目前国内山岭隧道基本全部采用钻爆法施工, 光面爆破及水压爆破技术的大量应用一定程度上缓解了超欠挖现象, 爆破成型质量及安全有较大改观, 取得一定效果^[1]。但爆破造孔数量多、工作面大的问题仍突出, 同时周围岩体受扰动破坏情况较严重。为此, 平天高速公路关山隧道采用聚能水压光面爆破技术, 有效解决了常规钻爆开挖法存在的诸多问题。

平凉 (华亭) —天水高速公路PTKZ1标段位于甘肃省平凉市境内, 线路全长15.985km, 本标段设计2座隧道, 其中关山隧道是平天高速公路控制性工程, 左线全长9.585km、右线全长9.651km, 设992.8m长通风兼施工斜井1座。关山隧道暗洞左线Ⅳ级围岩4 516m、Ⅴ级围岩503m, 右线Ⅳ级围岩4 506m、Ⅴ级围岩556m, Ⅳ级围岩占比达90%。

隧道地处高中山地貌, 地势雄伟陡峻, 沟谷纵横、东南高、西北低。受地质褶皱构造的控制和流水剥蚀切割作用, 形成脊柱状岩质山体和叠岩起伏的低山谷地。勘察区内最高海拔2 620m, 最低海拔2 090m, 相对高差530m。隧道进出口处地势陡峻, 自然坡度40°~60°, 山体植被茂密, 野草丛生, 灌木林、针叶阔叶混交林和浅山阔叶林密布, 为天然林区。地质构造基本为轴向南北的平缓背斜、向斜, 两翼倾角4°~10°, 洞身段断层少见。地下水主要赋存于残坡积孔隙、基岩风化壳及节理裂隙 (构造) 中, 地下水类型主要分为第四系孔隙水及基岩裂隙水。隧道地层岩性主要为白垩纪红褐色~青灰色砂岩夹砂质泥岩、泥质砂岩, 局部有砾岩夹层, 泥质砂岩属较软岩, 遇水易软化, 呈薄夹层, 互层状发育, 总体围岩呈近水平的薄~中厚层, 产状平缓, 层间结合一般。隧道左线及右线地质剖面如图1所示。

常规光面爆破技术是按掏槽眼→辅助眼→周边眼的顺序起爆, 掏槽眼形成临空面, 辅助眼扩挖, 周边眼形成开挖轮廓。水压爆破技术中掏槽眼、辅助眼及周边眼装药结构均与光面爆破技术基本一致, 主要区别在于在炮眼内一定位置安装水袋, 并必须使用专用炮泥机生产的炮泥回填堵塞炮眼。相比于常规光面爆破, 采用水压光面爆破技术后开挖面较平整, 减小对围岩的扰动, 降低了次生坍塌、掉块风险, 施工安全有保障;有效控制超欠挖, 减少喷射混凝土用量, 降低施工成本, 初支施工质量得到提高;提高炸材利用率和循环进尺, 加快施工进度, 进而节约成本;依托水雾作用降低粉尘、有害气体浓度, 保护作业人员安全和身体健康。

聚能爆破技术是利用一定的装药结构设计出特定的聚能药包对爆破对象进行作用, 而对于聚能水压光面爆破技术, 掏槽眼和辅助眼装药结构和爆破方式与水压光面爆破相同, 但在周边眼中安装聚能药管替代常规光面爆破药卷和传爆线, 炮眼底部和上部仍安装水袋, 炮眼口使用炮泥回填堵塞^[2], 具体装药结构如图2所示。

聚能水压光面爆破技术仅用于周边眼, 除常规水压光面爆破应力波作用外, 增添了聚能管产生的高温、高压射流, 水袋在爆炸作用下产生的水楔效应, 增强了膨胀气体静力作用, 更有利于已形成裂缝的延伸扩展, 解决了常规光面爆破周边眼间距过密问题, 提升开挖面光面爆破效果^[3]。

聚能水压光面爆破技术对围岩扰动小, 能够保障围岩稳定的原因是: (1) 周边眼间距大, 是常规光面爆破技术周边眼间距的2倍, 对围岩扰动减少一半; (2) 聚能管装置线装药密度小, 炮眼装药不耦合系数大, 聚能管装置设置有定位圈, 使其不直接接触炮眼侧壁, 减弱应力波强度。

聚能管是定型PVC管, 委托工厂生产, 长度可根据需要调整。聚能管由主体和盖片2部分组成, 管体两侧对称有1对凹进去的聚能槽。聚能管具体截面尺寸为聚能管壁厚2mm, 主体宽27.96mm、高20.71mm, 聚能槽顶角60°, 顶部距离17.79mm;盖片宽14.76mm、高5.47mm, 如图3所示。

聚能管中安装的炸药为施工现场通用的乳化炸药, 其线装药密度为300~400g/m, 与围岩级别相匹配^[4]。聚能管装置中安装的传爆线和起爆雷管也为施工现场通用的起爆器材, 起爆雷管段别与常规光面爆破相同。

聚能水压光面爆破技术的掏槽眼及辅助眼装药结构与常规光面爆破技术一致, 但周边眼不同。具体周边眼装药步骤如下: (1) 向光面爆破炮眼底部装填水袋, 使用PVC管送入孔底; (2) 装填组装好的聚能管装置。应特别注意聚能管两侧聚能槽方向必须与开挖轮廓面切线平行; (3) 在聚能管端头装填水袋; (4) 最后在炮眼口堵塞炮泥。

装药作业需注意以下6个要点:水袋要饱满挺拔、炮泥要软硬适中、底部水袋要到底、炮泥要封到孔口、炮泥捣固用炮棍、3种材料要紧贴。

关山隧道设计为双向4车道分离式隧道, 左线长5 046m、右线长5 080m, 其中IV级围岩占比达90%。IV级围岩采用钻爆开挖, 上下台阶法施工, 上台阶开挖断面60m², 每循环钻孔深3.5m。

聚能水压光面爆破技术布孔方式与常规光面爆破技术完全相同, 凿岩工具和工艺均无变化;不同之处在于周边眼的间距, 普通光面爆破技术周边眼间距为40~50cm, 聚能水压光面爆破技术周边眼间距为80~100cm, 起拱线处、围岩节理发育处可根据实际情况适当缩小孔间距。

关山隧道Ⅳ级围岩上台阶炮眼布置如图4所示, 爆破技术参数如表1所示。

聚能水压光面爆破技术装药分2部分进行:掏槽眼、辅助眼装药, 周边眼装药。

1) 掏槽眼、辅助眼装药炮眼最底部装填1个水袋;较常规光面爆破少1节炸药;炮眼剩余孔深一半装填水袋, 一半用炮泥回填堵塞至炮眼口。

装填水袋数量即剩余孔深的一半除以单个水袋长度得到的数值, 按四舍五入法取值。

2) 周边眼装药步骤 (1) 向周边眼最底部填装1个水袋, 使用PVC管将水袋送至炮眼最底部, 不能留有空隙; (2) 将制作好的2.5m长聚能管装入孔内, 聚能管要紧挨炮眼最底部已安装的水袋, 并确保聚能槽连线与开挖轮廓面平行; (3) 在聚能管顶部装填2个水袋; (4) 用炮泥回填堵塞至炮眼口, 并用木质炮棍将炮泥捣实, 起到堵塞作用; (5) 所有周边眼装药完成后, 按常规光面爆破方式进行连线起爆。

根据现场实际, 聚能水压光面爆破技术平均每循环进尺3.45m, 水压光面爆破技术平均每循环进尺3.3m, 聚能水压光面爆破技术平均每循环增加进尺15cm;爆破效果得到极大提高, 常规光面爆破技术半眼痕率较低, 且超欠挖严重, 但聚能水压光面爆破技术半眼痕非常明显, 经测算可达86%以上, 且整体轮廓圆顺, 基本上炮眼与开挖轮廓位置相同, 炮眼间由于聚能管的定向切割作用无局部大坑或突出现象, 切实对初期支护喷射混凝土的节超控制起到可靠的保障作用。

采用聚能水压光面爆破技术所取得的经济效益主要体现在以下方面。

1) 大大减少了光面爆破炮眼数量, 缩短了钻孔作业时间, 且减少了对围岩的扰动, 确保开挖后围岩更加稳定。

2) 采用聚能水压光面爆破技术将炮眼利用率由水压光面爆破的94.3%提高到98.6%, 炸药利用率明显提高。半眼痕保留率由水压光面爆破的75%提高到现在的86%, 开挖轮廓面更加平顺整齐, 超欠挖得到直接有效控制。

3) 由于聚能水压光面爆破技术水楔效应进一步提升, 切割石块也更均匀, 爆破后渣堆碎石块度下降20%~30%, 更有利于装车。

4) 水袋的雾化作用将通风时间压缩33%, 从原来的30min缩短至20min, 节约施工成本, 同时空气质量更好、粉尘含量更低, 大大改善施工环境。具体对比数据如表2所示。

由表2可知, 聚能水压光面爆破技术在循环进尺、钻孔数量、半眼痕率、通风时间等项目上明显优于水压光面爆破, 具有绝对优势。

5) 常规光面爆破技术常出现超欠挖问题, 采用水压光面爆破时超欠挖得到一定控制, 但仍存在欠挖补炮或者超挖挂网补喷现象。采用聚能水压光面爆破技术后, 超欠挖控制得到极大提升, 杜绝了补炮、挂网补喷, 对后续初期支护、衬砌施工提供了可靠保障。

采用聚能水压光面爆破技术取得的经济效益主要体现在:钻爆费用显著降低, 隧道喷射混凝土使用量明显减少。

1) 聚能水压光面爆破技术与常规光面爆破技术的钻爆费用具体统计分析如下:通过周边眼单循环火工品使用量分析, 聚能水压光面爆破技术较水压光面爆破技术节约81.54元, 单循环费用节约8.3%。周边眼钻孔数量由39个下降到23个, 钻孔总长度由136.5m下降到80.5m, 总费用由1 679元下降到990元, 费用节约41%。综合对比钻爆费用, 聚能水压光面爆破技术比水压光面爆破技术每循环节约费用770.4元, 即每延米节约258.4元, 节约费用比例达32%。具体分析如表3~5所示。

2) 选取IVb级围岩, 上台阶4~6月采用水压光面爆破技术, 7~9月采用聚能水压光面爆破技术, 对以上2组3个月的喷射混凝土使用量平均数据进行对比分析 (见表6) , 从表6中可以看出单月喷射混凝土使用量从7月开始有明显下降, 3个月综合对比, 喷射混凝土超耗比例从原来的20.3%下降到8.2%, 即每延米节约喷锚料1.37m³。

关山隧道进口自2017年7月采用聚能水压光面爆破技术以来, 7~9月双洞共掘进666m, 爆破成本节约666×258.4=17.2万元, 初期支护喷射混凝土节约666×1.37=912.42m³, 即节约成本912.42×495=45.16万元 (495元/m³) , 合计节约成本62.36万元, 且施工进度比预期提前11d。

通过实践证明, 聚能水压光面爆破技术能明显提高炸药能量利用率、施工效率、经济效益, 保护环境, 即“三提高一保护”作用。IV, V级围岩采用聚能水压光面爆破技术, 通过减少炸药用量和定向环切开挖轮廓, 能减少爆破振动对围岩的扰动, 从而控制超欠挖, 降低成本、加快施工进度, 取得良好的经济和社会效益。