玉渡山隧道爆破关键技术应用研究
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摘 要：本文将以玉渡山隧道工程为背景，对针对玉渡山复杂且条件较差的隧道围岩和对周围环境的保护等重难点问题运用的爆破技术进行研究，包括开挖方法，掏槽形式，炮孔布置和光面爆破等参数的选择。通过合理的爆破技术应用和参数选择，有效的控制了爆破震动对隧道围岩和周围环境的影响，实现了围岩复杂且条件较差情况下，隧道的安全掘进、施工进度和对周围环境的保护。
关键词：隧道爆破;爆破技术;应用研究
中图分类号：U455.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0112-02
0 引言
延崇高速公路作为京津冀一体化西北高速通道之一，是连接北京城区、延庆新城和河北张北地区的快速交通干道，未来将服务于2022年冬奥会，工程将于2019年年底建成通车。高速公路作为保障国民经济发展的命脉，其公路隧道施工技术较为复杂，影响因素较多，现场的施工难度较大。因此，准确的爆破技术和参数选择是保证公路隧道工程顺利爆破和安全的重要基础。本文针对玉渡山隧道爆破工程实践对爆破技术及参数选择进行研究。
1 工程概况
延崇高速公路（北京段）工程起点为北京市延庆区大浮坨村西侧，与正在施工的兴延高速公路相接，终点在市界处与延崇高速公路河北段相接，全长约33.7km。全线设计等级为高速公路，双向4车道。第6标段位于延庆西部的张山营镇境内，地势北高南低、西高东低，穿越松山自然保护区内，工作区南部为山前平原地带，北部为延庆最高峰-海坨山，海拔2241m，沿线地形起伏大，山高谷深，植被较茂密，地下水丰富。
玉渡山隧道为重难点工程，该隧道进京段起止桩号为K16+330～K21+030，全长4700m，出京段起止桩号为K16+230～K20+975，全长4645m。工程分布范围大，沿线分布岩性较多，沉积岩、变质岩、火山岩等，部分地段岩溶严重，隧道穿过浅埋破碎富水带，地质断层破碎段，铁矿采空区等不良地质。出、进京线的Ⅲ级围岩总长80m，出京线Ⅳ级围岩总长为3220m，进京线为3395m，出京线Ⅴ级围岩总长为1400m，进京线为1170m。由于Ⅲ级围岩岩石相对较稳定施工距离较短，故采用全断面法进行掘进，所以对爆破的关键技术研究主要针对于Ⅳ～Ⅴ级围岩。钻爆法对地质条件适应性强，开挖成本低，工序较为简单，目前仍是隧道工程的常用施工方法，本工程正洞运用钻爆法施工，炸药使用Φ32mm的2号岩石乳化炸药进行爆破施工，雷管使用塑料导爆管雷管，对于玉渡山隧道爆破振动影响敏感区域，采用目前最为先进的电子雷管精准控制爆破，铱钵控制系统起爆，精确控制爆破振动对居民区和风景区的影响。
2 爆破关键技术
2.1 开挖方法
隧道工程的基本开挖方法一般有全断面开挖、半断面开挖以及分部开挖3中方法[3]。本工程Ⅳ～Ⅴ级围岩情况复杂有节理发育，考虑到爆破方式对开挖安全性的影响，爆后围岩的稳定性以及爆破效果等因素，需采用较为合理的开挖方式。从安全和围岩稳定情况看，全断面法无法进行局部支护，可能产生围岩失稳导致隧道塌方;而分台阶开挖则可以进行局部支护，在岩石条件更差的情况下，也可以进行超前支护，增强了围岩的相对稳定性。从效果上看，全断面法的施工效率较高，分台阶开挖法可以随现场复杂多变的情况进行有针对性的施工，加快掘進速度[4]。因此根据本工程的情况，全断面没有另外两种方式的安全和效果好，只少量的Ⅲ级段采用全断面法，Ⅳ级段采用两台阶法，Ⅴ级段采用三台阶临时横撑。Ⅳ～Ⅴ级分多个断面立体交叉施工，边开挖边支护，上断面和下断面相距约50m。
2.2 掏槽形式
掏槽爆破是隧道开挖成败的关键技术，成功与否直接影响隧道爆破效果，掏槽深度直接影响隧道的循环进尺，如果掏槽效果好能在掏槽区形成良好的空腔，为后续的扩槽爆破提供良好的自由面，则爆破的进尺率将达到90%以上，解决好掏槽爆破才能成功的进行掘进。掏槽眼的深度通常要比其他的炮眼深200-300mm，一般布置在隧道断面的中心偏下的位置[2]，为达到最佳效果掏槽孔可以根据岩层的变化做一定的调整，最下面一排炮孔距地面1.5-2m为宜，这样可以减少地面岩石的夹制作用。
掏槽形式一般分为直孔和斜孔掏槽，直孔掏槽需要设置中空孔和增加炸药的单耗来确保掏槽效果，斜孔掏槽比直孔掏槽更容易形成自由面，对钻孔的要求相对较低，炮孔的数量也较少，其中的楔形掏槽具有爆力较为集中，掏槽体积大，爆破效果好，适用于各种坚硬程度不同的岩层。考虑到本工程的开挖断面大小，循环进尺要求，钻孔机具为手持风钻等因素，对循环进尺要求在1-4m的浅、中深孔爆破时采用斜孔掏槽中的楔形掏槽形式，对于循环进尺要求在4-5m的深孔爆破，为了加大掏槽深度，采用二级复式楔形掏槽爆破方式。
2.3 光面爆破
采用光面爆破技术对隧道围岩进行开挖，可以大幅度减小爆破对围岩的扰动，保证隧道围岩的完整性和承载能力，并形成光滑的轮廓面，能够保证正常的施工进度和质量，节约成本。通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，爆后能够达到轮廓线的设计要求，临空面平整规则。
2.3.1 光面爆破参数
（1）炮孔间距：由Langefors给出的确定孔距的经验公式[1]如公式（1）所示：
E=（8～12）d，（d>60mm）
E=（9～14）d，（d<60mm） （1）
式中：E为孔距;d为装药直径。
本工程中d=42mm，因此孔距E取50cm。
（2）线装药密度：光面爆破线装药密度计算如公式（2）所示： q0=d12Δ （2）
式中：q0为线装药密度（kg/m）;d1为药卷直径（m）[1];Δ为炸药密度（kg/m）;对于不耦合、空气间隔装药，炮孔直径在35-45mm情况下，线装药密度通常在0.1-0.3kg/m，本工程选取0.3kg/m。
（3）最小抵抗线：最小抵抗线也即光爆层的厚度，对不同岩石的性质，最小抵抗线计算公式如公式（3）所示：
W=（10～20）d （3）
式中：d为装药直径（mm）;选取中间。
本工程中W=0.63m。
（4）炮孔密集系数：炮孔密集系数是周边孔间距与光爆层厚度的比值，是影响光爆效果的重要因素。其计算公式如公式（4）所示：
（4）
式中：E为周边孔间距（cm），W为光爆层厚度（cm）;m取值一般在0.7～1之间，计算可得m=0.8。
（5）不耦合系数：不耦合系数是炮孔直径与药卷直径的比值，反应出了装药与孔壁的间隙情况。其计算公式如公式（5）所示：
D= （5）
式中：d为炮孔直径（mm），d1为药卷直径（mm），计算可得D=1.31。
以上参数均需根据实际应用效果做相应的调整。
2.3.2 光爆孔装药结构
隧道的光面爆孔一般采用不耦合间隔装药结构，不耦合系数通常为1.2～2.0。由于工程采用φ32mm药卷和手持风钻钻孔孔径为42mm，因此光爆孔不耦合系数为1.31，满足光爆要求，由线装药量计算得出装药量通常为4根药卷，其余炮孔都采用连续装药结构，药卷之间采用导爆索连接齐发爆破[1]。
3 施工要点
3.1 炮孔布置
炮眼的数量和位置决定隧道开挖进尺、隧道开挖成型效果和火工品材料使用的多少。上台阶炮孔按照由里到外的原则，从掏槽孔，扩槽孔，辅助孔，光爆孔，到底排孔进行布置，雷管使用MS1-MS15段位，避免爆破震动强度叠加作用，MS1-MS13段需跳段使用，起爆顺序为掏槽孔-扩槽孔-辅助孔-光爆孔-底排孔。炮孔装药系数分别为Ⅳ级围巖的掏槽孔0.6，辅助孔0.5，周边孔0.3。Ⅴ级围岩的掏槽孔0.55，辅助孔0.4，周边孔0.2。下台阶炮孔按照从上到下进行布置，依次起爆。
3.2 起爆网路
采用孔内分段控制的方法进行起爆，起爆网路局部簇连，各局部并联的复式联接网路。Ⅳ级围岩先爆破上台阶，后爆破下台阶;Ⅴ级围岩按上、中、下台阶依次爆破[4]。
3.3 爆破效果
根据岩石性质所采用的开挖方式保证了隧道施工的整体安全和施工进度，在选用楔形掏槽形式情况下，使炮孔利用率达到90%左右，对于浅、中深孔的爆破，循环进尺能达到0.9-3.6m左右，而对于深孔的爆破，循环的进尺也能达到3.6-4.5m左右，整体进尺效率较高。隧道轮廓线运用的光面爆破技术很好的保证了周边围岩的稳定性，半孔率达到50-70%，平均超欠挖在10-25cm左右。经实际检测，所采用的炸药的性能、布孔方式和和运用的毫秒跳段延时的微差控制爆破技术有效的降低了爆破震动对周边居民区和风景区的影响，爆破产生的岩渣大块率低，便于运输和后续工序的开展。
4 结语
（1）少部分隧道周边光爆效果不佳。在岩石条件极差的情况下，承包钻孔的作业队，可能只考虑进尺和爆破方量，并没有考虑超欠挖等指标，导致钻孔不符合设计要求，效果不佳。如果改善管理方法和制度，将光爆半孔率纳入施工人员的考核指标，与其经济收入挂钩，或许会得到改善。（2）由于隧道每天需要隔一定时间进行重复作业，碰到的岩石情况较设计更为复杂，导致实际施工与设计存在一定程度的脱节，设计与实际施工需找到合适的契合点。
参考文献
[1] 曹琴，吴战，田新邦，叶新.光面爆破技术及其在隧道掘进中的应用[J].交通科技与经济，2015，17（04）：105-109.
[2] 李桧祥.隧道爆破施工技术经验漫谈[A].中国铁道学会工程分会.爆破工程技术交流论文集[C].中国铁道学会工程分会：中国铁道学会，2018：8.
[3] 于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.
[4] 王建龙，唐海，易帅，等.裂隙岩体大断面隧道爆破方案设计[J].采矿技术，2018，18（05）：203-205+208.
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