高速铁路北京至上海高速铁路滕州隧道光面爆破施工技术原版.doc

京沪高速铁路滕州隧道光面爆破施工技术
王新民 郑先奇
(中铁十六局集团公司 中国北京 313000)
摘 要 京沪高速铁路三标滕州隧道，采用上下台阶光面爆破施工，顺利通过了进出口长大浅埋地段、洞内岩溶复杂地层。取得了十分满意的爆破效果。光面爆破炮眼半眼保留率高达95～100%，光爆面平滑整齐，实现月掘进175米的施工进度,安全、优质、高效提前45天完成隧道贯通。京沪高速铁路济南指挥部颁发了“绿卡”给予奖励。中铁十六局集团为了推广滕州隧道光面爆破经验，于2009年5月11日在滕州隧道召开了集团公司有关领导和技术干部现场观摩会，学习、借鉴滕州隧道光面爆破施工经验。
关键词 高速铁路；大断面隧道；光面爆破；炮眼间距；光爆层
1工程概况
京沪高速铁路三标滕州隧道位于山东省枣庄市木石镇大峪庙村西的蟠龙山,为低山丘陵区。进出口地势较平缓，各有约230m浅埋地段，埋深约5米。山顶附近植物茂盛，出口大部分基岩裸露，植物稀少。隧道全长1504m，隧道最大埋深为130m。隧道通过地层为灰岩，鲕状、隐晶质、块状构造，厚层～中厚层状，节理裂隙发育，含泥质条带，以薄层状为主，夹中厚层鲕状灰岩及竹叶状灰岩，强风化～弱风化，地表多溶沟，充填粘土。隧道围岩为Ⅱ–Ⅴ级，滕州隧道是京沪高速铁路第二长大隧道。
表1 滕州隧道围岩级别数量表
序号
围岩级别
单位
围岩长度(m)
初期支护
1
Ⅱ
m
972
初期支护湿喷C25号混凝土
2
Ⅲ
m
170
初期支护湿喷C25号混凝土
3
Ⅳ
m
348
初期支护湿喷C25号混凝土加格栅拱架
4
Ⅴ
m
14
初期支护湿喷C25号混凝土加格栅拱架
2工程特点
2.1环保要求高
滕州隧道位于城镇、村庄、工厂密集地区，河流较多。经过过度开发，自然环境相对脆弱，特别是隧道工程施工，要严格做好水源保护，施工中必须做好各类环保设施，最大限度减小施工对环境的影响，将滕州隧道建设成为绿色、环保工程。滕州隧道位于枣庄市木石镇大峪庙村西的蟠龙山森林公园区域内，森林公园有大量的珍贵林木，隧道施工要对森林公园的珍贵林木进行重点保护，以防止对环境造成破坏。
2.2不良地质多
根据地质资料分析，隧道通过地层沿节理裂隙方向岩溶较发育，岩溶多表现为窄而高的溶缝式溶洞分布，大部分充填较松散的粘性土。岩溶发育地段岩石较破碎，溶沟、溶槽宽度一般0.2～2.0m,长度几米～几十米不等，部分具贮水功能。隧道开挖断面大，内轮廓设计采用单洞双线断面，开挖断面约121.35m²。隧道地质构造复杂，不良地质和特殊地质多，隧道Ⅳ、级软弱围岩所占比例大，隧道进出口埋深较浅，对超前地质预报、监控量测及施工过程控制要求高。
3隧道开挖方法
根据隧道通过的地质条件及隧道的设计断面，洞身开挖采用台阶法施工，隧道上部半径7.10m的半圆形断面为上台阶，隧道下部高2.97m,宽14.2m的矩形断面为下台阶。隧道全断面面积：121.35m2,隧道上部半圆拱形断面积：79.18m2，隧道下部矩断面积：42.17m2。上台阶布置炮眼140个，下台阶为50个，其炮眼分布、起爆顺序见图1、图2，炮眼参数见表1。

图1隧道上台阶光面爆破炮孔布置图

图2隧道下台阶光面爆破炮孔布置图

表2隧道光面爆破各类炮孔药量填装表
序号
炮孔类型
孔径
孔深
孔距
药卷直径
药卷长度
药卷单位重
单孔装药
mm
m
cm
mm
cm
g/节
Kg/节
1
周边孔
40
4.0
50
32
20
200
0.8/4
2
内圈孔
40
4.0
60
32
20
200
1.6/8
3
辅助孔
40
4.0
80
32
20
200
2.2/11
4
辅助孔
40
4.0
90
32
20
200
2.4/12
5
辅助孔
40
4.0
110
32
20
200
2.4/12
6
底板孔
40
4.0
55
32
20
200
2.8/14
7
掏槽孔
40
4.5
70～74
32
20
200
2.8/14

3.1光面爆破参数选定
光面爆破主要针对断面周边一层岩体的爆破，要求在爆落岩体的同时，应形成光滑、平整的边界。光面爆破的主要参数有：炮孔数目、最小抵抗线、炮孔密集系数、线装药密度、孔距和起爆顺序和起爆时差等。
①周边孔间距
光面爆破周边孔间距比主爆孔小，它与炮孔直径、岩性和装药量等参数有关。孔距过大，难以爆出平整光面,且产生大块。孔距过小会增加凿岩费用,合理的孔距可按炮孔直选取，一般按以下经验公式确定：
a=（10～15）d2
式中d2 为炮孔直径，取40mm；周边孔间距a取0.5m。
②周边孔密集系数
密集系数过大，爆破后可能在光爆孔间留下岩埂，造成欠挖，达不到光面爆破效果，反之则可能出现超挖。由此可见，周边孔密集系数是光面爆破的一个重要参数。实践中多取0.5～0.8,即最小抵抗线大于孔距,具有小孔距、大抵抗线的特点。炮眼密集系数计算公式为：
K=a/w=0.5/0.7=0.71
式中：K-周边孔密集系数；
a-周边孔间距,取a=0.5；
W-光爆层厚度（周边孔最小抵抗线）,周边孔最小抵抗线W取0.7m。
③线装药密度
线装药密度是指单位长度炮孔的装药量，又称装药集中度，用计算式为：
Q1=qaW
式中 q-单位体积耗药量（kg/m3)；
a-光爆炮眼间距（m）；
w-光爆层厚度（m）。
取q为0.5kg/m3,密集系数Ql=0.175kg/m,实际取Ql为0.2kg/m；
④炮孔装药结构
周边孔采用轴向空气间隔装药结构，如图3所示，在光爆炮眼深4m中安放4个药包（每个药包0.2kg）,用导爆索起爆，每个光爆炮眼用同一段毫秒雷管（13段）。要特别指出，炮眼堵塞长度不小于0.7m。

图3光爆炮眼装药结构
⑤光爆炮眼起爆间隔时间
光爆炮眼与内圈炮眼起爆时间间隔为190ms,即内圈炮眼为11段，周边孔为13段。
3.2光爆炮眼施工
光面爆破效果的好坏与炮孔的孔形、周边炮孔外插率、炮孔深度、周边孔的孔距误差、周边孔最小抵抗线误差，炮孔装药、堵塞连线等诸多环节有很大关系。
①测量布孔
钻孔前，测量人员用全站仪测量出隧道中心线和拱顶高程；用激光断面仪测量出隧道开挖轮廓线，用红油漆画出隧道开挖轮廓线，并标出炮孔位置。
②钻孔
周边孔沿隧道断面开挖轮廓线上按周边孔间距均匀布置，允许沿断面轮廓线调整的范围不大于5.0cm，以3%～5%的斜率外插，并根据炮孔深度来调整斜率，孔底不超过隧道断面开挖轮廓线10cm，力求孔底在同一垂直面上。
4光面爆破参数的调整实施原则
4.1根据围岩变化调整
在隧道开挖施工过程中，围岩级别会发生变化，为了确保隧道光面爆破效果，光面爆破设计参数应针对围岩变化情况而调整。滕州隧道进口部分地段是不均质岩体，掌子面围岩左侧较破碎、夹有多条带状红色黏泥，右侧掌子面围岩整体性较好，各占隧道断面近二分之一，在钻爆施工作业时对左侧周边孔孔距与光爆层厚度以及各类炮孔的孔距、排距作了相应的调整，加大左侧周边孔孔距与光爆层
厚度，减少断面左侧的炮孔数量和孔内的炸药填装量。经过调整后光面爆破取得了良好的效果。
4.2根据光爆效果调整
光面爆破参数经过设计选定后，光面爆破效果可能达不到最佳效果，隧道洞身会出现超欠挖现象，需要对光面爆破参数进行调整。隧道洞身出现欠挖，需减小周边孔距、光爆层厚度、增加炮孔的数目和炸药填装量；隧道洞身出现超挖，需加大周边孔距、光爆层厚度、减少炮孔的数目和炸药填装量。经过二、三个钻爆循环作业参数的调整，光面爆破就可以达到最佳效果。
5光面爆破效果
滕州隧道开挖长1504m，采取上下台阶两步爆破开挖，月掘进尺175m，于2009年4月15日，比预计工期提示前了45天安全顺利地贯通。该隧道开挖不但取得了爆破掘进施工进度快的好成绩，而且光爆质量极佳，Ⅱ-Ⅲ级围岩地段上下台阶
光面爆破，炮眼半眼保留率高达 100%，如图4、5、6所示，光面平顺整齐，无超欠挖，岩体无裂纹，给人安全感。滕州隧道取得这样的掘进速度、取得这样的光面爆破效果，深受业主和监理部门的肯定与好评，于2009年2月25日，京沪高速铁路济南指挥部和三标监理项目部组织召开了隧道施工及光面爆破现场观摩会；于2009年4月20日京沪高速铁路济南指挥部给施工单位颁发了“绿卡”，给予奖励。中铁十六局集团为了推广滕州隧道光面爆破经验，于2009年5月11日在该滕州隧道召开了集团公司有关领导和技术干部现场观摩会，学习、借鉴滕州隧道施工光面爆破施工经验。
6认识与体会
6.1要充分认识到实施光面爆破的必要性和重要性
要充分认识到隧道光面爆破是保护围岩的稳定性，即隧道运营时安全。减少超挖降低施工成本，提高经济效益为目的。目的明确行动才自觉。
6.2提高施工人员对光面爆破技术的认
无论隧道施工技术人员还是作业人员，要熟知光面爆破的作用原理、设计方法、技术要点和质量技术标准，牢牢地掌握这方面的知识，才能变成“力量”。
6.3严格按光面爆破施工程序精心施工
光面爆破要严格按施工程序和设计以及施工要点精心施工。
6.4要有明确的分工责任制
光面爆破施工要对人员进行责任分工，哪个人打哪几个眼要固定不变，以便爆破效果的分析，改进提高钻眼质量。
6.5要注重炮孔回填堵塞质量
炮孔回填堵塞质量优劣,关系光面爆破效果,炮孔必须用炮泥回填堵塞,回填堵塞必须有足够长度，严禁用炸药箱卷成卷堵在炮眼口，这种堵塞方法不断起不到堵塞作用，还会起到副作用。
6.6根据围岩变化调整炮孔参数
在隧道开挖施工过程中，围岩级别会发生变化，为了确保隧道光面爆破效果，光面爆破设计参数应针对围岩变化情况而及时调整。
6.7根据光爆效果调整
光面爆破参数经过设计选定后，光面爆破效果可能达不到最佳效果，隧道洞身会出现超欠挖现象，需要对光面爆破参数进行调整。
6.8提高隧道边墙炮眼半眼保留率一项重要技术措施
隧道光面爆破效果一般是拱部炮眼半眼保留率比较高,而边墙炮眼半眼保留率相对低,而滕州隧道边墙炮眼半眼保留率确达到了拱部炮眼半眼保留率,这是因为下部台阶起爆顺序不是自上而下逐层起爆,而是与拱部一样从中间逐渐向外起爆,中部还有掏槽眼。
6.9光面爆破拟采取水压爆破为宜
对于光面爆破,如炮孔采取水压爆破,炮眼中的药卷可以不用导爆索起爆,使用小直径药卷连续装药,只需一雷管起爆即可,这不断降低了爆破材料费用,而且岩石破碎均匀,还能起到降尘和防止“岩爆”的作用。光面爆破采取水压爆破，真是一举多得，拟在今后隧道中采用。

图3 滕州隧道光面爆破效果照片
参考文献：朱忠节、何广沂.岩石爆破新技术.中国铁道出版社.1986