中铁十四局集团海外工程分公司 山东济南 250000
摘要：针对沪昆客专湖南段大关2#隧道超欠挖控制效果差的问题，我们开展了对层理结构及破碎围岩光面爆破技术研究，通过优化软弱围岩部分的炮眼间距、装药量和毫秒时间差等参数，抵消不平衡的岩体应力，获得良好的光面爆破效果，旨在为类似复杂围岩条件下隧道工程施工提供参考。
关键词： 层理结构 破碎围岩 光面爆破 岩体应力
Study on?the Smooth Blasting Technology for Complex Surrounding Rock Tunnel
Huang Jiangong
(China Railway 14th Bureau Co. Ltd. ，Jinan 250000，China)
Abstract：Aiming at the problem of poor control effect about over excavation and undercutting in Hukun passenger special express Hunan section Daguan 2 # tunnel, we carried out the research on the blasting technology of stratification structure and fractured surrounding rock, by optimizing the hole spacing, explosive load and millisecond time parameters in weak rock to offset unbalanced stress of rock mass and obtain good effect of smooth blasting. The purpose of this study is to provide reference for tunnel engineering in the conditions of complex surrounding rock.
Keywords： bedding structure; broken surrounding rock ; smooth blasting; rock mass stress
1[] 大关2#隧道工程简介
大关2#隧道位于湖南省怀化市境内，全长912米，隧道最大埋深141.53米，洞身穿过地层主要为板溪群马底驿组二段（Ptbnw2）钙质板岩，板溪群马底驿组三段（Ptbnw3）绢云母板岩。隧道进口处为第四系全新统坡积（Q4dl）粉质黏土、碎石土，出口处为第四系全新统残坡积（Q4dl+pl）碎石土，局部基岩出露。
岩层产状：隧道在DK389+333~DK389+465段通过向斜核部，褶皱核部岩性从上至下依次为板溪群马底驿组三段绢云母板岩、板溪群马底驿组二段钙质板岩，隧道区马底驿二段与马底驿三段呈整合接触，两翼从小里程向大里程岩层产状分别为296°∠39°，254°∠10°。
Ⅲ级围岩310m，Ⅳ级围岩355m，Ⅴ级围岩247m。实际施工中发现，Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩较长一段距离围岩都含有泥炭土夹层的层理结构和局部破碎结构，断裂带斜切洞身，施工中易出现坍塌和掉块，给隧道光面爆破施工带来了很大的困难和安全隐患。
2 大关2#隧道层理结构及破碎围岩光面爆破施工的影响因素分析
2.1 应力变化对围岩造成的不利的影响
对于这种层理结构及破碎围岩，隧道开挖之前，地层处于原始应力状态，非整体的各部分相互支撑，保持着相对平衡。隧道开挖后，围岩出现了临空面，失去了原有岩体的相互支撑作用，围岩相互支撑的平衡作用发生改变。这种结构复杂的围岩由于众多结构面的存在，结构面的不利组合极易形成不稳定结构体，难以形成拱形支撑效应，从而使爆破很容易形成结构面脱落、掉块甚至较大规模的塌方，不但难以达到较好的爆破效果，还可能危及施工人员的安全。
2.2 爆破对围岩的影响
这种层理结构及破碎围岩因整体性差，结构面发育，爆破后很难形成较为圆顺的轮廓[1-2]。尤其是拱顶部位的断裂带和洞身右侧松散岩体，要取得较好的光面爆破效果是非常困难的，这主要是由于边墙部位松散岩体受爆破震动的影响加剧其不稳定性，而拱顶层理结构斜切洞身处的岩石由于失去下方岩石的支撑，在爆破震动及其自重的作用下很容易形成沿结构面的脱落，再加上层理结构的斜向发育，在拱顶部位层理结构和洞身轮廓交接处围岩将沿某一结构面掉落而出现超挖。
2.3 大关2#隧道围岩的特点
大关2#隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩地段含斜向层状节理且带有泥质夹层，遇水浸泡后手捏即碎，右侧起拱线处围岩破碎松散，Ⅳ级围岩裂隙发育，岩体均较为破碎，围岩稳定性差，易掉块，地质条件极为复杂。层理结构的斜向发育、泥质夹层和部分破碎岩体等因素增加了光面爆破的难度，使得爆破后很难在洞壁上留下半孔，围岩沿开挖轮廓往往成块成片的剥落，给隧道开挖带来了极大的困难，超欠挖严重，除去回弹混凝土，初期支护喷射混凝土超方量仍超过50%，即使如此，左侧斜向层理处有时还会出现欠挖补炮的情况。
3 对该类围岩施工经验总结的必要性
爆破过程中对岩体的震动加大了软弱围岩的破坏作用，增加了围岩失稳和坍塌的概率[3]；初期支护混凝土严重超方，很大程度上提高了施工的成本；超挖处理不到位，二衬混凝土背后极易出现脱空现象，将给工程质量留下很大隐患。这些情况都对安全施工、成本控制、工期保证等造成了极为不利的影响。
通过实际施工中有针对性对特征围岩调整爆破参数，改进光面爆破技术，加强对层理结构及破碎等含多种不利因素围岩的光面爆破技术探索总结，就具有了极强的现实意义。
4 大关2#隧道爆破参数探索
大关2#隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩地段均含有层理发育和破碎围岩的情况，为了便于总结说明，本文只针对比较典型的Ⅳ级围岩上台阶施工部分进行探讨。好的爆破是在各炮孔间形成贯穿的裂缝而不破坏围岩的整体性[4]，在实际施工中通过适当调整爆破参数，以期达到较好的爆破效果[5]。
4.1 掏槽眼参数确定
研究表明[6]：具有自由面，是进行爆破工作的必要条件。针对层理结构和破碎岩层并存的开挖，首要的就是要减轻对隧道右侧破碎围岩爆破震动和克服节理岩层部分的不平衡夹制作用[7]，为岩层形成一个新的自由面。
楔形掏槽可以充分利用自由面，使用雷管和炸药量也相对较小[8]，这样不仅可以有效的控制震动速度，而且容易掏出槽来，且能使掏槽的单段用药量减少。围岩较为完整部分掏槽眼间距为45cm，层理结构处炮眼间距适当减小至30cm~35cm。布置炮眼时，使其尽量不设置在泥质夹层内，分布根据岩层走向进行一定的不平均分布，这样有利于抵消岩石的不平衡夹制作用，也能够促进洞身岩层的欲裂。掏槽眼同工作面的交角为65o±5o。为达到较好的掏槽效果，孔深由内向外分3种深度155cm、250cm、300cm，预计循环进尺2.6m，最深掏槽眼底较辅助炮眼深20cm，能为辅助炮眼爆破提供一定的临空面，从而达到预期爆破效果。工程实践中已经证实，较小的不耦合系数能形成更有效的掏槽效果抛石距离近且集中，根据大关2#隧道的实际情况，掏槽眼的不耦合系数应选取1.0~1.2。
4.2 周边眼参数确定
隧道周边眼的几个重要参数：周边眼间距E、最小抵抗线W、装药集中度q、周边眼的密集系数E/W、装药不耦合系数D。
大关2#隧道采用直径d=42mm炮眼，一般周边眼间距按E=(10~15)d选取，由于洞身左上斜向层理发育和右侧岩体破碎，岩层整体性条件较差，应选取较小的炮眼间距，在层理和洞身交面处和破碎围岩处选取炮眼间距22±1cm，整体性较好的地方采用周边眼间距45cm，周边眼的密集系数E/W取0.75，故W=45/0.75=60cm。本隧道因地下水原因须采用防水效果较好的乳化炸药，规格直径25、200mg。故装药的径向不耦合系数D=42/25=1.68。周边眼选取较大的径向不耦合系数，并结合实际操作时的纵向的不耦合装药能够有效减少对围岩的扰动。同时，周边眼也应按照不平衡分布法，根据层理结构的走向设置炮眼，不使其分布在泥质夹层内，以有效切断层理结构为原则。针对隧道围岩层理结构及局部破碎，周边眼应符合多打孔少装药的原则，装药集中度调整为最小值，以形成弱爆破，减少周边眼爆破时对围岩的破坏作用。
在实际施工中，受到空间限制，周边眼会难以避免的形成一定的外插角，外插角过大时会造成周边眼孔底超出爆破轮廓线之外，形成人为因素的超挖。为防止周边眼外插角对光面爆破效果的影响，施工时应将周边眼按照爆破轮廓线向内收5cm,并通过上一循环初支至掌子面预留一定距离为周边眼提供工作空间，尽量减少外插角的角度。周边眼孔深设置为3m。
4.3 底板眼
根据以往施工经验和该隧道Ⅳ级围岩多次爆破效果，选取底板眼的炮眼间距和抵抗线均为90cm，炮眼长度3m[9]。底板眼布置按照平均炮眼间距，在破碎围岩处炮眼的装药量为正常底板眼的80%（每循环2-3个炮眼分布于破碎围岩内）。爆破时，底板眼应比周边眼先起爆，若周边眼先起爆，石渣将积压于底板岩体上，加强了底板岩石的夹制作用，不利于底板爆破。让底板眼先于周边眼起爆，则避免了这种情况。
4.4 炮眼布置及炮眼装药量表格
围岩炸药消耗量按照公式（1）确定：
Q = qSLo (1)
式中：q为单位体积耗药量（kg/m3）；S为爆破断面面积（m2）；Lo为循环进尺（m）。
炮眼数目按照公式（2）确定：
N=Q/(arLo) （2）
式中：r为装药的平均系数，装药长度和炮眼长度之比；a为单位重量（kg/m）。
经计算：N=119.3≈120，鉴于岩层条件较差，为形成较好爆破轮廓，取130个。炮眼布置及装药参数见表1，炮眼布置图见图1：
表1 炮眼布置及装药参数
图1 炮眼布置示意图（单位：cm）
5 大关2#隧道光面爆破效果
（1）周边轮廓基本符合设计要求，爆破后岩石壁面基本平整，层理结构和洞身交接处相比之前有明显的改善，右侧松散岩层出掉块现象得到控制，基本维持原有岩层的整体情况，整体起伏度在允许范围内。
（2）爆破后岩面保留有半孔痕，半孔率大于85%，洞顶断层有明显的半孔残留。
（3）爆破后，在围岩壁面上无粉碎损伤，也没有新增可见裂痕，对围岩破坏轻微，达到了有效保护围岩的目的。
（4）爆破后围岩稳定，大的危石浮石少，也未发现大的空洞，基本无剥落现象。
（5）石渣块度合适，渣堆集中，出渣方便。
6 结束语
通过在实践中不断的摸索，调整爆破的结构和参数，按照上述的方法，使得大关2#隧道的光面爆破达到了很好的效果。
（1）掏槽眼采用斜眼楔形耦合装药，克服围岩不平衡夹制作用，欲裂作用明显，为后续爆破创造了自由面，有助于外层炮眼发挥效力。
（2）周边眼采用径向和纵向的不耦合装药结构，通过空气的缓冲作用减轻震动和保护岩体，明显减少对围岩的破坏作用，保证了围岩的整体性和稳定性。
（3）为了在层理结构处形成比较平整的爆破轮廓，层理结构处和破碎岩层区域应多打孔、少装药。炮眼不能分布于泥质夹层处，尽量使其能够有效的切断层理岩石，同时要减少对围岩的破坏。周边眼和内圈眼甚至掏槽眼不平均分布，以炮眼分布的不平整和装药量的不平衡对抗岩体应力的不平衡，“不平衡爆破法”在这种情况下是能够达到很好的爆破效果的。
无论以何种形式进行光面爆破都应该加强监测和应力的分析，及时调整炮眼的分布和装药的方式，针对岩层的变化和爆破的效果，有针对性改进。
参考文献:
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论文作者:黄建功
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/12
标签：围岩论文; 炮眼论文; 隧道论文; 光面论文; 结构论文; 岩层论文; 大关论文; 《防护工程》2019年第5期论文;