控制爆破技术在公路隧道软弱围岩开挖中的应用
姜 永 源
(福建省第一公路工程公司 泉州：362000)
摘要：本文从控制隧道掘进爆破产生的震动效应以减轻爆破震动对软弱围岩的扰动出发，介绍软弱围岩钻爆法施工的爆破设计方法和爆破参数的选定以及在实际施工中推广使用的情况。
关键词：公路隧道、软弱围岩、控制爆破。 一、引言
公路隧道修建中每座隧道或多或少会遇到软弱围岩，而软弱围岩严重影响着隧道的施工进度、施工安全及营运安全，并能产生病害。把控制爆破技术应用至大断面公路隧道软弱围岩的开挖施工中，对开挖进度、爆破方式进行合理控制，并根据围岩性质的改变和量测的数据及时对爆破数据进行调整，达到减少对围岩的扰动，维护围岩的稳定，确保施工安全，实现大断面掘进，提高隧道施工速度有着极为重要的意义。本文结合南同公路深格隧道工程实例，对隧道施工中软弱围岩开挖爆破进行探讨分析。 二、工程概况： 1、工程概况：
南安至同安公路地处南安市与厦门市同安区两辖区的边缘带，线路从南安市翻越深格山岭进入同安境内，设计将翻越山岭段改为隧道，以此改善线型缩短线路长度。该路段线路长为2.218km，其中隧道长1.713m。隧道为单洞双向行车，建筑限界为净宽10.5m、净高5.0m、纵坡+2.5%，设计荷载汽-20，挂-100。 2、工程地质与水文地质概况：
该路段区域属剥蚀残丘地貌单元，山岭陡峻，山体自然坡度为40～60°，谷底的堆积物为冲积层组成，隧道区段地层组成为中生代燕山早期花岗岩侵入活动的产物，以中粗粒花岗岩为主，呈强风化至弱风化状，多分布于隧道进口端。其次是侏罗纪南园阻凝灰岩和第四纪的沉积物，凝灰岩覆盖于花岗岩上部，呈强风化状，多分布于隧道出口端。隧道区域山体地表水有四条水沟汇成一起由东向
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西流，与隧道走向平行且均位于隧道之上，地下水以基岩的裂隙水为主，受季节影响变化明显。 3、施工方法：
根据工程地质勘察报告提示：隧道区段围岩类别为Ⅱ～Ⅳ类，为控制围岩变形，确保安全施工，我们采取大断面开挖，以减少分块开挖，达到减轻对围岩的扰动，控制围岩的变形，提高围岩的自承力。施工方法采用正台阶法开挖，自行式整体液压钢模板衬砌台车灌注砼。 三、控制爆破设计
影响爆破震动的因素较多，至今仍很难用一个公式精确表示，通常采用下面
Ｑ Qa 公式概括表示： Ｖ=Kβ— ，式中Ｖ— 震动速度，Q—装药量，R—距爆破点的Ｒ Rβ ａ距离，K、ａ、β—与炸药种类、爆破方法、地质条件等因素有关的系数。对于公路隧道钻爆法开挖来说，要考虑的主要因素有：
a、隧道断面较大，一次爆破需用炸药量较多，因此要设法减少炸药用量来降低震动速度；
b、国内目前生产的毫秒雷管段数较少，一次爆破用药量大，就会使段装药量大而使震动速度增大，必须采取措施增加毫秒雷管段数。
c、掏槽眼只有一个临空面，比相同装药量的其它炮眼产生较强的震动速度，所以应选择合理的掏槽形式；
d、一次爆破进尺和开挖断面面积是影响炸药用量的主要因素，为降低炸药用量要控制眼深和选择合理的开挖方法；
e、炮眼是否堵塞影响炸药用量和爆破效果，不堵塞将使炸药用量增加和爆破效果不佳，为控制炸药用量，施工要做好炮眼堵塞。
根据公路隧道断面大特点和影响爆破震动强度的因素，软弱围岩隧道施工采用大断面钻爆法开挖，其关键技术是控制爆破对围岩的扰动，把控制爆破技术应用于软弱围岩开挖施工，其目的是降低爆破震动强度、减少对围岩的扰动破坏，维护围岩自身的稳定性，实现大断面掘进、提高施工进度，达到较好的轮廓成形。为此，隧道开挖控制爆破是对拱部采用光面爆破、边墙采用预裂爆破、核心采用控制爆破、掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破方法。 1、开挖方法的选择：
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在软弱围岩隧道施工时，选择开挖方法，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面尺寸、施工机械、工期的可行性。同时还应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成失误和增加不必要临时措施的投资。施工方法宜以大断面少分块的方法，以减少对围岩的扰动。Ⅱ～Ⅲ类围岩地段施工，围岩虽然软弱，但整体性较好，自稳时间较长的地质条件下，可采用半断面微台阶法开挖。当围岩整体性较差，自稳时间短的情况下，可采用长台阶法开挖。根据本工程地质勘探资料揭示，隧道区域地质变化较大，为此开挖方法采用微台阶法，以适应围岩变化时施工方法的调整。 2、开挖进尺确定：
软弱围岩隧道循环进尺的长短，对维护围岩自身的稳定起着至关重要的作用。开挖进尺长造成支护不及时易造成开挖面坍塌，开挖进尺过短影响支护，工序干扰大，进度缓慢。因此，开挖进尺应谨慎对待，应根据围岩类别、机具设备、进度等要求合理确定，以保持各工序相互衔接，均衡施工。开挖进尺可按下式估算：
L max＝0.8h max+tg(45°-Φ/2)/[2×(1+tgΦ)] L max－一次循环开挖最大进尺
h max－最大开挖高度(m)，Φ－岩体内磨擦角。
按上式根据实际地质条件计算的开挖进尺，应满足施工技术规定要求，在软弱岩质中，进尺控制在1～2m之内为宜。 3、爆破参数选定 ⑴、炮眼数估算：
炮眼数的多与少影响着爆破效果以及开挖进度，正确确定炮眼数目是取得良好爆破效果和提高掘进速度的重要条件之一。进行爆破设计时炮眼数量可以采用总装药量与单个炮眼装药量之比计算即： N=（K·S）/（n·r）
式中：N—炮眼数目（个），采用光面爆破炮眼应增加10%～20%左右。 K—单位耗药量（kg/m3），应按岩体抗压强度，开挖断面大小及开挖部位不同而有所区别，一般可按爆破规程的参考值选用。见表一
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表一 软弱围岩爆破炸药单耗Ｋ取值
地质条件 砂质页岩Ⅱ类 泥质页岩Ⅱ类 千枚岩 （f=1～1.5） 板岩断层Ⅱ类 砂泥岩互层（f=2.5～6）
S—开挖面积（m）
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开挖方法 拱部光爆 半断面短台阶 半断面短台阶 全断面预裂 分部开挖
炸药类型 岩石硝铵 岩石硝铵 岩石硝铵 乳胶与硝铵 岩石硝铵 ｋ（kg/m） 0.3～0.4 上断面0.52 下断面0.31 上断面0.61 下断面0.42 0.75 1.2 3 n—装药系数：按爆破规程参考值选用软弱围岩的炮眼平均装药系数在0.2～0.4范围内选取。
r—线装药密度：按实际使用药卷直径参照爆破规程参考值选用。见表二
表二 线装药密度r值表（kg/m）
药卷直径(mm) r值 25 0.6 32 0.78
⑵炮眼深度L：软弱围岩隧道开挖采用钻爆法施工时，一般应采用浅眼爆破，控制一次爆破的总用药量，以控制爆破对围岩的扰动。炮眼深度通常以循环进尺作为眼深，掏槽眼比掘进眼深10%～20%左右。 ⑶、炮眼布置：
应先布置掏槽眼，再按光爆规则布置周边眼，然后是底板眼、内圈眼，最后布置掘进眼。通常内圈眼应比掘进眼密一些，比周边眼稀一些，其间距为周边眼间距的1.5倍左右，抵抗线为间距的0.7倍左右。底板眼爆破时负荷较大，应比掘进眼适当加密，稀密程度可与内圈眼相近。 ①、周边眼参数：
a、周边眼间距E；一般可根据技术规范中光爆诸参数表的参考值选用（见表三），或根据经验公式计算，即E=（8～12）d（d为炮眼直径）cm。
35 0.96 38 1.1 4
软弱围岩由于岩面的自重有助于周边眼起爆后对岩面周边眼开裂，不仅可以保证爆破效果，而且对降低爆破度较为有利。布眼时应按短开挖、弱爆破原则，采用密眼少药的控制爆破，以降低周边眼的爆破振动强度，保护围岩稳定，确定间距时一般取二者的较小者为值。
表三 光面爆破参数表 参数 岩石种类 硬 岩 中硬岩 软 岩 饱和单轴抗压极限强度 Rb(Mpa) Rb＞60 30＜Rb≤60 Rb≤30 装药不偶合 系数D 1.25～1.50 1.50～2.00 2.00～2.50 周边眼间距 E(cm) 55～70 45～60 30～50 周边眼最小 抵抗线W(cm) 70～85 60～75 40～60 相对距 E/W 0.8～1.0 0.8～1.0 0.5～0.8 周边眼装药集中度(kg/m) 0.3～0.35 0.20～0.30 0.07～0.15
b、周边眼最小抵抗线W设计时可按技术规范中光爆参数表的参考值选用或按经验公式W=(1.0～1.5)E计算，软岩E/W=0.5～0.7时，周边眼与内圈眼间距较合理，计算时可采用W=2.0～1.4E。设计时可选用二者中较大者为试爆参数。 ②、周边辅助眼：
a、周边辅助眼间距E′：整体性好的硬岩布眼宜密，较破碎的软岩布眼宜疏，其间距设计时比周边眼可大点，一般为E′=1.5E取值。 b、周边辅助眼抵抗线W′：设计时可按W′=E′/0.7取值。
③、扩大眼：软弱围岩爆破震动对围岩的稳定影响很大，设计时应充分考虑影响爆破震动的因素。扩大眼采用线形布置，临空面好，可提高炸药能量利用率，减少炸药用量，有利于降低爆破震动速度。布眼时应结合围岩物理力量性质进行布设，破碎的软岩或重风化岩体一般应稀疏一些，其间距一般可按（2～3）E布眼。
④、掏槽眼：掏槽眼形式有多种，掏槽眼布设合理与否，影响着钻爆的效果，应充分比较选择。因此，从隧道爆破开挖质点振动的观测中发现，掏槽爆破的震动强度比其它部位爆破的震动强度都要大，设计时应从减轻掏槽爆破震动强度和维护围岩自身稳定出发，根据不同的地质条件，不同的开挖方法，以及机具配备等因素选用。Ⅱ～Ⅲ类围岩，岩体松软、破碎，循环进尺一般小于1.2m～2.0m。采用单式楔形掏槽，掏槽深度较易控制，能使掏槽的单段药量减少，保证减震效果。其布设见图1：
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20202002101003024224030100 图1 掏槽眼布设图 ⑤、单眼装药量的计算：
a、周边眼单孔用药量计算：设计时可按下式计算：qZ=πdi2βLρ0/4 qZ—周边眼单孔用药量 di—药卷直径（cm）
Ｅ·Ｗ［τ］＋［υｅ］·Ｅ·Ｌ β—光爆炮眼装填系数：β＝──────────────── （［υｃ］·ｄｋ＋［υｅ］·Ｅ）·Ｌ
其中［τ］—岩体抗剪强度（Pa），［υｅ］—岩体抗拉强度（Pa），［υｃ］—岩体抗压强度（Pa），
ｄｋ—炮眼孔径（cm），ρ0—炸药密度（g/m3），Ｅ—周边眼距，Ｌ—周边眼深。
b、其它部位炮眼用药量计算：ｑ＝Ｋ·ａ·Ｗ·Ｌ·λ 式中：ｑ—单眼用药量 Ｋ—装药系数 ａ—炮眼间距（m） Ｗ—炮眼方向抵抗线（m） Ｌ—炮眼深度（m）
λ—炮眼所在部位系数，见表四
表四 λ参考值表
炮眼部位 掏槽眼 λ值
2～3 扩槽眼 1.5～2.0 掘进槽(下) 1.0～1.2 掘进槽(侧) 1.0 6
掘进槽(上) 内圈眼 二台眼 底板眼 0.8～1.0 0.5～0.8 1.2～1.5 1.5～2.0
⑷、总装药量计算：一般按公式Q=K·S·L计算 式中Q—一次爆破总装药量（kg） K—单位耗药量（kg/m3） L—炮眼深度（m） S—开挖断面（m2） ⑸、最大一段允许用药量的确定
一般采用类似工程条件的爆破振动速度衰减规律经验公式计算。计算公式为 Qmax = R3（Vkp/K）3/a
式中：Q max—最大一段允许用药量kg； Vkp—振速安全控制标准，参考值见表五； R —爆源中心到振速控制点的距离，m；
K —与爆破地震波传播途径介质的性质有关的系数，参考值见表六； a —爆破振动衰减指数，参考值见表六；
表五 隧道及地表建筑质点振速安全控制标准参考值
适用条件 隧道内距 掌子面一 倍洞径处 软岩 地质特征及建筑特征 1、Ⅱ～Ⅲ类围岩整体性好，开挖后自稳时间4h以上 2、Ⅱ类围岩整体性差，开挖后自稳时间4h以上 3、Ⅱ类围岩整体性极差，开挖后自稳时间较短 4、Ⅱ类围岩（偏低），整体性差，自稳时间较短 中硬岩 Ⅳ类围岩整体性好，Ⅴ类围岩整体性差一些 硬岩 Ⅴ类围岩整体性好，及Ⅴ类围岩以上 振速控制值(cm/S) 5 3 1.5 ＜1 10 15 表六 K值、a值——经验参考值
地质特征 Ⅱ类围岩、页岩与砂质岩，深灰、灰绿色呈薄层状，层厚1～2cm f值1～1.5cm，系极严重风化破碎的千枚岩，呈近似直立型片状层理 砂岩、节理裂隙发育，f=1～1.5，岩样单轴抗压强度0.8～2.2Mpa 泥砂岩地层单斜构造,节理稍发育 K值 16 42 325 370 a值 1.29 1.67 2.40 2.11 Q/R值范围 0.1～1.3 0.04～0.4 0.03～0.09 0.02～0.1 1/3
⑹、装药结构：
①、周边眼装药结构：软弱围岩爆破常用的有以下三种装药结构
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a、破碎软弱围岩采用双导爆索装药 雷管导爆索 炮泥导爆管 b、软岩类岩层采用导爆素间隔装药结构 炮泥雷管导爆索小药卷竹片导爆管 c、较为完整的软弱岩层采用小直径炸药连续装药结构
炮泥雷管导爆索小药卷导爆管 根据工程的地质条件选择采用小直径药卷连续装药结构，其优点是装药简单易于操作，可靠性高。
②、其它部位炮眼装药结构：一般采用连续装药结构。 ⑺、爆破器材：
a、炸药：软弱围岩强度低，声阻抗系数小，根据爆轰理论，炸药爆轰速度直接影响质点震动速度，要降低质点震动速度和减轻对围岩的扰动，周边眼爆破应选用低爆速炸药，其它眼应视开挖面渗水情况选用硝铵炸药或乳化炸药。 b、雷管选择：
毫秒雷管是决定段装药量的关键，对较弱围岩爆破来说，段与段间如果小于25ms震动波就会产生迭加，为减轻对围岩的震动，段与段间隔时差就考虑控制在100ms范围，雷管应有足够的段数，设计考虑跳段使用，以满足减少段装药量和降低震动速度的要求，提高掏槽效果和炮眼利用率，达到较好的爆破效果。一般选用目前国内生产的1～15段非电毫秒雷管基本能满足要求。 ⑻、爆破设计参数
根据上述计算方法，经现场取样对岩石强度试验后进行设计，以Ⅲ类围岩正台阶开挖控制爆破为例，爆破参数计算结果如下： a、炮眼布置：
上下断面炮眼布置见图2：（循环进尺2.0m）
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507075108111001009497303130135606010057513100149813512621004266×505×704792×381001001113707511×807576701169.420202002101003024224030100图2 Ⅲ类围岩炮眼布置图L=200cm
b、装药参数见表七
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429761007表七 Ⅲ围岩短台阶开挖爆破参数表
毫秒雷管段号 1 3 5 6 7 上半断面 8 9 10 11 13 14 1 2 3 4 下半断面 5 7 9 11 13 钻眼参数 炮眼名称 眼深 掏槽眼 掘进眼 掘进眼 掘进眼 掘进眼 内圈眼 内圈眼 周边眼 周边眼 底板眼 底板眼 小计 周边眼 周边眼 掘进眼 掘进眼 掘进眼 掘进眼 掘进眼 底板眼 底板眼 小计 2.2 2.1 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 间距 1.2 0.3 1.0 1.0 1.0 0.75 0.75 0.5 0.5 0.75 0.75 0.5 0.5 0.7 0.7 0.98 0.98 0.98 0.75 0.75 炮眼个数 6 6 4 6 6 10 9 17 16 8 7 95 9 9 6 6 10 10 10 6 6 72 167 装载量（kg） 备注 单孔装药量 段装药量 1.34 1.26 0.6 0.6 0.6 0.3 0.3 0.25 0.25 0.9 0.9 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.8 0.8 8.04 7.56 2.4 3.6 3.6 3 2.7 4.25 4 7.2 6.3 52.65 2.7 2.7 2.4 2.4 4 4 4 4.8 4.8 31.8 84.45 主要指标: 断面积S=95m2 炮眼数N=167个 循环进尺寸L=2.0m 单位耗药量: 部位 q上=0.53kg/m3 q下=0.35kg/m3 单位炮眼数:1.76个 全断面合计 10
结束语：
公路隧道在软弱地质条件下采用钻爆法开挖，实践证明应用控制爆破技术，实现了大断面少分块的开挖，与传统的分部分块开挖方法比较，减少了对围岩的扰动次数，简化了工序，为锚喷支护创造了有利的条件，实现了对围岩进行及时支护，使围岩的变形得到有效的控制，能保证安全施工。同时可以有效地减少超欠挖，提高掘进速度，经济效益明显。
参考文献：
1 张志毅、王中黔，交通土建工程爆破工程师手册，人民交通出版社，2002 2 公路隧道施工技术规范，人民交通出版社，1995
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