在任何隧道爆破施工中, 主要有两个目标: 达到较快的掘进速度和最大限度地减少对周围岩体的损伤^[1]。传统的软弱围岩条件下大断面隧道爆破开挖方式, 要求将隧道断面分成若干部分, 在施工过程中导坑先进再逐步扩挖至全断面, 例如三台阶七步开挖法, 然而大量的工程实践表明, 这种方法并非总是安全的。一方面, 因大型机械设备作业空间狭窄, 工序间相互干扰大, 存在施工进度慢, 造成支护封闭成环滞后、工序步距超标等诸多安全隐患; 另一方面, 分步爆破开挖的作业方式间接增加了对围岩的爆破扰动次数, 易对已施工的初支造成破坏, 从而形成新的安全隐患。随着社会经济技术的发展, 对隧道施工安全保障水平以及施工作业进度提出了更高的要求。大断面爆破开挖能够充分发挥隧道机械化配套加快施工进度的优势, 具有工序简单、对围岩扰动次数少、施工效率高等优点, 因此, 研究软弱围岩隧道大断面爆破开挖, 实现更安全、更精确、更快速的爆破工程具有重要的工程实践意义^[2-4]。

众多学者已对软弱围岩隧道爆破开展研究。宗琦^[5]通过分析研究软弱岩石的爆破破坏特征, 构建了软岩光爆参数的理论计算模型; 李启月等^[6]分析了Ⅳ级围岩隧道全断面一次爆破可行性, 优化了Ⅳ级围岩隧道全断面爆破参数, 并展开现场试验, 光面爆破效果良好; 姚洪瑞^[7]提出了采用短进尺的浅孔弱爆破方案来降低爆破施工对围岩造成的扰动和提高围岩稳定性, 从而保证施工安全性; 陈洁金等^[8]针对软弱地层大断面隧道, 对比了三台阶七步法和三台阶临时仰拱法两种施工工法, 研究结果认为软弱围岩隧道中三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法; 马辉等^[9]对精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架进行了研究, 将其用于Ⅳ, Ⅴ级石质软弱围岩隧道, 以解决安全步距保持、进度保障等施工问题; 陈亮等^[10]分别从开挖方法、预支护、爆破参数、监测技术的应用等4个方面对高地应力大断面软岩隧道的开挖技术进行了研究。

综上, 目前尚缺乏针对软弱围岩隧道大断面开挖爆破施工参数的优化研究, 相关研究成果比较少。随着隧道机械化大断面法的大量应用, 急需研究和改善爆破技术, 最大程度减小爆破对围岩的扰动, 以保护围岩原有的稳定性。

本研究以东天山特长隧道斜井为工程背景, 通过对施工方案进行比选, 分析隧道软弱围岩稳定性, 选择采用大断面法进行施工, 并优化了软弱围岩大断面开挖爆破方案, 最后统计分析爆后监控量测数据, 论证了现场轮廓控制及围岩沉降收敛情况, 以期为类似隧道的安全快速施工提供借鉴。

东天山特长高速公路隧道单洞设计总长11. 78 km, 在隧道右线右侧设置1^#通风斜井, 其长2 130 m, 中部纵坡为-13. 083%, 每隔650 m设置长60 m的缓坡, 缓坡坡度为3%。开挖断面积达到70 m²。

斜井掘进面处于F2断层影响带, 围岩以中风化凝灰质粉砂岩以及强风化凝灰质砂岩为主, 节理裂隙发育, 地质评价为Ⅴ, Ⅵ级围岩。考虑到掌子面稳定性较差, 需对围岩进行加固, 施做超前支护方案为: 拱顶120°范围布置超前小导管, 环向间距40 cm, 搭接长度不小于2 m, 外插角6° ~ 10°。斜井断面轮廓图如图 1所示。

图 1 东天山隧道1#斜井超前支护轮廓(单位: m) Fig. 1 Profile of advance support for inclined shaft 1# of East Tianshan Tunnel (unit: m)

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隧道开挖方法尤其是钻爆法开挖, 取决于岩石的质量, 如表 1所示。然而这些开挖方法与围岩级别的关系, 只能做出大致的判断, 因为开挖方法的选择, 同样受到施工单位的经验和设备条件、隧道周边的环境条件、埋深、开挖尺寸和形状等诸多因素的影响^[11-12]。当前, 软弱围岩隧道多采用台阶法、CRD法等分部开挖方法, 难以充分发挥隧道机械化进步的优势, 存在施工效率低、对围岩扰动次数多、围岩封闭时间长等问题。随着社会经济技术的发展, 光面爆破、预裂爆破技术, 以及新奥法、新意法等支护手段逐步应用隧道施工中以后, 使在软弱围岩隧道开挖时有可能采用大断面, 乃至全断面法掘进^[13]。

东天山隧道斜井采用三台阶爆破开挖法, 存在作业循环时间长, 施工进度慢, 超欠挖严重、围岩变形严重等问题。为了利于机械臂湿喷机喷射混凝土、大型铲车出渣等施工设备作业, 充分发挥机械设备效率, 进一步提高隧道机械化施工速度, 同时更重要的为了使初期支护能够及时封闭成环, 控制围岩变形量。为此在东天山隧道斜井采用大断面开挖方法施工。

隧道大断面开挖工法不同于台阶法施工, 具有以下特点: (1) 采用大断面爆破开挖, 保证上断面施工操作空间大, 利于初期支护施工作业和机械臂湿喷机喷射混凝土施工, 保证喷射混凝土表面平整度以及减少回弹量。(2) 机械化施工效率提高, 施工速度快。(3) 作业空间大, 工序衔接简单, 仰拱、二衬等工序安全步距满足相关强制性规定要求。(4) 减少钢拱架单元模块连接, 增加钢拱架整体刚性, 既有利于减小围岩变形量又节约施工时间。

为了适当降低爆破规模, 减轻爆破对围岩的扰动, 将整个斜井断面分为上下两个断面开挖, 先开挖上断面, 再开挖仰拱及其上方小部分断面, 上断面高度主要由操作台架确定, 操作台架尺寸应满足正常通行机械、架设拱架空间高度、预留安装量等, 经计算, 确定上断面高度为6. 7 m。

软弱围岩隧道大断面开挖必须要研究优化爆破方案, 最大程度减轻爆破对围岩的损伤及扰动。目前, 利用峰值振动速度(PPV) 来判断爆炸引起的岩石损伤已经成为许多研究者的共识。这是因为围岩与衬砌中的峰值应变与PPV和压缩弹性波速度C_p有关, 如式(1) 所示^[14] :

(1)

式中ε为应变。

假设岩石为脆性破坏模式, 岩石在拉伸破坏前能够承受的临界峰值颗粒速度PPV_临界可由式(2) 计算得出:

(2)

式中, σ_t为岩石抗拉强度; E为弹性模型。

由通过地面振动预测方程, 可以给出爆破时产生的振动速度。因此, 可以通过控制围岩质点振动速度, 给出允许爆破规模的标准^[15]。

(3)

式中, V为质点峰值振速; K场地条件系数; Q最大单段药量; R为测点到爆源的距离; α为衰减指数。

由爆破安全规程可知, 软弱围岩隧道的垂直向振动速度不超过25 cm/s。同时, 新奥法要求喷射混凝土作为初期支护, 因此还要保证喷射混凝土不受爆破振动破坏开裂, 根据新浇混凝土安全质点振速指标^[16], 其峰值振速不大于5 cm/s。

斜井大断面爆破开挖炮孔布置图, 如图 2所示。由于上断面初支拱架仅由锁脚锚杆支撑并未封闭成环, 开挖时将上下断面通过孔外延期分开起爆, 避免上下断面同时起爆形成叠加振动波, 对初支拱架造成影响。同时, 下断面周边眼采用预裂爆破技术, 能够减小下断面爆破对围岩造成的二次扰动, 可对保护围岩稳定起到积极作用。综上, 采取光面爆破结合预裂爆破的综合爆破方案。

图 2 斜井大断面爆破开挖炮孔布置图(单位: m) Fig. 2 Layout of blastholes for large section blasting excavation of inclined shaft (unit: m)

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由前所述可知, 超前小导管长4 m, 为了保证其能够起到有效支撑作用, 每循环进尺要求不超过2. 4 m, 考虑到围岩软弱导致机械清理断面可能会增加少许进尺, 爆破方案设计进尺为2 m。因此, 掏槽布置采用单级掏槽即可, 根据工程经验及相关计算取: 眼口距a = 4. 8 m, 眼底距b = 0. 2 m, 排距c = 0. 6 m, 掏槽角β = 45°, 如图 2所示。

周边眼钻孔精度对于隧道轮廓控制非常重要, 钻孔偏差则会直接形成超欠挖, 对于软弱围岩而言, 还可能降低围岩的稳定性和整体性, 进而影响整个洞室的安全。如图 3所示, 斜井开挖钻孔时必须保证光爆眼与超前导管角度合理, 避免光爆眼外插角过大, 与超前小导管形成交叉, 导致小导管被破坏, 继而产生超挖。

图 3 光爆眼与超前导管钻孔示意图(单位: m) Fig. 3 Schematic diagram of smooth blasthole and advanced pipe drilling (unit: m)

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周边控制爆破参数主要有周边孔间距E、周边孔线装药密度q₁、光爆层厚度W、二圈眼药量q₂, 炮孔密集系数m等参数。由理论计算公式^[17], 计算得到软弱围岩下光面爆破及预裂爆破参数, 如表 2所示。

周边孔分为光爆孔与预裂孔, 均采用空气不耦合装药结构, 其中预裂孔装药量相比光爆孔高约30%。周边孔装药结构如图 4所示。由于斜井开挖坡度大, 底板眼钻孔时需要向下倾斜一定角度, 这增加了断面底部夹制性, 因此, 对于断面底部的炮孔, 可以选择孔底耦合装药, 加强起爆强度, 防止出现根底。同时, 需要注意拱脚位置炮眼深度不宜太深, 否则其夹制作用较大, 影响循环进尺^[18]。最后, 由于软岩波阻抗较低, 爆生气体在破坏岩石过程中起到主要作用, 因此所有炮眼必须堵塞。

图 4 装药结构优化(单位: m) Fig. 4 Charge structure optimization (unit: m)

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经分析研究后, 采取上述优化措施开展斜井大断面开挖现场试验, 其主要爆破参数如表 3所示。优化后的大断面爆破方案在现场爆破试验中爆破效果良好。优化前, 超前小导管以上围岩破坏严重, 导管本身受到爆炸作用破坏严重, 无法有效支护围岩。优化后, 超前小导管以上围岩保存完好, 并有效起到支护围岩作用。

需要指出的是, 当围岩十分软弱时, 有时采用光面爆破或预裂爆破后, 围岩轮廓质量及炮眼痕迹率并不十分理想, 如拱顶由于岩体破碎, 炮孔痕迹很低。但围岩越破碎越软弱, 上述控制爆破措施越发显得重要。此外, 统计了方案优化前后平均线性超挖值, 如图 5所示。优化后的平均线性超挖值最大不超过0. 25 m, 远远低于优化前的超挖数据^[19]。

图 5 方案优化前后平均线性超挖值 Fig. 5 Average linear over excavation values before and after optimization

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隧道监控量测工作主要利用全站仪对初期支护位移进行监控量测, 包括拱顶下沉和周边围岩收敛, 监控量测断面布置采用5点法, 如图 7所示。分别选取斜井方案优化前后的连续3个断面桩号的初期支护位移量测数据进行分析。拱顶沉降及周边收敛累计变形曲线, 分别如图 9~10所示。其中XJK1+895, XJK1+990, XJK1+995为优化前断面桩号, XJK2+015, XJK2+020, XJK2+025为优化后断面桩号。

图 6 位移监测点布置 Fig. 6 Layout of displacement monitoring points

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图 7 拱顶沉降累计变形历时曲线 Fig. 7 Time-history curves of accumulative deformation of crown top settlement

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图 8 周边收敛累计变形历时曲线 Fig. 8 Time-history curves of accumulative deformation of surrounding convergence

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由图 7~8可知, 拱顶沉降最大值由原来的170 mm降低到112 mm, 降低了约34%, 周边净空收敛最大值由203 mm降低到71 mm, 降低了约65%, 因此, 采用优化的大断面爆破方案, 减小了爆破扰动, 缩短了封闭成环时间, 斜井隧道内拱顶沉降值、周边收敛值均有了大幅降低, 并且连续施工过程中隧道围岩稳定, 无异常情况。

通过采用大断面施工, 大大提高了施工机械的工作效率, 节约了循环时间, 分别统计了方案优化前后8个循环的生产进度值如表 4所示。通过对比分析发现, 尽管大断面施工比原有三台阶施工减小了循环进尺, 但平均循环时间得到了极大的缩短, 平均工效提升了近25%, 月进尺91. 5 m提升至113. 7 m。

由分析以上结果可知, 针对斜井软弱围岩隧道, 采用优化后的大断面爆破开挖方案是可行的, 能够有效减少爆破对围岩的损伤, 降低超欠挖, 节约循环时间, 提高施工进度。

(1) 本研究以东天山特长隧道1^#斜井为工程背景, 分析了软弱围岩隧道采用大断面爆破开挖的可行性。并基于工程实际, 对大断面爆破方案进行优化。

(2) 通过采用光面爆破与预裂爆破相结合的综合控制爆破方案, 有效降低了大断面爆破对软弱围岩的损伤与扰动, 保证了施工安全, 提高了施工效率。

(3) 优化后的大断面爆破方案爆破效果良好, 超前小导管及以上围岩保存完好, 超欠挖值得到有效控制; 初期支护位移监控量测数据表明, 大断面爆破方案有效降低了拱顶沉降及周边收敛累计变形; 同时, 每循环时间得到了大幅缩短, 平均工效提高了约25%。