城市电缆隧道爆破开挖研究刘心光

城市电缆隧道爆破开挖研究刘心光

刘心光

中铁上海工程局集团有限公司上海

摘要：城市综合管廊是目前的大趋势，部分过建筑物的综合管廊采用暗挖隧道施工，隧道断面较小，开挖受断面面积限制较大，严重制约开挖功效，本文对如何提高小断面隧道爆破开挖功效进行了研究，尤其对围岩级别较差且上部有建筑物的地段，很难做到满意的爆破效果，因此小断面隧道爆破开挖时爆破参数的选择尤为重要。本文结合昆明市某综合管廊电缆隧道的工程实例，对隧道开挖的爆破参数选取、装药、起爆网络连接和爆破振速监测等内容进行了分析与研究，为城市小断面隧道控制爆破技术提供了一定的借鉴意义。

关键词：综合管廊、城市隧道、小断面；爆破开挖

1前言

近年来随着经济的发展、城市的建设，城市中综合管廊建设提到了空前的高度，城市中传统的直埋式、架空式的管线布置方式已经不能满足可持续发展的要求。为了保持城市的整洁、美观,电力电缆、高压电力电缆的敷设已经向地下发展，城市综合管廊成为新的发展方向，综合管廊的建设成为市政建设中的重要内容，因此城市综合管廊的暗挖隧道爆破开挖施工技术研究很有必要，暗挖爆破开挖技术对于减小围岩的扰动提高工作面的安全性、控制超欠挖降低施工成本，有其独特的优越性,并在城市地下隧道施工领域得到广泛应用，有着巨大的经济效益和社会效益。

2工程概况

以西南某在建的城市综合管廊隧道为工程背景,电缆隧道地质为情况较为复杂，深埋土类且有地下水。该电缆隧道总长约18km，埋深为6~9m，开挖断面仅为3.00m×3.75m，本暗挖隧道长度约为350m，下穿既有颐和小区，属于小断面隧道开挖。该隧道所处地貌单元属河流冲积阶地与剥蚀丘陵交接地带，地势起伏不大，但在实际施工过程中，开挖中所遇到的围岩性质差异极大。在电缆隧道前100m施工中，岩质极为软弱围岩；但在中段150m隧道施工中，遇到岩石单轴搞压强度fc在40mpa的硬岩，中间还夹杂着部分fc=0.64的软弱岩层，硬岩、软弱岩层和小断面隧道集中到一起，给隧道正常掘进造成了较大的困难，电缆隧道地质剖面图如图1所示。因此，选择合理的钻眼爆破参数，找出适合硬岩和小断面隧道施工的方法，成为保证洞室开挖质量、施工进度和经济效益的重点。

图1隧道地质剖面图

3现场爆破施工边界条件及控制目标

3.1现场边界条件

由于本电缆隧道下穿既有颐和住宅小区，埋设约为6-9m，现场爆破开挖施工对本小区3号楼、5号楼的振动影响较大，特别是临近桩基较近的K10+219.500w位置，距离原5号楼房屋基础直径1.0m桩基最小净距仅为0.97m，爆破过程中会通过桩基传递振动到楼层，增大了爆破振速，严重时会造成楼体的受损，影响楼体的结构安全。图2隧道与5号楼的平面位置关系图。

图2隧道与5号楼的平面位置关系图

3.2爆破开挖的控制目标

按照现场的边界条件进行施工，常规做法只能采用全人工非机械开挖，这种开挖方式效率太低，经过专家组多次会议讨论，认为通过调整掌子面的爆破参数，采用1至13段的非电毫秒雷管进行连网，分层设置掏槽眼的布置方式，采用延时控制松动爆破技术，严格控制单段装药量的施工方案。经过会议讨论，最终确立了本工程爆破单段最大装药量不超过2kg，爆破振速控制在20mm以内的目标。

4小断面隧道爆施工方案

由于电缆隧道施工断面小,大型机械设备无法进入施工场地,只能采用人工钻眼的方式进行钻眼爆破，人工钻眼采用YT-28型号钻机，采用直径42mm的“一”字钻头。根据工程施工的实际情况,经过理论分析之后,决定采用二台阶法进行爆破施工。

4.1光面爆破参数的选定

（1）掏槽眼的确定。上断面采用楔形掏槽，炮孔倾角为75°，孔底间距20cm，钻孔深度1.4m，比辅助眼深0.2m，掏槽眼炸药消耗量比辅助孔高出50％。

（2）炮眼数量。根据岩石的坚固系数的不同（岩石坚硬程度的不同）结合实际施工经验，来确定在掌子面打眼的炮眼数，通常采用以下方式：根据公式：

来计算炮孔的数量。

(4)周边眼。隧道周边采取光面爆破来控制隧道轮廓线，光面爆破的爆破参数选取：光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，成形规整的轮廓面，尽可能多地保留半边眼痕迹，减少对周边围岩的扰动。若要“爆下来”主要与装药集度（q）和最小抵抗线（W）有关；“成形规整”主要与炮眼间距（E）、炮眼密集系数（m=E/W）、最小抵抗线有关；“残眼痕迹和减少对周边围岩的扰动”主要与不偶合系数（D=d炮眼/d炸药）有关。

①周边眼间距E。一般采用以下经验公式确定：E=（8～18）d=336～756mm。式中：d为炮孔直径，取d=42mm。

合理的周边眼间距需要结合围岩类型、地质条件等因素进行选择，对于节理发肓、层理明显的地段，周边眼间距应该适当减小，反之可适当加大。该电缆隧道在开挖过程中，遇到的主要是Ⅲ级围岩。对于Ⅲ级围岩，拱部E=450mm，边墙E=500mm。由于受拱部弧度的影响，拱部周边眼间距一般比边墙稍小。

②最小抵抗线W。隧道开挖过程中，最小抵抗线即光面层厚度，直接影响光面爆破效果和爆破块度。最小抵抗线W可以通过选定的炮眼密集系数来确定：W=E/m。对于Ⅱ级围岩计算得：拱部W=625mm，边墙W=688mm；对于Ⅲ级围岩计算得：拱部W=563mm，边墙W=625mm；为施工方便简化，统一取W=600mm。

④装药集度q。光爆孔装药集度可以按以下经验公式计算：

式中：q为装药集度，g/m；Rb为岩石抗压强度，Mpa。

利用周边眼装药集度的上述取值进行现场试爆，根据试爆结果，优化和调整装药量，最后得到了电缆隧道周边眼装药集度的最佳值：Ⅲ级围岩均取为q=300g/m。

根据以上参数，确定本隧道光面爆破参数见下表2。

4.3炮眼布置

炮眼布置原则上先布置掏槽眼、周边眼，然后是底板眼、内圈眼、二台眼、最后布置掘进眼，掘进眼应均匀布置。在该隧道施工过程中，在对地质条件、开挖断面、开挖进尺、爆破器材、振速要求等因素综合考虑的基础上，预选爆破参数并通过多次试爆，再不断调整和优化爆破参数，确定出了合理的炮眼布置方式。具体炮眼布置方式如图1所示；光面爆破装药参数表如表3所示（每循环进尺1.0m）。

4.4爆破网路及起爆方法

（1）爆破网路。竖井爆破作业孔内采用毫秒电雷管，爆破网路采用大串联接法，每次爆破为一个独立的爆破网路，单独起爆，降低噪声对附近居民的影响。隧道爆破作业孔内采用非电毫秒雷管及导爆索，把每次爆破的孔内雷管导爆管或导爆索进行平均分配为15根左右，用两发1段非电毫秒雷管绑扎在一起，然后把每扎的非电毫秒雷管绑扎在两发电雷管上进行引爆。

（2）起爆方法。选用辽宁营口县防爆器材厂生产的MFd-200型发爆器进行起爆。电雷管网路则选用上海电工仪器厂生产的QJ-41型电雷管测试仪进行检测。

5影响掏槽爆破效果的因素

硬岩爆破的基本原理为充分利用掏槽眼,加大掏槽眼的空间,增加装药量,使岩石充分破碎,为下一步辅助眼的爆破提供足够的临界面,是整个洞室爆破有良好结果的前提条件。

影响爆破质量的主要因素是掏槽眼和周边眼的爆破效果,周边眼主要影响最终的光面爆破效果,掏槽眼的爆破效果决定每排炮进尺的大小。而影响直眼掏槽爆破效果的因素有以下几个方面:

（1）地质条件，如围岩类别、节理裂隙的发育程度、岩层的走向等。不同地质条件应采取不同的爆破方法及相应的爆破参数，对于地质条件比较好的隧道，可采用全断面光面爆破；对于地质构造复杂的隧道，采用“短进尺、弱爆破、强支护”的施工方法，以“多打眼，少装药”为原则，尽可能减少对隧道围岩的振动和破坏。

（2）钻眼精度与开眼误差、钻眼角度误差、测量放线误差等因素有关，因此在隧道开挖施工过程中要选择熟练的钻眼班组，并不断加强管理及培训，提高钻眼的精度。

（3）爆破技术本身的影响，如爆破参数、爆破器材和爆破工艺等。为了获得较好的爆破效果及循环进尺，必须进行合理的爆破参数设计，选择合适的炸药品种及起爆器材采用正确的装药结构、起爆顺序和稳定可靠的起爆网络光面爆破的影响因素是多方面的，要在现场试验的基础上，不断优化爆破设计参数，才能获得最佳的光面爆破效果。

6光面爆破实施效果及分析

经过精心组织实施和不断地改进，隧道Ⅲ级围岩地段，光面爆破效果基本达到了预期的要求，如图4所示。

图4光爆效果图

(1)按此光爆技术施工,本工程开挖光爆效果较好。全断面一次开挖成型,正常段光爆残眼率达95%以上,由于外插量控制较好,经检测,无欠挖,平均线性超挖8cm,大大小于设计允许超挖20cm。

(2)若以断面超挖20cm计,断面超挖回填2.2m2;占设计平洞洞室开挖量的20%,衬砌混凝土量的50.4%。实际地质正常段断面超挖8cm,断面超挖回填1.02m2;占设计平洞洞室开挖量的9%,衬砌混凝土量的21.2%。因此超挖量相对减少了11%,混凝土回填量相对减少了29.2%,较大的减小了施工成本。

(3)由于爆破控制较好，爆破后对岩壁破坏扰动较小，无明显再生裂隙，碴块大小适中，碴堆集中。工程的开挖进度及开挖效果均较好。

7结语

在小断面隧道开挖施工中,由于围岩较易自稳,光爆技术对围岩自稳作用不是很明显,但对减少断面超欠挖作用仍很明显。特别是在有衬砌的小断面隧道施工中,采用光爆技术控制超挖及相应减少混凝土回填,对控制施工成本作用尤为显著。要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点：

（1）根据围岩特点，合理选定周边眼的间距和最小抵抗线，尽最大努力提高钻眼质量。

（2）严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布。

（3）周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。为满足装结构要求，可借助导爆索（传爆线）来实现空气间隔装药。

（4）采用毫秒微差有序起爆。要安排好开挖程序，使光面爆破具有良好的临空面。

（5）根据工作面的大小及施钻设备的配置情况，选择合理的掏槽眼形式。

通过对该电缆隧道光面爆破技术的实践与运用，证明了隧道光面爆破技术是一项较为复杂的系统工程，需要结合实际施工不断优化参数设计；同时在施工过程中要严格管理，加强对爆破作业各项工序的监督与指导。施工过程中要做到工作到位、责任到人、奖罚分明。光面爆破作为隧道新奥法施工重要手段之一，通过合理地确定各围岩条件下光面爆破的施工参数及施工控制要点，能有效地控制断面的超欠挖，降低施工成本，减少对周围围岩的扰动，确保施工安全和工程质量。

参考文献：

[1]张庆军.武隆小净距隧道掘进控制爆破技术[J].爆破,2010,27(1):44-47.

[2]李新平,孟建,徐鹏程.溪洛渡水电站出线竖井爆破振动效应研究[J].岩土力学,2011,32(2):474-480.

[3]彭云,杨尉涛.硖门隧道掘进光面爆破及施工技术应用探讨[J].爆破,2009,26(2):35-37.

[4]齐广林.光面爆破技术在隧道开挖中的应用研讨[J].森林工程,2009,25(6):70-73.

[5]姜军.光面爆破技术在大断面隧道硬岩施工中的应用[J].山西建筑,2008,34(7):346-347.

[6]罗伟,朱传云,祝启虎.隧洞光面爆破中炮孔堵塞长度的数值分析[J].岩土力学,2008,29(009):2487-2491.

收稿日期：2011年4月30日

作者简介：方恩权（1980-），男，工学博士，工程师，主要从事地下铁道工程施工管理。

E-mail:fenser@sohu.com