高速公路隧道掘进爆破施工技术的探讨

高速公路隧道掘进爆破施工技术的探讨

                       路桥公司   徐晓伟 

【摘  要】本文主要对高速公路隧道掘进的爆破施工技术问题进行了探讨，首先概述了隧道掘进爆破的发展历史及我国隧道掘进爆破技术的改进，然后分析了隧道掘进爆破的超欠挖问题，最后探讨了隧道掘进微振爆破技术的应用。

一、隧道掘进爆破技术概述

1、隧道掘进爆破的发展历史

掘进爆破技术发端于十七世纪初期，当时匈牙利人在进行矿山巷道的掘进时，首次采用了黑火药进行爆破施工，此时的爆破技术非常落后，施工人员采用手工方式开凿炮眼，工作进度缓慢、效率低下，这种方式延续了100多年，到了十八世纪中期，随着风动凿岩机的发明及大规模的使用，手工开凿方式才逐渐被淘汰。在欧洲仙妮丝铁路隧道修建时，第一次采用了药卷方式进行爆破，而在修建圣哥达隧道时，这种技术已经日趋完善了。到了上世纪中期，瑞典人发明了光面爆破技术，该技术通过控制不同的炸药能量，使得爆破后能够较好的维护围岩的完整性，提高围岩的稳定性，减少了超欠挖量。随后，美国人对此技术进行了进一步的改进，并形成了隧道缓冲爆破法、隧道预裂爆破法等一系列先进的爆破方法。

2、我国隧道掘进爆破技术的改进

在上世纪五十年代初期，我国的隧道掘进爆破主要依靠人工开眼打钻的方式进行，这种方法不仅效率低，而且存在着很大的安全隐患。到上世纪六十年代，我国隧道掘进技术有了很大的发展，垂直掏槽技术和倾斜掏槽技术得到了广泛应用，并且在铁路隧道施工中开始引入光面爆破技术，另外爆破炸药也开始使用硝化甘油炸药和硝铵炸药。随着我国多年的隧道爆破工程实践和技术积累，到了1985年，我国成功解决了在断层破碎地质条件下的大断面隧道控制爆破技术，从而一举使我国成为隧道爆破技术强国。

二、隧道掘进爆破的超欠挖问题分析

1、超欠挖的形成原因

形成超欠挖的原因多种多样，归结起来主要分为主客观两个原因：（1）客观原因主要指地质原因：围岩一般会存在着明显的裂隙或节理，那么在爆破完成以后围岩没有按照炮孔的切割线得以破坏，就会沿着裂隙或节理的结构面形成破坏，从而导致了超欠挖；（2）主观原因主要指爆破技术：如果使用炸药的药量偏大，就会形成超挖，而药量偏小，就会形成欠挖，如果炸药的起爆间隔时间短，信号的叠加范围就会扩大，导致振动速度较高，也会造成超挖。另外，如果光爆层厚度较小，孔与孔之间的光面裂纹未贯通之前就容易形成爆破裂口，在围岩产生龟裂面，也会产生超欠挖。

2、超欠挖对施工的影响

高速公路隧道掘进的超欠挖肯定会对施工产生不良的影响，首先会影响工程的进度，超挖会造成“三长”现象，即出渣时间长、支护时间长以及衬砌时间长；其次，超欠挖会影响工程质量，比如超欠挖会影响支护厚度，当厚度达到一定值时，工程质量就会被认定为不合格，超挖的凹陷部位还会影响混凝土的附着，同样影响工程质量；最后，超欠挖会提高工程造价，超欠挖会使工程的材料成本和人员成本增加，从而导致了工程造价不断提高。

3、解决超欠挖的措施

对于超欠挖问题，在工程实践中主要通过光面爆破法和预裂爆破法来解决，光面爆破法的特点是轮廓线上的炮眼（周边眼）是在其它炮眼爆破后最后起爆，周边轮廓线上炮眼数较少。根据断面不同，施工方法可分为光面层光面爆破法和全断面一次爆破光面爆破法，预裂爆破法与光面爆破法正好相反，是在轮廓线上钻凿密集的炮眼，并先于其他炮眼起爆，这样使该轮廓线上形成裂缝，然后再在其他炮眼起爆后构成光滑的平整壁面；预裂爆破可以起到较好的隔振作用，一般适用于岩体较为完整的硬岩、中硬岩中深眼及深眼爆破。

三、隧道掘进微振爆破技术的应用

1、技术原理

微振爆破技术主要是通过通过控制爆破的振动来达到理性爆破状态的一种爆破技术，一般而言，为了降低爆破振动对周边的破坏，都会对炸药的药量进行控制，但是这仅对软弱地质段较为有用，而对于坚硬围岩的爆破效果并不理想。这就需要根据爆破振动波的监测结果，结合隧道内安全振动速度指标来综合设计最大装药量，这个过程就是微振爆破技术的核心内容，在采用微振爆破技术时，可以通过多种方式降震：（1）炸药分散安装：通过加多炮眼数来实现分散装药，多打眼、少装药，有些部位甚至间隔装药，减少单点爆炸释放的能量；（2）截断振动波：在某些可能引发滑坡的低端采用预裂爆破技术，将围岩用预裂缝与爆破体隔开，这样做可以阶段爆破的振动波，起到减震的作用；（3）增加延时段数量：利用露天矿减震的逐孔起爆技术和减震原理，增加爆破雷管的延迟段数量，这样可以降低单响最大装药量，从而减小爆破振动的危害；（4）不耦合装药：通过加大炮孔的直径，可以使炸药在孔内安装时处于不耦合结构，当炸药在爆炸时不直接作用于围岩上，而是直接作用于孔内空气中，再递延到岩壁上，这样就可以有效的减少爆破振动波传递的能量，起到了减振的目的。

2、方案设计

微振爆破方案设计由多个环节组成：（1）计算最大允许用药量：该药量以允许爆破振动速度来决定，可以由萨道夫斯基公式来计算；（2）确定装药结构：软岩可采用导爆索装药结构，一般情况下要采用小直径连续装药或间隔装药结构，对于眼深小于2米的情况，可以采用空气柱状装药结构，在有瓦斯、煤尘爆炸危险的地段要采用正向装药结构；（3）选定掏槽形式：由于掏槽眼在爆破中形成的振动强度要高于其他部位炮眼的振动强度，所以要选择振动强度小的楔形掏槽形式；（4）明确循环进尺：循环进尺的具体确定要根据工程地质条件来确定，同时要控制各段爆破的段用药量以及一次爆破的总用药量，这样才可以达到减震的目的；（5）底板眼爆破：底板眼爆破一般有两种爆破方法，即同时起爆和分段起爆，前者属于传统方法，这种做法便于出渣，但是同时起爆也存在着振动强度较大的问题。而采用分段起爆可以避免装药量过大，有利于降低振动强度，确保隧道围岩的安全性，所以要根据工程的实际情况，确定底板眼爆破方案。

3、振动监测

    可以通过振动监测设备进行隧道掘进爆破振动的监测，该设备由一个发射换能器和两个接收换能器构成，其工作原理是将该设备置于岩体的钻孔中心，发射换能器辐射的声波，满足入射角等于第一临界角的声线，在岩体孔壁的声波折射角小将等于90度，即声波沿着钻孔孔壁滑行，然后又分别折射回孔中，由两个接收换能器分别接收。根据振动检测的数据，随着测量次数的不断增加，同一深度爆破后比爆破前的波速小，这说明围岩的损伤随着爆破作业的进行在增加，振动强度越强损伤越严重，通过振动监测，可以及时调整爆破方案，使爆破振动始终处于可控范围之内，以保证隧道掘进施工的安全。