软弱围岩大断面隧道光面爆破.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.008 软弱围岩大断面隧道光面爆破 姚洪瑞 中铁十四局集团有限公司，济南250014 摘要富水软弱围岩条件下爆破过程中的围岩稳定性问题,是隧道光面爆破施工安全的关键。以张吉怀 铁路岩屋冲一号隧道为工程背景，根据隧道全程位于IV V级富水软弱围岩的地质条件和“台阶法”的施工 方法，提出采用短进尺的浅孔弱爆破方案，并结合TSP超前地质预报、红外探水、超前钻孔等技术获取详细地 质信息，进而采取超前支护和注浆治水等措施，提高围岩自稳能力。通过采取以上施工方案及安全措施，工 程在施工期间未发生突水、突泥以及围岩失稳塌方等事故，并如期顺利贯通。研究表明富水软弱围岩中隧 道爆破施工应综合考虑现场地质条件和施工方法，从降低爆破施工对围岩造成的扰动和提高围岩稳定性两 方面提高施工安全性。 关键词大断面隧道；软弱围岩；光面爆破；台阶法；高铁隧道 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202002 - 0042 - 06 Smo o th Blasting fo r Larg e Cro ss-sectio n Tunneling in Weak Surro unding Ro cks YAO Hong-rui Chin a Ra il wa y 14t h Bur ea u Gr o up Co Lt d, Jin a n 250014, Chin a Abstract The st a bil it y o f t he wea k sur r o un din g r o c k s wit h sur fa c e a n d un der gr o un d wa t er is t he k ey o f bl a st in g sa fet y in t un n el ex c a va t io n . Ta k in g Ya n wuc ho n g No . 1 Tun n el o f Zha n g-Ji-Hua i r a il wa y a s t he p r o jec t ba c k gr o un d, t his p a p er in t r o duc es t he sho r t -fo o t a ge sha l l o w ho l e wea k bl a st in g sc heme ba sed o n t he geo l o gic a l c o n dit io n s o f l evel IV 〜V wa t er -r ic h so ft sur r o un din g r o c k a s wel l a s t he imp l emen t ed t wo -st ep met ho d. Addit io n a l l y, t he TSP a dva n c ed geo l o gic a l p r edic t io n, in fr a r ed wa t er det ec t io n, a n d a dva n c ed dr il l in g a r e emp l o yed t o o bt a in det a il s geo l o gic a l in fo r ma t io n ,a n d t he a dva n c e sup p o r t a n d gr o ut in g wa t er c o n t r o l a r e ut il iz ed t o en ha n c e t he st a bil it y o f sur r o un din g r o c k . Thr o ugh t he a do p t io n o f t he a bo ve c o n st r uc t io n sc heme a n d sa fet y mea sur es, t he p r o jec t is c o mp l et ed a s sc hedul ed, a n d t her e is n o wa t er o r mud in r ush a n d r o c k c o l l a p se t a k e p l a c e dur in g t he t un n el ex c a va t io n . The r esul t s sho w t ha t t he bl a st in g c o n st r uc t io n o t un n el in t he so ft sur r o un din g r o c k wit h r ic h wa t er sho ul d t a k e t he fiel d geo l o gic a l c o n di t io n a n d c o n st r uc t io n met ho d in t o c o n sider a t io n c o mp r ehen sivel y, so a s t o imp r o ve t he c o n st r uc t io n sa fet y by r educ in g t he dist ur ba n c e c a used by bl a st in g c o n st r uc t io n a n d imp r o vin g t he st a bil it y o sur r o un din g r o c k . Key Wo rds l a r ge c r o ss-sec t io n t un n el ； wea k r o c k ； smo o t h bl a st in g ； ben c hin g t un n el in g met ho d ； high-sp eed r a il wa y t un n el 随着国家对铁路、公路的大力推进,大断面、长 纵深隧道越来越多，隧道穿越的地质越来越复杂，目 收稿日期2020-01 -12 作者简介姚洪瑞1972 -，男，学士、高级工程师，从事工程施工管 理与技术研究,E-ma il 529601018 q q . c o mo 基金项目山东省重点研发计划2019JZZY020314 前主要开挖方法为钻爆法心］o钻爆法拥有适用范 围广，施工灵活等优点，隧道施工为了减少超欠挖, 主要采用光面爆破技术，隧道光面爆破方案主要取 决于隧道工程地质、工程进度等因素，因此针对不同 的隧道施工需要设计合理的爆破方案。 第37卷第2期姚洪瑞软弱围岩大断面隧道光面爆破43 岩屋冲一号隧道是张家界经吉首至怀化（张吉 怀）高铁的控制性工程，该隧道洞身位于IV V级 软弱围岩中，且地表水系发育,对爆破施工安全造成 不利影响。针对富水软弱围岩中爆破施工的安全问 题,刘朝阳设计了微台阶精细爆破的施工方案，并在 仁新高速坪田隧道工程中进行了应用⑷。陈鸿等 介绍了采用微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环、 铁路单线隧道二次衬砌仰拱及仰拱填充大区段、碎 石换填基底加固、反坡排水等技术在蒙华铁路中条 山隧道的应用㈤。高朋飞等以琅珊山隧道为实例, 分析了隧道爆破对软弱围岩稳定性的影响，并介绍 了爆破施工参数的选取方法同。夏孝维等提出了 利用超前地质预报获取围岩和地层信息，并根据围 岩状态变换爆破方法的施工方案，并在兰海高速公 路麻崖子隧道进行了应用切。 由于地质条件的复杂性和施工要求的差异性, 不同项目的参数设计差异显著的“。为保证岩屋冲 一号隧道的爆破效果和施工安全，提出了“弱爆破、 短开挖、强支护、早闭合、勤量测”的施工原则，并设 计了结合超前地质预报、超前支护、浅孔微差爆破等 措施的“台阶法”光面爆破施工方案,提高岩屋冲一 号隧道施工的安全性，取得了良好的爆破效果。 1工程概况 张家界经吉首至怀化高铁某标段线路全长 32.202 k m,位于怀化市麻阳县。该标段的岩屋冲一 号隧道为设计时速350 k m/h的客运线，双线电力牵 引，双线隧道轨面以上净空面积按不小于100 m2, 为大断面隧道。该隧道洞身位于沅麻红层盆地，围 岩主要为粉质黏土、泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质砂岩 及泥质等软弱岩层。这些软弱节理裂隙发育、岩体 破碎，并且沅麻红层盆地多有狭长沟谷，沟谷内多发 育溪流,导致了岩体稳定性的进一步劣化,岩屋冲一 号隧道围岩稳定性评价如表1。 表1岩屋冲一号隧道围岩稳定性评价表 Table 1 Stability uatio n fo r the surro unding ro cks in No . 1 tunnel o f Yanwucho ng pro ject 编号围岩级别工程地质评价分布范围 1IV 洞身围岩主要为泥质粉砂岩和粉砂岩，强弱风化，红褐色,节理裂 隙发育,岩体破碎，多呈碎块状，敲击易碎，岩质较软,隧址地表水较 发育，该段基岩岩层倾角较缓,节理裂隙发育，岩体破碎。 33.33 2 V 洞身围岩主要为泥质粉砂岩，强弱风化，红褐色，强风化层厚2 20 m,节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎块状，敲击易碎，岩质较软， 地下水主要为基岩裂隙水，较发育,岩层倾角较缓，节理裂隙发育， 岩体破碎，线路附近局部见小型坍塌。 66.67 岩屋冲一号隧道按照“新奥法”原理设计并施 工。富水软弱围岩中的爆破施工的安全性，以及围 岩的稳定性，是岩屋冲一号隧道工程的难点和关键。 为保证安全施工及围岩稳定，制定了“弱爆破、短开 挖、强支护、早闭合、勤量测”的施工原则，采用“台 阶法”施工（如图1）并结合超前地质预报、超前支 护、浅孔微差爆破等技术，提高围岩稳定性,并降低 爆破振动对围岩稳定性的影响。 2爆破设计 岩屋冲一号隧道凿岩采用一字钎头，直径为 4 40 mm,炮孔孔径为e 42 mmo为提高软弱围 岩下爆破施工的安全性,按照“弱爆破、短开挖”的 施工原则，确定每循环进尺为150 c m,因此掏槽孔 孔深为170 c m、其它炮孔深为160 c mo由于炸药单 耗对爆破效果和围岩稳定性都有较大的影响，根据 岩屋冲一号隧道的岩石特性、炸药性能、断面面积、 炮孔直径及孔深等因素，设计采用2号岩石炸药，炸 药单耗量9取为1 - 0 k g/m3 o为降低爆破施工对围 岩造成的扰动,采用塑料导爆管非电起爆系统,毫秒 微差起爆,根据以上参数，进行爆破参数设计验算。 注1.上半部开挖;2,拱部锚喷支护;3.拱部衬砌； 4.下半部开挖;5.边墙锚喷支护;6.边墙衬砌 图1张吉怀高铁岩屋冲一号隧道“台阶法”施工示意图 Fig. 1 Zha n gjihua i high sp eed r a il Ya n wuc ho n g No . 1 t un n el “st ep met ho d” c o n st r uc t io n sc hema t ic 44爆破2020年6月 2.1单孔装药量计算单孔装药量计算 利用式（1）计算单孔装药量何 Qi r （1） 式中a代表种类炮孔的单孔装药量,k g； 代表种类炮孔的装填系数,％仏代表种类炮孔 的孔深,m；r代表每米炸药的质量,k g/m；i代表炮 孔种类,1 1（掏槽眼））2（底板眼），i3（辅助 眼），上4（周边眼）。 根据式（1）计算可得 （1） 掏槽眼巾75, 1.7 m,r 0.78 k g/m, 因此G 0.99 k g,取值为1 k go （2） 底板眼“2 75 ,12 1.6 m,r 0. 78 k g/m, 因此00.94 k g,取值为0.9 k g。 （3） 辅助眼％ 75, 1.6 m,r 0. 78 k g/m, 因此 0.88 k g,取值为0.9 k g。 （4） 周边眼周边眼通常为辅助眼的1/3 1/4, 取 24 0.2 k g。 炮孔采用炮泥堵塞，浅孔堵塞长度不小于 20 c m,深孔不小于30 c m。 2.2炮孔参数设计炮孔参数设计 2.2.1 掏槽孔参数设计 掏槽孔主要作用为辅助孔及周边孔提供合适爆 破临空面，掏槽孔爆炸效果的好坏影响着隧道成型 的效果。考虑岩性、断面宽度、凿岩台架尺寸等条 件,本隧道采用二级复式楔形掏槽,一级掏槽孔角度 取76。,二级掏槽孔角度取66。,孔底距取20 c m,上、 下掏槽孔间距由岩性决定，取为50 c m。 2.2.2 辅助孔（底板孔）爆破参数设计 辅助孔是破碎岩石的主要炮孔,其均匀布置在 掏槽孔周围，炮孔孔距及排距主要取决于岩石的单 轴抗压强度、节理裂隙发育程度、以及前期的施工参 数。综合以上因素，辅助孔孔距取80 -90 c m,排距 取80 90 c m；底板孔孔距取85 c m,排距取85 m。 2.2.3 周边孔光面爆破参数设计 周边孔布置在隧道开挖边界上,孔底位于开挖 边界外约10 c m,采用光面爆破EM。间距取 45 c m,最小抵抗线值取50 c m。 2.3爆破施工工艺爆破施工工艺 2.3.1 炮孔布置及设计参数 图2所示为岩屋冲一号隧道上下台阶炮孔布置 图，采用光面爆破控制开挖轮廓线。为减轻爆破施 工对围岩的扰动,采用浅孔弱爆破方案，每循环进尺 控制在1.5 m,严格控制周边孔的眼距和装药量，尽 量减少超欠挖，边开挖边喷混凝土 34 c m,并按设 计要求及时施作锚杆、钢筋网和格栅钢架，再复喷至 设计要求厚度，尽量使初期支护封闭成环,防止围岩 失稳崩塌。各炮孔设计参数如表2所示。 b下台阶断面炮眼布置图 b Dist r ibut io n o f bl a st in g ho l es o n l o wer ben c h 图2岩屋冲一号隧道炮孔布置图单位c m Fig. 2 Dist r ibut io n o f bl a st in g ho l es in No . 1 t un n el o f Ya n wuz ho n g p r o jec t un itc m 表2岩屋冲一号隧道爆破炮孔设计 Table 2 Blasting ho le desig n fo r No . 1 tunnel o f Yanwuzho ng pro ject 部位 毫秒雷管炮眼孔深/孔数/单孔装药 段号名称m个 量/k g 1掏槽眼1.761.0 3掏槽眼1.761.0 5辅助眼1.680.9 7辅助眼1.6120.9 上断面 9辅助眼1.6180.9 11辅助眼1.6240.9 13辅助眼1.6280.9 15辅助眼1.6190.9 17周边眼1.6560.2 19底板眼1.6240.9 1辅助眼1.6180.9 3辅助眼1.6170.9 下断面 5辅助眼1.6110.9 7辅助眼1.6160.9 9周边眼1.6100.2 11底板眼1.6340.9 合计307 第37卷第2期姚洪瑞软弱围岩大断面隧道光面爆破45 2.3.2起爆网路 起爆网路为复式网路，联结采用电雷管-导爆管 雷管-非电毫秒雷管的起爆网路。各炮孔采用非电 毫秒雷管微差起爆技术，以控制单段雷管的起爆药 量和起爆时间，使爆破震动波不叠加，以降低对围岩 的破坏。为了保证后起爆的网路不被先起爆的炸 断,采用孔内微差的起爆网路。具体起爆网路联结 为①孔内采用1 19段非电毫秒雷管;②掏槽孔采 用1 3段复式网路联接;③其它孔采用519段单 式网路联接;④孔外采用1段非电毫秒雷管复式网 路联接。 隧道爆破炮孔起爆顺序均为掏槽孔〜崩落孔辅 助眼周边孔底板孔。崩落孔由里向外逐层起爆。 采用多段微差毫秒雷管起爆由里向外起爆，其中周边 孔比辅助孔要跳2段，间隔时间为50 110 ms,且用同 一段雷管和导爆索连接同时起爆。 3安全措施 由于岩屋冲一号隧道围岩为富水软弱岩体，为 提高爆破施工的安全性,采取了地质超前预报、超前 支护及排水等措施,提高岩体稳定性。 3.1超前地质预报超前地质预报 超前地质预报的目的是在施工前掌握前方的岩 体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情 况、地应力情况等地质信息,为进一步的施工提供指 导。由于岩屋冲一号隧道全程位于富水软弱围岩 中，为爆破过程的安全性,采用了 TSP地质预报系 统、红外探水技术、超前地质钻孔、加深炮孔等措施， 预报施工掌子面前方的岩体条件和含水构造。 3.1.1 TSP超前地质预报 TSP超前地质预报通过小药量爆破所产生的地 震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同 岩层中地震波以不同的速度传播在其界面处被反 射,并被高精度的接收器接收。通过计算机软件分 析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状 况等，最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道 轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离，以预测不 良地质段的性质，并可初步测定岩石的弹性模量、密 度、泊松比等参数以供参考。TSP地质预报系统现 场测试示意图如图3a 所示。 3.1.2 红外探水 岩层由于分子振动和晶体格振动，每时每刻都 在向外辐射电磁波,并形成红外辐射场。当探测前 方不存在隐伏的地质异常体时，红外辐射场就是常 值;而当探测前方存在隐伏的地质异常体时,地质异 常体产生的辐射场就要叠加在正常辐射场上，从而 使得正常辐射场发生畸变。红外探测的原理就是通 过探测仪测量掌子面前方红外辐射场的异常，预测 前方的地质条件。红外探水的工作流程为①从掌 子面后方的探测段起点，按5 m点距布设测点;②使 用红外线探水仪量测各测点的初始场强目标场 强；③对场强发生变化的测点重复量测，并作横 向、垂向扫描，记录所在测点场强的极大和极小值; ④以纵座标为红外辐射场强，横座标为测点,绘制红 外探测曲线图;⑤根据曲线图，采用趋势外推法，判 断掌子面前方的含水体构造。红外探水示意图如 图3b所示。 a TSP超前地质预报 a TSP-ba sed a dva n c ed geo l o gic a l p r edic t io n b红外探水 b In fr a r ed wa t er det ec t in g 图3超前地质预报措施示意图 Fig. 3 Sc hema t ic dia gr a m o f a dva n c ed geo l o gic a l fo r ec a st in g mea sur es 3.1.3超前地质钻孔及加深炮孔 采用e 89mm。活动断裂带超前探测长度80 采用冲击钻和回转给进装置取岩芯，钻孔直径 100 m搭接长度不小于10 m,其余地段超前探测长 46爆破2020年6月 度不小于30 m,前后两次搭接长度不小于5 m。利 用岩芯，验证中近距离物探超前探的结果。 在隧道开挖工作面上的炮眼钻孔来探测前方围 岩的地质情况，在每一循环钻设炮孔时布设3 15个钻孔，较循环进尺加深3 m以上作为探测孔, 探测掌子面前方地质条件。 3.2超前支护及治水超前支护及治水 3.2.1超前支护 为增强岩屋冲一号隧道围岩的自稳能力，针对 超前地质预报的破碎区域，采用了超前管棚支护和 超前小导管的超前支护方式。 超前管棚采用管棚钻机或水平地质钻机造孔, 钢管洞外分节加工,并按设计钻设注浆孔，采用钻机 推进器顶进，高压注浆泵注浆。 超前小导管采用手持风钻钻孔,将小导管送入 风钻钎尾套开动风钻顶入，注浆泵注浆,超前小导管 尾部与钢架焊接牢固,并严格控制小导管数量、间距 及外插角。 3.2.2 治水措施 岩屋冲一号隧道地表水系发育,为降低水对围 岩稳定性的不利影响，采取排堵结合的治水措施。 对于与地表存在良好水力联系、地下水发育、具有中 等富水性和强富水的断层及影响带地段采用“以堵 为主,限量排放”的原则,其余地段按照“以排为主, 防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的原则 进行处理。 地表水主要采用截流进行治理，在开挖边线 5 m以外设截水天沟，将水引离洞口，防止地表水冲 刷自然坡灌入洞内，以保证隧道洞口结构稳定。 地下水主要采用堵水措施进行治理。在加强施 工过程中的地质超前预报的基础上，通过注浆来改 良软弱破碎岩体、封堵地下水。根据注浆目的的不 同，注浆施工方案主要包括超前周边注浆、局部注 浆、径向注浆等。超前周边注浆主要用于在易涌水 地段封闭围岩，以控制地下水涌出。断层破碎带施 工采用小导管法进行注浆对隧道四周及掌子面围岩 进行固结堵水，并加强初期支护防拱部及掌子面失 稳坍塌。对注浆盲区、注浆后的岩面渗漏水应采用 小导管法进行补注浆。上述注浆方案的适用范围如 表3。 4现场施工结果 以上爆破施工方案及安全措施在张吉怀高铁岩 屋冲一号隧道进行了应用。经观察，光面爆破效果 良好，施工过程中未发生突水、突泥以及围岩失稳塌 方等事故。该隧道于2018年7月9日如期顺利贯 通。通过采取的两台阶的浅孔弱爆破施工方案，以 及超前地质预报、超前支护及治水措施,有效保证T 岩屋冲一号隧道的工程质量和施工安全，施工效果 如图4所示。 表3隧道注浆方案适用范围表 Table 3 Emplo yable co nditio ns fo r different slip casting schemes 序 方案 号 名称 适用范围 ①加固隧道前方轮廓线外约3 5 m范 栩亠围内的围岩，防止地下水、泥等从隧道周 器J边涌入隧道内； 第卷②每循环加固段长20 -30 m、钻孔和 任宋注浆量较大、作业周期较长； ③水压较高、水量较大地段。 ①以封堵围岩裂隙或管道股状流水为 冃加主,通过注浆减小地层水向隧道内的排 2 注彫 泄量； 仕永②主要适用于隧道开挖后，洞壁较大的 股状出水点处，小范围的面状淋水部位。 ①隧道开挖后，洞壁渗漏水较大时，或支 护结构变形较大时，通过径向注浆达到 存门 堵水减排和加固围岩、限制变形的目的； 3 ②主要用于节理裂隙密集及围岩破碎段 任宋带水开挖后的加固堵水注浆，也用于全 断面超前预注浆段或周边帷幕注浆段开 挖后的补充注浆。 图4 “台阶法”光面爆破施工方案在 张吉怀高铁岩屋冲一号隧道应用 Fig. 4 Emp l o ymen t o f ben c hin g t un n el in g met ho d-ba sed smo o t h bl a st in g in No . 1 t un n el o Ya n wuc ho n g p r o jec t o f Zha n gjia jie-Jisho u-Hua ihua high-sp eed r a il wa y syst em 5结论 以张吉怀高铁岩屋冲一号隧道爆破工程为背 景，针对隧道全程处于富水软弱围岩中的地质条件 和“台阶法”的施工方法，提出了“弱爆破、短开挖、 强支护、早闭合、勤量测”的设计原则，并介绍了浅 第37卷第2期姚洪瑞软弱围岩大断面隧道光面爆破47 孔弱爆破的光面爆破的施工方案,以及超前探测、超 前支护及排水等安全措施。结合现场的施工结果, 得出如下结论 1 采用上下两台阶的浅孔弱爆破施工方案, 在保证爆破效果的基础上，有效降低爆破对软弱围 岩的扰动。 2 采用了包括TSP超前地质预报、红外探水 和超前钻孔等探测手段获取地质信息,并有针对性 的采用超前管棚、超前小导管、超前周边注浆、局部 注浆以及径向注浆等支护和治水措施，提高了围岩 的自稳能力。 3 采用基于“台阶法”的浅孔弱爆破施工方 法,以及超前探测、超前支护及治水等措施,有效解 决了张吉怀高铁岩屋冲一号隧道富水软弱围岩爆破 施工的安全性问题。 参考文献参考文献References [1] 王建秀，邹宝平，胡力绳.隧道及地下工程光面爆破技 术研究现状与展望[J].地下空间与工程学报,2013, 94 800-807. 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