张立爽，丁志刚，王会军

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

随着国民经济的快速发展，中国的公路建设得到了空前的发展。高速公路的快速发展，极大地提高了中国公路网的整体水平，优化了交通运输结构，对缓解交通运输的瓶颈制约发挥了重要作用，有力地促进了中国经济发展和社会进步。隧道则成为了现代化交通系中的重要一环，然而在实际施工过程中由于工程地质条件的复杂性和施工技术等原因，隧道爆破开挖过程中的超挖现象较为普遍，而超挖将造成衬砌质量缺陷，还将对危岩的稳定性及支护结构的受力产生影响，并且超挖回填将导致巨大的经济损失，因此，如何避免隧道开挖过程中的超挖问题便是一个研究重点。

传统的开挖方式虽然能够较好地保证施工进度、开挖效率，但针对软弱围岩地区却存在较大的弊端。以传统的爆破方式进行隧道施工开挖将导致在隧道施工过程中出现超挖的现象，且超挖回填将导致巨大的经济损失；振动强烈将导致洞身地表的水塘及周围的居民住宅被损伤破坏，并存在一定的安全隐患[1]。而微爆破能够很好地避免爆破地震效应，减小冲击波所带来的危害；既可以减小超挖现象也可以对隧道洞身地表的水塘和居民住宅起到保护的作用。因此，相比之下，微爆破方式更适用于软弱围岩地区的隧道开挖。

综合考虑工程项目的经济性和施工进度2 方面，在某些特殊条件下的隧道施工开挖过程中，合理使用铣挖法与微爆破开挖相结合的方式进行隧道开挖能够较大程度地避免超挖问题的出现及经济损失，减小隧道开挖过程中对围岩的扰动，确保围岩整体稳定性，提高开挖效率、缩短工期。因此，进行微爆破隧道施工开挖过程中的研究具有实际意义。

1 工程概况

岩湾隧道位于云阳县江口镇新里村1 组，隧道呈北东南西向布设，有机耕道通往隧道下游40 m 处。隧址区进口斜坡发育大地坪沟、出口斜坡下部有团滩河与路线相交，隧道洞身段地表分布有罗家湾水库和星罗棋布的大大小小的水塘。隧址区为构造侵蚀、剥蚀地貌，隧道走向220°。隧道横穿山体呈北东南西向展布，轴线地面高程为275～425 m。隧道东北侧斜坡地形较缓，脊岭宽缓，丘峰呈圆状，东侧160 m 处为罗家湾水库、西侧450 m 处有新里水库，均位于隧道之上。区内主要河流团滩河在隧道出口下部自北向南径流，谷底宽约52 m，两岸谷坡较缓，地形坡度达20°～30°。该沟谷两岸坡面凹凸起伏，支沟发育，两岸坡面多分布旱地，局部出现陡坎，沟底分布有水田。其余区段地形以斜坡地貌为主，缓-斜坡段为旱地区，隧址区未见断层通过，发育一小型褶皱，隧址区起点—K85+300 段岩层产状大致北倾，K85+320 段附近为背斜核部，褶皱轴与隧道大角度相交，K85+360—终点为单斜构造，岩层产状大致南倾，倾角为13°～21°。

根据钻探揭露，该褶皱处于侏罗系中统新田沟组内，褶皱附近产状杂乱、变化快，构造节理裂隙极其发育，层间结合差，岩性主要粉砂质泥岩夹砂岩，整体破碎，粉砂质泥岩主要呈碎块状、角砾状，砂岩多呈碎块状、短柱状，偶见长柱状，节长为15～40 cm。砂岩属较硬岩，强度相对较高，抗风化能力较强，多呈中-厚层状结构，风化层较薄，强风化带厚度一般为2～3 m，岩体较完整，工程地质性质较好。

2 微爆破开挖特征分析

考虑到岩石开挖的不同机械挖掘工具，钻孔和爆破被认为是廉价的，同时也是最可接受的并兼容任何地质开挖条件。两者都能进行隧道的开挖，但各自的施工适用条件、开挖速度、工程成本都有所不同。合理使用铣挖法与微爆破开挖相结合的方式，可以明显提高施工效率，降低施工成本。

根据现场岩体的强度特性、节理形式的特点和爆破质量要求，采用控制爆破技术，即预裂爆破和光面爆破，也称为微爆破，以达到不破坏围岩的目的。为了将破坏或超破坏的程度降到最低，在选择炸药参数和实施任何合适的爆炸模式之前，应考虑开挖过程中的地应力和应力的重新分布。由于岩体结构本质上不是块状的，开挖引起的岩体损伤可能是准静态的，即由于开挖过程中应力的重新分布导致裂纹增长速度缓慢；或者是动态的，即由于地震事件产生的应力波或气体能量穿透岩石节理导致裂纹高速传播。

爆破损伤的特征和程度取决于岩石强度特性、节理特征、开挖区域和实施的爆破设计。爆破损伤的可接受程度取决于位移岩体的特征要求和周围岩石结构的重要性[2]。根据爆破形式和地层条件，实施适当的开挖顺序和足够的支护系统容量，可以减少开挖过程中应力或应力重分布对岩石节理的影响，最大限度地减少破坏或超破坏的程度。一般在爆破后会立即发生因爆破冲击引起的岩体破坏或超破坏。为了量化周围岩体质量的恶化程度，应采用无损检测方法对爆破形式进行合理评估，并设计必要的支护系统。

岩石损伤的最小化取决于对断裂力学和裂纹传播的可接受理论的理解，即冲击波诱导的切向压力和激波在自由面上的反射，由于高温和高压气体进入狭窄的径向裂纹尖端，在裂纹尖端产生楔形作用。对井壁的高速冲击始于炸药的爆轰和冲击波对围岩的传递。冲击波的损伤一般发生在观察到不可逆能量耗散的区域，即岩石介质表现为塑性而不是弹性的区域。因此，另一个主要参数即气体驱动应负责破坏破碎区以外的周边岩石结构。与应力波引起的裂缝相比，气体能量将裂缝扩展到10～100 倍的量级。因此，由众多节理或层理面或中间软弱地层或软弱充填材料组成的岩层加重了紧邻围岩不可接受的破坏特性。

同样，炸药爆轰的不良数量也可能导致不可接受的损坏或不稳定的和周边岩墙能源消耗。超过或低于要求的炸药在引爆时，会增加加速度或反推力的大小，从而恶化位于甚至很远的节理之间的填充材料的粘结力，并立即或随着时间的推移导致大规模岩体破坏[3]。因此，结构稳定性不仅取决于岩石的强度特性，还取决于在开挖过程中形成的开挖应力影响区内的结构特征。在实施任何周界控制爆破设计之前，应适当研究岩石节理的特征、主应力的大小及炸药爆炸或产生空隙对节理或弱面的影响。影响外围岩壁损伤大小的可控参数是爆破设计参数，即爆破几何和炸药性质。由于反射波和折射波同时包含不同强度和性质的压力波、横波，因此光面爆破的效果取决于合理的爆破设计、起爆顺序和线形装药质量浓度的优化炉料变化对爆破性能的影响。

3 微爆破施工措施

爆破开挖虽然不贵，但当建筑物如土木或岩石的安全受到威胁时，有时会变得昂贵。在进行爆破时，如果实施不当不仅会造成破坏或超破坏，造成严重的经济损失，还有可能影响施工人员的生命安全。如果没有控制好爆破的威力，甚至会导致整个隧道工程坍塌[4]。对于每个孔装药相同、料距不同的岩体，从爆破破片投掷量、渣土剖面、振动幅度、空气爆破、岩体破碎和松动等方面对能耗进行了比较评估，同样的装药每孔，装药量与爆破破岩块的比动量和前料的松动度成反比，与振动的大小成正比。同样，对于不同的料距，相同的考虑时间，裂纹的特征扩展随装药质量浓度的增加而增加，裂隙密度随着装药质量浓度的增加而增加，因此，对于一个有效的光滑爆破形式，线性装药质量浓度对于限制裂纹的产生非常重要。不同节理面特征下的围岩特征，在弱平面上，应合理地进行炸药量优化，并在炮眼内适当位置植入炸药，以实现有效的光面壁爆破。

3.1 支护体系

有时支护体系实施的不充分和爆破的影响，会使距周边较远的节理或层理面之间的充填材料质量恶化。岩体节理质量的劣化，表现为岩体节理间充填材料粘结力减弱，随着时间的推移，可增加地层荷载，引起岩体的坍塌或破坏。因此，对于土木建筑工程，损伤可定义为开挖诱发应力影响区内岩体完整性或质量的恶化。根据爆破形式和地层条件，采用适当的开挖顺序和选择足够的支护系统容量，可以减少开挖过程中应力或应力重分布对岩石节理的影响，最大限度地减少破坏或超破坏的程度[5]。一般在爆破后立即发生因爆破冲击引起的岩体破坏或超破和岩体完整性退化。为了量化周围岩体质量的恶化程度，应采用无损检测方法对爆破形式进行合理评估，并设计必要的支护系统。

3.2 配料的影响

在岩石力学中，与试样形状相比，试样的尺寸对实验室尺度下岩石试样的强度特性有显著的影响。同样，与深度和钻孔直径相比，外围和缓冲排的岩石配料在光面爆破中起着重要作用。应利用受装药直径和材料、低直径炸药和较小材料影响的波动特征和加速度大小来控制对周边岩壁的破坏。此外，由于裂纹尖端的传播速度在介质瑞利波速的32%～38%之间，因此应优化边缘孔的材料，使损伤控制在可接受的范围内。

根据岩石的强度特性，缓冲排的配料不应超过台阶高度的0.2 倍[6]。然而，根据钻孔直径、偏移特性和工作台高度的不同，缓冲排的配料最多可以限制在工作台高度的0.4 倍。同样，外围行负荷不应大于缓冲行负荷的0.6 倍。一般来说，缓冲排（倒数第2 行）的负荷应小于最佳值，而外围行则应小于缓冲排的3/4 负荷。增加缓冲区和外围行之间的延迟时间可以在外围行启动前最小化实际负担。爆破过程中减少的岩石负担最小化了人工创建的自由面（前一排创建的自由面）应力波能量反射的持续时间，从而减少了对井壁的影响[7]。为达到合理的炮眼底部剪切效果，炮眼底部放置炸药的孔压应超过岩石的动抗剪强度，为尽量减小刚度和减少气体能量冲击持续时间，炮眼底部放置的炸药应小于最佳装药量，周边孔深度应小于缓冲排深度。

3.3 孔径、炮孔深度和料层

由于炸药爆轰所产生的应力大小具有动态性质，岩体的动强度特性为静强度的10～25 倍，因此炸药爆轰所产生的爆轰压力应超过岩石的动强度特性，才能达到适当的破坏。此外，由于岩样的形状会影响岩石的强度特性，因此要进行有效的光面爆破，必须合理地优化孔径、炮孔深度和料层。

为了获得一个完好光滑的岩壁，必须了解岩石对炸药爆炸产生的能量的响应。为使外围岩壁的崩解程度降到最低，岩壁应单独爆破一次。外围排钻孔深度应小于缓冲排和生产排，钻孔深度差以料岩距离和破坏特征角为指导。为了实现无损伤的光面墙爆破，必须慎重研究岩体节理形式和岩土性质。爆破方式和起爆顺序的布置应避免节理面受力破坏岩体强度特性，使2 个节理面之间充填材料的粘结力松动。为了减小充填材料内部2 个节理面之间发育的应力波（折射或反射）的量级，节理面上应力的入射角应小于10°或超过60°，为避免相邻排和相邻排的电荷以振动幅度放大的形式相互配合，避免多余的气体能量迅速释放，应采用长延时起爆系统。为进一步减小后墙的反推力，缓冲器与周边排孔之间应采用跳长延时。

4 结束语

随着大量的隧道工程开挖施工，需要采用不同的开挖方式来适应不同的工程要求。传统的开挖方式虽然能够较好地保证施工进度、开挖效率高，但针对软弱围岩地区却存在较大的弊端。以传统的爆破方式进行隧道施工开挖将导致在隧道施工过程中出现超挖的情况，超挖回填将导致巨大的经济损失。本文依托岩湾隧道工程，对控制爆破技术，即预裂爆破和光面爆破进行了一定的分析，对比传统的爆破手段，它可以将破坏或超破坏的程度降到最低，并结合工程实例从支护体系、配料的影响和孔径、炮孔深度及料层等方面提出工程具体措施，为类似的隧道微爆破提供一定的参考。