特大断面公路隧道的光面爆破技术研究(1).pdf

第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4  Dec. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2018. 04. 009 特大断面公路隧道的光面爆破技术研究* 张继春 1， 潘 强 1， 郑爽英1， 王圣涛2， 石洪超3 （1.西南交通大学土木工程学院， 成都610031；2.中铁四局集团有限公司， 合肥230022； 3.成都工业学院建筑与环境工程学院， 成都611730） 摘 要 光面爆破是减少围岩超欠挖和破裂损伤的关键技术。以京沪高速济南连接线浆水泉特大断面隧 道为工程背景， 在总结分析原常规爆破方案存在的主要问题基础上， 经过多次现场光面爆破试验与爆破参数 优化， 进而提出了一套适合于浆水泉隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩的光面爆破方案。应用结果表明 光面爆破技术可有 效地控制围岩超欠挖及爆破损伤， 将平均线性超挖量由原来的0. 20 ～0. 25 m降低到0. 07 ～0. 12 m， 保证开 挖轮廓的光滑平顺， 有利于围岩稳定。 关键词 特大断面；隧道掘进；光面爆破；超欠挖；爆破损伤 中图分类号 O383 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0052 －06 Technique of Smooth Blasting of Highway Tunnel with Super-large Section ZHANG Ji-chun1，PAN Qiang1，ZHENG Shuang-ying1，WANG Sheng-tao2，SHI Hong-chao3 （1. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China； 2. China Tie-Siju Civil Engineering Group Company，Hefei 230022，China； 3. College of Architectural and Environmental Engineering，Chengdu Technological University， Chengdu 611730，China） Abstract Smooth blasting is a key technique to reduce overbreak or underbreak and minimize fracturing damage of surrounding rock at the boundary of an excavation. Based on the Jiang Shui-quan tunnel with super-large section of Jinan connection line of Beijing-Shanghai highway，the main problems existing in the original conventional blasting scheme were summarized and analyzed，and a few of field smooth blasting tests were also carried out. Through optimi- zing the smooth blasting parameters，a set of tunnel smooth blasting scheme suitable for the tunnel with Ⅲ and Ⅳ class surrounding rock was finally put forward. The application results show that smooth blasting technique can effec- tively control the blasting overbreak or underbreak and damage of surrounding rock and the average linear overbreak is reduced from 0. 20 ～0. 25 m to 0. 07 ～0. 12 m，which ensures the smooth outline of the excavation and is helpful to the stability of surrounding rock. Key words super-large section；tunneling；smooth blasting；overbreak and underbreak；blasting damage 收稿日期2018 －10 －21 作者简介张继春（1963 －） ， 男， 教授、 博士、 博士生导师， 主要从事 工程爆破和爆炸防护的教学与科研工作，（E-mail）jc- zhang2004＠126. com。 基金项目中铁四局集团公司重大科技攻关课题（ ［2017］139号 2016-15） 钻爆法以开挖成本低、 作业环境适应性强、 施工方便灵活等优点已广泛应用于隧道、 井巷施工［ 1-3］。 然而受施工条件限制和工程地质的影响以及多采用 常规爆破方法等原因， 造成爆破后的超挖现象较为 严重［ 4-6］， 并引起围岩松裂和损伤。这既不利于围 岩稳定和施工安全， 又影响工程进度、 增加施工成 本。影响隧道围岩超欠挖的主要因素包括测量放 万方数据 线、 钻孔精度、 爆破技术、 地质条件、 现场管理等， 其 中爆破技术更为关键。 目前， 光面爆破是控制围岩超欠挖、 减小爆破损 伤扰动的主要技术［ 7、8］。以京沪高速济南连接线超 大断面的浆水泉隧道为工程背景， 在分析原爆破方 案带来的超欠挖量大、 开挖壁面凹凸不平的原因基 础上， 针对隧道断面大、 围岩强度较高但节理裂隙较 发育的特点， 按照光面爆破原理设计给出改进的光 面爆破参数， 通过现场光面爆破试验， 提出了合理的 光面爆破方案， 有效控制了围岩超欠挖， 并为初期支 护滞后掌子面一定安全距离后再集中施作创造了良 好条件， 既提高了施工效率， 又充分发挥了围岩的自 承能力。 1 工程概况 浆水泉特长隧道是济南二环南路东延工程的控 制性工程， 采用分离式结构、 双向八车道设计， 左线 全长3101 m， 右线全长3085. 4 m， 净跨度16. 7 m， 是 目前全国最长的双向八车道山岭公路隧道， 被称为 “ 山东第一隧” 。洞身穿越地层为上更新统粉质黏 土， 奥陶系和寒武系灰岩、 白云质灰岩及生物碎屑灰 岩， 多属Ⅲ级、Ⅳ级围岩， 局部区段Ⅴ级围岩， 岩石单 轴抗压强度60 ～100 MPa。隧道周边200 m范围内 无建（ 构） 筑物和地下管线。 该隧道的施工风险高， 其难点在于 洞身段围岩 的节理裂隙较发育， 存在与隧轴线近于垂直的陡倾 长大结构面； 单洞开挖宽度近20 m， 最大开挖断面 积达219. 8 m2， 需最大限度利用围岩自支承能力； 左右洞相距14 ～ 31 m， 属小净距隧道， 爆破施工的 相互影响较大； 隧道毗邻浆水泉水库， 富水破碎带 多， 透水风险高。 2 爆破方案 2. 1 原爆破方案及其效果分析 浆水泉隧道按照台阶法施工， 进洞的最初4个 月上台阶采用常规爆破方案掘进， 即周边孔非光面 爆破， 周边严重超挖是施工中存在的突出问题， 其单 循环爆破的超挖均值达0. 20 ～0. 25 m， 初期支护的 实际喷射混凝土量约为设计值的2. 5 ～3. 0倍以上， 即超喷率超过150％ ～200％。因此， 尽快解决爆破 超挖问题是该隧道实现安全高效施工的关键。 原方案采用孔径40 mm的左右分区双楔形掏 槽方式， 设计炮孔深度3. 6 ～ 3. 8 m，单循环进尺 3. 5 m； 周边孔间距0. 5 ～0. 6 m， 外圈掘进孔距开挖 边界0. 3 ～0. 4 m， 孔深均为3. 5 ～3. 6 m； 周边孔装 药量0. 9 ～1. 2 kg， 外圈掘进孔装药量1. 2 ～1. 5 kg； 除周边孔外， 所有炮孔均连续装药、 并用1发非电毫 秒雷管起爆； 周边孔分两段装药， 孔底段0. 6 kg、 孔 口段0. 3 ～0. 6 kg， 用2发15段非电雷管起爆。外 圈掘进孔、 周边孔的布置方式如图1所示。 图1 常规爆破方案的周边孔与掘进孔 位置关系（ 单位cm） Fig. 1 The position relation between contour hole and tunneling hole of conventional blasting scheme（unitcm） 每次爆破进尺多可达到3. 3 ～3. 4 m， 掌子面的 凹凸不平度约1 m， 掌子面上的残孔深度差异较大， 大约0. 3 ～1. 0 m； 开挖轮廓面上很少可见半壁孔， 孔痕不足30％， 而且爆破超挖十分严重， 最大超挖 达1 m以上， 如图2所示， 同时也存在局部欠挖现 象。爆破效果表明 常规爆破能达到预计爆破进尺， 说明掏槽孔、 辅助掏槽孔和掘进孔等的爆破参数合 理， 掌子面的不平整度稍大、 残孔深度不一是各炮孔 的深度偏差较大所致； 而存在的关键问题就是超挖 过大，导致初期支护的喷射混凝土量大大增加， 3. 5 m进尺的喷射混凝土时间在5 h以上， 月进尺只 有60 ～ 70 m， 极大地延误工期， 这些都是周边孔未 采用光面爆破的缘故。 图2 常规爆破方案爆破效果图 Fig. 2 Blasting effect of the conventional blasting scheme 尽管为了避免周边孔装药集中于孔底而采用了 单孔双发雷管的分段装药结构， 在一定程度上减弱 了孔底的爆破作用和孔口的欠挖（挂口） ， 但仍然难 以达到控制超挖、 减弱爆破作用对围岩的破裂与损 伤的目的。究其原因， 主要是周边孔未采用光面爆 35第35卷 第4期 张继春， 潘 强， 郑爽英， 等 特大断面公路隧道的光面爆破技术研究 万方数据 破。首先，周边孔装药量过大，线装药密度达到 0. 25 ～0. 33 kg／ m， 而且因未使用导爆索起爆， 周边 孔的装药量过于集中， 分段装药量达0. 3 ～ 0. 6 kg， 爆破作用造成了围岩较大范围的破裂， 并与原有节 理裂隙交切而破碎、 塌落； 其次， 周边孔的最小抵抗 线仅有0. 3 ～0. 4 m， 使得外圈掘进孔与周边孔的距 离小于0. 5 m， 这样周边孔就成为外圈掘进孔的导 向孔， 爆破时必然会沿着周边孔方向产生爆破裂缝， 并向围岩深处扩展， 这也会加剧周边孔爆破对围岩 的破裂与破碎作用； 第三， 周边孔的外插角偏大， 直 接使孔底位于开挖边界外0. 3 ～0. 4 m， 造成人为的 爆破超挖；第四，由于15段雷管的延时误差大于 50 ～100 ms， 致使相邻周边孔爆破时不能起到互为 导向孔的定向破裂作用， 后起爆炮孔就会沿着相邻 孔爆破产生的斜交于光爆层自由面的新裂缝破裂， 从而形成局部欠挖。 2. 2 改进的爆破方案 要解决隧道爆破超挖问题就必须采用光面爆 破， 按照光面爆破原理合理选取爆破参数， 同时提高 炮孔钻进方向、 深度的精准度。考虑到隧道断面较 大及台架组合形式， 采用左右分区垂直楔形掏槽方 式， 经过多次现场爆破试验与参数优化， 确定出适合 Ⅲ、Ⅳ级围岩、 单循环进尺3. 5 m的上台阶掘进爆破 参数， 如表1所示， 其中光爆层厚度0. 7 m， 光爆孔 的线装药密度0. 13 ～0. 16 kg／ m，Ⅲ级围岩取大值、 Ⅳ级围岩取小值。炮孔布置如图3、 图4所示， 图5 给出了各炮孔的起爆雷管段别。 表1 Ⅲ、Ⅳ级围岩上台阶爆破参数表 Table 1 The blasting parameters of the upper bench in Ⅲ and Ⅳ surrounding rock 炮孔 名称 孔深／ m 孔长／ m 孔数 装药 长度／ m 线装药密度／ （kgm －1）卷数 药卷 规格 堵塞 长度／ m 单孔 药量／ kg 总药量／ kg 掏槽孔3. 74. 41243. 0010φ 32 mm 30 cm1. 43. 0072. 00 辅助掏槽孔3. 73. 96242. 408φ 32 mm 30 cm1. 52. 4057. 60 掘进孔3. 53. 50691. 956. 5φ 32 mm 30 cm1. 51. 95134. 55 底板孔3. 53. 50192. 107φ 32 mm 30 cm1. 42. 1039. 90 光爆孔3. 53. 50550. 13 ～0. 16≮0. 40. 45 ～0. 5527. 50 合计174331. 55 设计进尺3. 5 m， 断面积121. 49 m2， 设计爆破方量425. 22 m3， 设计单耗0. 78 kg／ m3 图3 上台阶掘进爆破炮孔布置示意图（ 单位cm） Fig. 3 The blasthole layout of the upper bench（unitcm） 原则上周边孔应采用专用光面爆破药卷， 因受 现场条件所限， 将直径32 mm的药卷切割成长7 ～ 8 cm的短药卷（70 ～80 g） ， 采用轴向空气间隔装药， 导爆索同时起爆。 3 爆破效果与效益分析 2016年8月8日之前采用常规爆破方案， 之后 通过现场光面爆破试验， 不断优化爆破参数， 逐步形 45爆 破 2018年12月 万方数据 成了一套适用于浆水泉隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩的光面爆破方案。 图4 上台阶掘进爆破炮孔布置剖面图（ 单位cm） Fig. 4 Holes layout profile of the upper bench（unitcm） 图5 上台阶掘进爆破起爆顺序 Fig. 5 The firing order of the upper bench 3. 1 爆破效果 实施光面爆破方案后， 连续2个爆破循环不支 护的光面爆破效果如图6所示， 连续3个爆破循环 不支护的光面爆破效果如图7所示， 隧道贯通时的 光面爆破效果如图8所示。 爆破单循环进尺达到3. 3 ～3. 4m， 炮孔利用率 94％ ～97％；开挖轮廓面上的孔痕率由原来小于 30％提高到95％以上， 半孔率大于85％。 开挖轮廓壁面平整光滑， 爆破循环之间未出现 明显“ 错台” 现象， 周边孔的孔底大多位于开挖边界 外0. 1 ～0. 2 m， 平均线性超挖0. 07 ～0. 12 m， 最大 欠挖小于5 cm， 有效地控制了围岩超欠挖， 大大减 小了围岩的应力集中现象。围岩变形监控与初期支 护结构内力测试结果表明， 初期支护滞后掌子面3 个爆破循环后围岩的变形沉降与收敛值小于设计允 许值； 延迟3个爆破循环才进行初期支护， 其钢拱架 的内力只有初期支护紧跟掌子面时的34％ ～40％， 充分利用了围岩的自承能力， 增大了支护结构的安 全储备。初支与掌子面相隔一段距离， 不仅为周边 孔钻孔创造了足够的空间， 保证炮孔按照设计角度 钻进， 避免外插角较大而引起的人为超挖， 而且初期 支护能集中施作， 极大地节省了频繁施作初期支护 的工序转换时间， 提高了施工效率。 由于超欠挖得到有效控制， 隧道施工的各工序 55第35卷 第4期 张继春， 潘 强， 郑爽英， 等 特大断面公路隧道的光面爆破技术研究 万方数据 效率大为提高， 自应用光面爆破起至2017年7月9 日双洞贯通止， 单洞掘进爆破的平均月进尺达到 120 m以上； 包括喷射混凝土回弹量在内的初支混 凝土超喷率由原来的150％ ～ 200％降低为82％ ～ 97％， 连续2次爆破后7 m进尺的初支混凝土喷射 时间少于7 h。 图6 连续2次爆破的光面爆破效果图 Fig. 6 The images of smooth blasting for two continuous blasting cycles 图7 连续3次爆破的光面爆破效果图 Fig. 7 The image of smooth blasting for three continuous blasting cycles 图8 隧道贯通时的光面爆破效果图 Fig. 8 The images of smooth blasting at tunnel through 3. 2 围岩损伤测试结果 由于采用32 mm的炸药卷， 爆炸作用使装药段 处的孔壁破裂严重， 一般只有孔痕， 且沿炮孔轴线产 生了破裂缝， 如图9所示。为此， 基于跨孔透射法在 隧道边墙上进行了围岩声波速度测量。在掌子面后 侧边墙上测量布置3个测孔，孔径40 mm，孔深 180 ～220 cm， 孔间距80 ～ 90 cm， 测孔与竖向夹角 60 ～65。图10、 图11分别是常规爆破和光面爆破 后围岩不同深度处的波速变化曲线， 图中断面1-2、 断面2-3分别表示1＃测孔与2＃测孔和2＃测孔与3＃ 测孔之间的波速变化。 图9 炮孔壁上的爆破裂缝 Fig. 9 The images of blasting fracture in the blast hole wall 图10 常规爆破的围岩波速曲线 Fig. 10 The P-wave velocity curves of surrounding rock after conventional blasting 图11 光面爆破的围岩波速曲线 Fig. 11 The P-wave velocity curves of surrounding rock after smooth blasting 从图中可看出 开挖轮廓线附近的围岩波速为 3000 ～4000 m／ s， 随着与轮廓线距离增大， 波速逐渐 增大， 直至增大到5000 ～ 6000 m／ s， 并稳定在这个 范围内波动， 说明原岩波速在5000 m／ s以上， 开挖 边界近区的围岩存在爆破损伤； 常规爆破对围岩的 损伤深度可达约100 cm， 而光面爆破对围岩的损伤 65爆 破 2018年12月 万方数据 深度约35 cm， 前者是后再的3倍左右， 即光面爆破 能够极大地降低爆破作用对围岩的损伤。尽管如 此， 用32 mm的普通乳化炸药进行光面爆破仍然不 可避免地造成围岩损伤， 因而推广使用低爆速、 小直 径的专用光面爆破炸药应该是减弱或消除围岩爆破 损伤的可能途径。 3. 3 社会和经济效益 光面爆破技术在浆水泉隧道的应用， 使隧道提 前8个月通车， 极大地缓解了济南市的交通压力； 由 于光面爆破对围岩扰动减小、 且开挖边界平顺光滑， 能充分发挥围岩的自稳能力， 最终将1500 m长的 IV级围岩段的施工方案由CD法优化为上下台阶 法； 从控制超挖减少的喷射混凝土费用、 工法优化节 约的施工费用和工期缩短减少的工程项目管理费用 分析， 这三项获得的直接经济效益近6000万元。 4 结论 （1） 光面爆破技术可有效解决隧道开挖爆破的 超欠挖问题， 使形成的隧道周壁平顺光滑。本文提 出的针对浆水泉隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩段的光面爆破技 术将平均线性超挖量由原来的0. 20 ～ 0. 25 m降低 到0. 07 ～0. 12 m， 包括喷射混凝土回弹量在内的初 支混凝土超喷率由原来的150％ ～ 200％降低为 82％ ～97％， 极大地提高了隧道施工效率、 降低了施 工成本。 （2） 当隧道开挖壁面的光面爆破效果好、 围岩 损伤范围在0. 5 m以内且围岩稳固性较好能保证施 工安全的条件下， 初期支护滞后掌子面3个爆破循 环后再集中进行初期支护， 不仅能使初支受到的围 岩压力降低60％以上， 增大了支护结构的安全储 备， 而且还能充分利用了围岩的自承能力， 实现真正 意义上的新奥法施工。 （3） 采用32 mm的普通乳化炸药进行周边孔爆 破不可避免地造成一定范围内的围岩损伤， 光面爆 破的围岩损伤深度约0. 4 m， 连续装药的常规爆破 的相应值大于1 m。因此， 使用低爆速、 小直径的专 用光面爆破炸药应该是减弱或消除围岩爆破损伤的 可能途径。 （4） 浆水泉隧道采用光面爆破方案施工， 其平 均月进尺在120 m以上， 提前工期8个月， 节省施工 成本近6000万元， 取得了良好的社会和经济效益。 参考文献（References） ［1］ 郭建群， 张继春， 曹孝军， 等.穿越高楼下的浅埋隧道 掘进控制爆破技术［J］.爆破，2003，20（1） 28-30. ［1］ GUO Jian-qun，ZHANG Ji-chun，CAO Xiao-jun，et al. Controlled blasting technique for excavation of the shallow tunnel under high buildings［J］. Blasting，2003，20（1） 28-30.（in Chinese） ［2］ 陈明辉， 翁敦理.光面爆破技术在城市地铁隧道施工 中的应用［J］.现代隧道技术，2012，49（2） 132-136. ［2］ CHEN Ming-hui，WENG Dun-li. Application of smooth blasting technique in the construction of urban metro tun- nels［J］. Modern Tunnelling Technology，2012，49（2） 132-136.（in Chinese） ［3］ 刘俊轩， 栾龙发， 张智宇， 等.全断面光面爆破技术在 坚硬岩巷掘进中的应用［J］.爆破，2014，31（3） 80-84. ［3］ LIU Jun-xuan，LUAN Long-fa，ZHANG Zhi-yu，et al. Ap- plication of whole section smooth blasting technology in hard rock drift driving［J］. Blasting，2014，31（3） 80-84. （in Chinese） ［4］ S Paul Singh，Peter Xavier. Causes，impact and control of overbreak in underground excavations［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2005，20（1） 63-71. ［5］ 刘 冬， 高文学， 刘明高.隧道超欠挖成因及其控制技 术［J］.地下空间与工程学报，2007，3（8） 1468-1471. ［5］ LIU Dong，GAO Wen-xue，LIU Ming-gao. The cause of excessive or insufficient excavation in tunnel construction and its control［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3（8） 1468-1471.（in Chinese） ［6］ YANGKYUN Kim，HYUN-KOO Moon. Application of the guideline for overbreak control in granitic rock masses in Korean tunnels［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2013，35（3） 67-77. ［7］ 汪学清， 单仁亮， 黄宝龙.光面爆破技术在破碎的软岩 巷道掘进中的应用研究［J］.爆破，2008，25（3） 12-16. ［7］ WANG Xue-qing，SHAN Ren-liang，HUANG Bao-long. Application research on smooth blasting for cracked soft rock tunneling［J］. Blasting，2008，25（3） 12-16.（in Chi- nese） ［8］ 吴兰冬， 陈灿寿， 柏春伟， 等.深埋硬岩中光面爆破设 计优化及经验公式［J］.爆破，2016，33（2） 62-66. ［8］ WU Lan-dong，CHEN Can-shou，BAI Chun-wei，et al. Op- timum design of smooth blasting technologyand empirical ula in deep-buried hard rocks［J］. Blas- ting，2016，33（2） 62-66.（in Chinese） 英文编辑 任高峰 75第35卷 第4期 张继春， 潘 强， 郑爽英， 等 特大断面公路隧道的光面爆破技术研究 万方数据