加快。

注釋：

[1]引自：關寶樹《隧道工程施工要點集》

[2]由于欠挖，在爆破后開挖輪廓線不能滿足設計要求，需要再次爆破

[3]爆破后殘存的炮眼，常用于測算炮眼殘存率

參考文獻：

[1]周愛國.隧道工程現場施工技術.北京：人民交通出版社，2004.

[2]關寶樹.《隧道工程施工要點集》.北京：人民交通出版社，2003.

[3]張軍，柯小華，李建華.淺埋大跨軟弱地層老山隧道動態設計施工技術.江蘇寧淮高速公路老山隧道環保型建設技術暨大跨徑隧道建設技術學術研討會論文集.人民交通出版社，2006.