爆破控制技术在城市轨道交通隧道施工中的应用

摘要： 本文对爆破控制技术在城市轨道交通施工中的重要性、开挖岩面爆破控制技术、爆破控制对隧道施工的影响以及施工要点进行了讨论，为轨道交通隧道施工的质量控制提供了一定的借鉴经验。

关键词：爆破控制技术 轨道 隧道施工

一、引言

在城市轨道交通隧道建设过程中，爆破控制占具重要地位，爆破控制的成功与否将直接影响到城市轨道交通隧道工程的施工质量、施工安全、工程进度、经济效益和管理效果。

二、开挖岩面爆破控制技术

1.钻爆设计方案

总的设计思想是拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破的综合控制爆破技术。根据开挖方法分别采用半断面及全断面两种爆破方式，采用非电毫秒雷管爆破网路。对Ⅴ级和Ⅳ级围岩采用半断面台阶方式爆破，为减轻爆破对围岩的扰动，开挖断面采用多段位非电雷管进行网路设计。

根据项目围岩特点，Ⅳ级围岩为软弱粉砂岩，采用直眼掏槽、斜眼掏槽混合使用。眼深小于2m时采用斜眼掏槽。

在风化、破碎较严重的地质条件下，宜采用光面爆破或轮廓线钻眼法，或者预留光面层光面爆破开挖修边。

2.底板眼钻爆要求

2.1将底板眼分成几段分开起爆，这样能减少底板眼同段起爆，共同作用的炸药量，改变了底板眼抵抗线的方向，实际上缩小了底板眼的抵抗线，从而可以减小底板眼爆破产生的震动强度。

2.2起爆顺序：掏槽眼掘进眼内圈眼底板眼周边眼。

2.3选择雷管段号时注意三点：第一，合理的段间隔时间；第二，同一段炮眼的装药量应小于最大单段的允许装药量；第三，前一段的爆破要尽量为后段爆破创造良好的临空面。

3.爆破参数的选择

通过对爆破试验确定爆破参数，光面爆破参数，对爆破参数选择的注意事项：

3.1软岩隧道采用光面爆破的相对距离（E/W）宜采用表中的最小值。

3.2装药集中度（q）按照2号岩石硝铵炸药考虑，当采用其它炸药时应进行换算，换算指标主要是猛度和爆力（平均值）。

3.3采用光面爆破时，爆破振动速度应控制在：中硬岩15 cm/s，软岩5 cm/s。要求爆破的振动速度是根据离开挖工作面1～2倍洞跨处实测得的，它可以用速度传感器将所得的信号通过测震仪放大，在光线示波器记录得到。光面爆破以后，开挖岩面上不应该有明显的爆震裂缝。

4.软弱围岩光面爆破器材的选择

4.1掏槽眼、掘进眼选用乳化炸药。

4.2周边眼选用低爆速、低密度、高爆力、小直径、传爆性好的光爆炸药。

4.3起爆雷管选用分段微差非电毫秒雷管。

5.周边眼参数选用及钻眼要求

5.1 周边眼参数的选用

周边眼参数经验计算公式：

间距：E=(8～12)d （d为炮眼直径），cm；

抵抗线：W＝（1.0～1.5）E,cm

装药集中度：q＝0.04～0.19Kg/m.

6.炮孔设计及施工

6.1炮孔布置。先布置掏槽眼、周边眼，再布置底板眼、内圈眼、二台眼，最后布置掘进眼，掘进眼均匀布置，内圈眼间距为周边眼间距的1.5倍，抵抗线为间距的0.7倍。根据经验，不至于使底板越爆越高，底板眼设计下插角度；二台眼、底板眼也要比掘进眼适当加密，确保考虑到先爆破眼的部分石碴堆在上面，减少爆破负荷。

6.2炮眼深度L。软弱围岩隧道通常以循环进尺作为眼深，掏槽眼加10～20％。在软弱围岩中，根据经验，一般宜在1.0～1.5m范围内考虑，根据施工进度及爆破效果，选择炮眼深度为1.5m。

6.3炮眼数目N。在小直径（35cm～42cm）炮眼，开挖断面积在5～50m2的条件下，单位面积钻眼数为1.5～4.5个/m2。在计算时注意：软岩隧道的炮眼平均装药系数n大约在0.2～0.4的范围内；单位炸药消耗量在大断面爆破与小导坑爆破不同，若采用光面爆破，炮眼数目应增加20％左右。

6.4光面爆破单孔装药量的计算 （计算公式）

单孔装药量，g；

光面爆破炮眼装填系数；

炮眼深度；

炸药的密度，g/cm3;

炸药直径，cm；

爆破总装药量的计算： (Kg)

开挖断面积，m2；

炮眼深度，m。

钻孔作业及装药结构及堵塞方式按有关施工规范执行。

7.爆破效果评估

在隧道软弱围岩(Ⅳ、Ⅴ级)爆破施工中，对钻爆设计进行优化，从直眼掏槽到斜眼掏槽方式及组合斜眼掏槽方式进行优化，爆破效果显著，线性平均超挖13.2cm，炮眼利用率均达到90％～95％，边墙光面爆破炮眼保存率62％，采用预裂爆破可达80％（Ⅳ级围岩），几乎每茬炮进尺均达1.5m（孔深1.7m）。这一效果极具经济价值。

7.1软弱围岩隧道爆破施工中，宜采用台阶法施工，对爆钻设计，先现场试验，再不断的总结，不断的完善。

7.2对于水平平行状岩采用预裂爆破效果较好，在倾斜状层状围岩中实施光面爆破效果较好。

7.3对于软弱围岩隧道钻爆法施工是一个长期发展的施工方法，可以采用工程类比法和现场试验法相结合选择爆破参数，要不断的总结。

三、爆破控制对隧道施工的影响

在隧道施工过程中，应建立完善、系统的质量保证体系，对爆破设计、钻爆作业实施全面的监督管理，建立质量责任制。通过采用合理的施工方法和施工工艺，并辅以先进的精密仪器来达到爆破控制的预期效果。

1.工程质量

发挥隧道自承能力。隧道施工的一个重点环节就是保护围岩，最大程度地降低对围岩的损伤，保持围岩固有的自支防护能力。而保护围岩的主要方法就是通过控制爆破对遗留围岩的影响，严格控制欠挖，尽量减少超挖。

隧道按矿山法组织施工，钻眼爆破开挖，为了保证开挖轮廓线，确保围岩稳定，严格控制超欠挖，开挖方式采用光面爆破；隧道大部分段落采用了全断面一次爆破。局部试验段采用了预留光面爆破。开挖时根据各段地质情况等因素，采用了全断面和台阶法二种开挖方法。因此控制超欠挖，保证围岩稳定的重点是爆破技术的控制。

在隧道初期开挖施工中，局部爆破控制效果个别点超挖值超出了规范允许范围。在以后的施工过程中，及时根据围岩走向、层厚、石质等地质情况不断调整钻爆方案，进行爆破试验；同时加大现场指导和培训学习，强化司钻工的技术操作水平和责任心，提高钻孔精度。经过优化改进爆破工艺，利用激光全断面仪过程检查和地质雷达阶段性跟踪检测的结果来看，隧道的爆破效果满足设计及规范要求。

2.工程安全方面

有统计显示，隧道开挖过程中的安全事故占到隧道总事故率的50％左右，这种事故产生的原因之一就是开挖过程中的爆破控制不到位。爆破过程中对岩体的震动加大了软弱围岩的破坏作用，增加了围岩失稳和坍塌机率；爆破过程的超欠挖不到位，加大了对岩体的扰动，增加了衬砌厚度不足和背后空洞的机率。改变了隧道设计的承载特性，极易造成围岩松驰变形，这也是隧道发生安全事故的主因之一。

光面爆破是轨道隧道施工中为避免隧道塌方而实施的至关重要的一环，通过光面爆破的弱震动、少扰动，基本消除了开挖轮廓线上的应力集中现象，降低了局部围岩受力集中后失稳坍塌、局部掉块的可能性，减少了隧道施工的不安全隐患。轨道隧道施工中根据围岩的具体情况和特点，合理地选择爆破参数，科学地确定周边眼间距、钻眼深度及最小抵抗线，严格控制炮眼的装药量，采用毫秒雷管微差爆破，使周边爆破拥有最好的临空面。为了使光面爆破达到最好的效果，施工中认真观察围岩的变化情况，对爆破设计不断地进行改进和优化，及时调整炮眼间距、数量、长度、装药量和每循环进尺，减弱了爆破对围岩的扰动，尽量避免因欠挖而带来的二次扰动，为下一步的支护创造良好的条件。轨道隧道在日常洞内地质观察的基础上，为使施工安全有保障，光面爆破达到最佳效果，施工中80％的段落使用了TSP2超前地质预报。利用科学的超前地质预报技术，对施工线路的前方地质情况进行提前预报，对可能的不良地质情况实施掌控，及时修订施工方法和爆破技术措施，在隧道建设过程中未发生一起安全事故，保证了隧道的正常施工。

3.施工管理

爆破施工的质量好坏不仅直接影响着隧道的质量和安全，还制约着工程进度、工程造价、施工管理等等。

隧道施工讲求均衡生产，如果隧道爆破控制不好，软弱围岩段容易发生塌方，塌方处理非常费时费力，且存在较大的质量隐患；硬质围岩中极易出现超欠挖，如果存在较多的超挖，则会增加出渣、回填、欠挖部位处理这几道额外工序，对超欠挖的处理给后续作业如喷砼、挂设防水板等作业造成一定困难，直接影响到后续工序的速度。如此看来，爆破控制不好势必会导致隧道整体施工进度滞后，影响隧道总工期。

隧道工程是资金非常密集的工程，项目管理中，成本目标控制非常重要，要节约成本就要求高效率低投入，尽一切可能加快施工进度。按设计施工。这就要求优化提高爆破技术，尽量减少爆破造成的超欠挖。目前，隧道施工普遍存在着超、欠挖现象，超挖引起出渣量多，多装、多运渣，超挖空间还要用混凝土回填；欠挖则要清除，从而造成人工、工期和材料的超额消耗，致使工程成本增加。所以就目前施工状况来看，降低轨道隧道工程造价是有潜力可挖的，那就是要真正提高技术水平，途径之一就是把好隧道开挖首道关，切实做好爆破控制。

同时，隧道爆破控制不佳，易造成质量、安全隐患、工程进度推后和工程造价提高，增加了施工管理难度。因此隧道施工初期。就必须注重爆破技术的控制，加强开挖过程中的管理，避免增加不必要的管理投入，减少管理漏洞。

四、爆破控制施工要点

1.树立“爱护围岩、少欠少超”的观点

通过控制爆破技术，不损伤或少损伤遗留围岩的固有支护能力；严格控制爆破精度减少超、欠挖，避免衬砌背后充填不密实，甚至空洞，衬砌厚度不足。

2.提高钻孔技术水平

钻孔技术对隧道超欠挖影响的主要影响因素是周边炮孔的外插角、开口位置和钻空深度。根据专业经验，钻孔深度、钻孔位置、间距和钻孔平行度、精度要求如下：掏槽钻孔深度误差±设计炮孔深度，其他钻孔深度误差±10％设计炮孔深度。掏槽中空孔和掏槽装药孔位置误差为±5 cm；周边孔位置误差为±7 cm；其他掘进孔位置误差为±10 cm。周边孔外插角为30°，误差±1°，其他钻孔需平行打眼，掏槽打眼误差±0.5°，其他掘进眼误差为±1°。实际打眼总数为设计总数的95％及以上。

3.进一步解决好爆破技术参数的合理匹配

从目前统计的隧道爆破方法、方式、爆破参数分析来看。爆破技术参数的合理匹配是非常重要的。

爆破设计是隧道开挖的关键技术，在进行爆破设计时应根据隧道断面大小、围岩级别、机械设备等进行综合考虑。其一，对同级围岩，根据其岩石构造、破碎程度等不同情况，选取不同的光爆参数，可获得比较理想的效果。其二，合理选用炸药品种和优化装药结构是保证光爆质量的重要因素。其三，加强对起爆顺序和光爆孔起爆时差的控制，为光爆孔提拱良好的爆破条件。

4.地质条件是客观条件，确定爆破参数的基本依据

爆破设计主要是根据经验、类比或现场实验设计，而地质条件是随掘进而不断变化的，其中，主要是围岩节理裂隙的变化。在施工中，根据开挖面对围岩进行观测描叙，并对围岩的节理裂隙状态进行预测，及时调整爆破参数和施工方法或采取局部内移炮眼、局部空孔不装药、加密炮眼、局部调整起爆顺序等辅助措施。

5.城市轨道隧道施工要点

在人口密集的现代大都市，由于城市轨道交通时效高、运量大、便捷可靠特点，早已成为城市公共交通的骨干。

城市隧道施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致城市隧道建设中各种工程环境公害问题日益突出。因而在城市隧道施工中，必须保证施工对于已有的设施所造成的影响危害在允许的范围内。特别是各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接头类型及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准有差异，更加大了隧道施工中管线保护的难度。隧道施工引起的地下管线影响因素较多，对于地下管线进行准确的受力变形分析理论分析是地下管线保护研究的基础，目前对地下管线的受力变形计算研究主要有解析法与数值模拟法两种。地下管线分布复杂、种类各异，因此在隧道施工前应做好普查工作

随着计算机技术的发展，对隧道引起的管线位移应力应变分析可以考虑采取数值模拟，把隧道与管线当作一个系统考虑――将隧道施工与管线的变形作为一个整体计算。

城市隧道建设中对地下管线的保护的研究是一项系统工程，涉及学科众多，影响因素复杂，忽略了某一方面都可能导致管线的破坏。

6.强化施工组织管理

在隧道施工过程中应建立一个比较完善、系统的质量保证体系。对爆破设计、钻爆作业实施全面的监督管理，对有关人员进行技术培训。建立质量责任制，实行质量奖惩制度。并以预先制订的各项作业方法和作业质量标准为准则。经常检查各项作业质量。建立及时准确的信息反馈系统，保证超欠挖的信息及时反馈给现场施工人员，以便及时调整施工方法和施工步骤，将超欠挖值控制在规范范围之内。

五、结语

交通隧道的开挖施工不利因素多、难度大，所以应加强爆破控制，爆破引起的超欠挖虽然是不可避免的，但是良好的爆破技术可以使超欠挖控制在一定的水平之内。如果对超欠挖控制不好将直接影响到隧道整体质量。施工中应加强地质超前预报。准确探明前方围岩类型，随围岩条件变化及时调整钻爆参数。通过采用合理的施工方法和施工工艺，并辅以先进的精密仪器，来达到爆破控制预期效果。