贵州省桐梓隧道是重庆至遵义段扩容工程的重要组成部分,作为贵州省高速公路中规模最大、线路最长、环境最复杂的隧道,工程多样的地形地质条件 ^[1]、周期较长的服务年限、高要求的钻孔精度等给隧道开挖带来挑战。

　　 爆破作为一种安全、高效的施工工艺,是隧道开挖最主要的施工手段。在复杂的地形地质条件下进行地下爆破掘进施工,由于区域地质条件不明、爆破工艺选择不当或围岩岩性变化较大等原因,爆破后的超欠挖现象较普遍,同时还经常引起地表塌陷、地下水位降低及影响隧址居民生产生活,严重时还将引起洞内坍塌、涌水及突泥等,造成较严重的人员伤亡及财产损失 ^[2]。

　　 贵州省桐梓隧道作为贵州省目前最长的隧道,全长共计10.5km。为加快隧道的施工进程,该隧道共设计4处斜井,建成后,这4处斜井还可用于长隧道通风及应急逃生、抢修等。隧道建设过程中,由于隧址区域地质情况复杂,传统爆破施工工艺落后,在3号斜井及右主洞的爆破开挖中已出现严重的超欠挖现象,且造成主洞浅埋段地表塌陷及位移。为减少超挖带来的回填及欠挖后的二次破碎工作量,减小爆破对围岩及地表的扰动,引进三臂凿岩台车结合聚能水压光面爆破的施工工艺。

　　 本工程为兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程T8标段,项目位于遵义市桐梓县境内,路线起于桐梓县楚米镇,途经出水村,跨越石板村到达本标段终点,路线起止桩号YK40+546.000—YK47+410.000。隧道最大埋深639.07m。隧道起点位于直线上,隧道出口位于圆曲线上,隧道左、右幅均为上坡,纵坡1.75%。桐梓隧道3号斜井与主洞交叉桩号YK42+030.000,斜井起止桩号K0+000.000—K1+570.000,全长1 570m,大多为Ⅳ,Ⅴ级围岩,斜井开挖断面面积83.15m²。

　　 项目地处黔北高原北部,是大娄山脉延伸偏转部位。隧址穿越区地层众多、岩性多样、组合复杂,主要有泥岩、砂岩、灰岩及煤系地层。各强风化层节理裂隙发育、岩体破碎,呈松散碎裂结构;岩质软,中风化层节理发育～不发育;岩体较破碎～较完整,呈层状结构。褶皱构造以复式背、向斜为主,具有窄向斜宽背斜组成的典型隔槽式构造组合特征。隧道穿越的褶皱构造有东山背斜、高桥向斜、茅坝向斜,穿过的断裂主要为开肩堡断层、令狐家垭口断层、出水孔断层和夜猫洞断层。

　　 由于隧址穿越煤层,隧址区存在诸多施工难题,不良地质主要有断层破碎带、采空区、瓦斯、高地应力、地温、岩溶、危岩体及堆积体。同时,采用传统爆破工艺开挖时,爆破振动、冲击波、噪声、炮烟等有害效应较大,不利于安全生产,且造成严重的超欠挖现象,故需改进传统隧道爆破施工工艺,以满足当前复杂环境下隧道建设的需要 ^[3]。

　　 爆破的聚能效应指利用药包空穴(聚能穴)使炸药爆轰所产生的巨大能量作用在聚能穴轴线方向上,以提高炸药的局部破坏作用。普通药包爆炸后,爆轰产物沿近似垂直于药包表面的方向向四周飞散,在相同的球半径下,作用在介质上的能量各方向大致相同,但采用聚能装药结构时,爆轰产物向聚能穴方向聚集,形成一股高温、高压、高速、高能量密度的爆轰产物,聚能穴方向的做功能力远大于普通装药结构 ^[4]。

　　 隧道掘进爆破中需采用线聚能装药结构,条状线性聚能装药结构的药罩呈楔形,爆轰发生后将产生刀刃状的高速、高温、高能流密度的聚能流,聚能流具有较强的侵蚀作用,可迅速切割金属、硬质岩体等介质,双聚能药包具有操作简单、爆破效果好等特点,能在岩体中形成定向裂纹,在各类工程中得到广泛应用 ^[4]。

　　 线性聚能爆破的成缝过程大致分为5个阶段:(1)产生射流阶段爆轰波作用于聚能罩,使带有化学反应区的冲击波向聚能罩的对称面上运动,并在对称面一定距离(焦点)处相遇,产生射流;(2)形成切槽线性聚能射流作用于岩石上,在各炮孔中,聚能穴朝向形成一定深度的导向沟槽;(3)裂缝扩展在后期线性射流及爆炸应力波作用下,切槽裂缝向前扩展;(4)裂缝形成聚能射流作用完毕后,高温高压的爆生气体楔入切槽裂缝,使之贯穿;(5)岩体分离、崩落根据炸药种类及岩体力学性质的不同,有剩余爆生气体及残余压力时,使被爆破岩块被推移、分离甚至崩落 ^[4,5]。

　　 水压爆破指以水代替空气作为传爆介质,将炸药爆轰时产生的能量作用于被爆介质上,使其达到充分破碎的爆破技术。炸药在水介质周围爆炸后,对周围固体介质的作用机理按时间先后分为以下3种:(1)传递能量作用炸药爆炸后水中局部密度增大,水中质点运动速度极快,水作为一种特殊的传播介质,主要起均匀传递爆轰波能量的作用;(2)水楔劈裂作用由于爆轰波或其他能量的提前作用,使被爆介质产生许多裂纹,在带有大量能量的水楔作用下,大量裂纹开始扩展、贯穿,水楔作用对裂纹的劈裂作用远大于气楔劈裂作用;(3)缓能作用水压爆破主要靠水介质进行能量传递,炸药爆炸后的冲击波及爆轰产物在水介质中的传播速度远小于在空气中的传播速度,因此,炸药在水介质周围爆炸后的能量较均匀地作用于被爆介质壁面上,有利于分散炸药爆炸时产生的能量,保护预留壁面 ^[6]。

　　 聚能水压爆破技术既利用聚能爆破的聚能机理,也利用水压爆破的缓能机理。隧道聚能水压光面爆破即隧道周边光面孔中采用双向聚能管装药装置替代常规光面爆破装药方法,在炮孔的最底部和上部安装水袋,采用专用的水砂混合袋(非牛顿流体材料) ^[7]进行回填堵塞,以达到聚能导向、充分利用爆破势能、保护原岩、改善爆破效果的目的。实施聚能水压光面爆破时,由于聚能爆破线性聚能装药的射流作用,将在带有大量能量的水介质作用前提前成缝,射流成缝后,带有大量能量的水楔对其进行劈裂,因为水难以压缩和渗透性强,使裂缝进一步扩展、贯穿,同时未成缝的炮孔顶部因水介质的缓能作用,对预留原岩的扰动及损伤较小,且进一步降低爆破振动、减少粉尘及噪声等有害效应,可达到良好的爆破效果。聚能水压光面爆破装药如图1所示 ^[8,9]。

　　 常规隧道爆破的穿孔过程常采用风动式气腿凿岩机进行人工钻孔,由于人工钻孔作业的精度不高、速度慢且具有一定危险性,为加快施工进度、提高钻孔精度、保证隧道开挖效果,桐梓隧道项目部采购2台瑞士进口的全自动三臂凿岩台车大大提高钻孔的效率及精度,使爆破施工作业严格按照爆破设计进行。

　　 聚能水压光面爆破所需材料有聚能管、炸药、导爆索、雷管、水袋、水泵、防爆式气动胶枪、堵孔水砂袋等。

　　 对隧道掏槽孔、辅助孔等非周边孔按正常装药后,采用水砂袋进行堵孔。光面孔采用聚能爆破装药时,将导爆索装入聚能管中,采用气动式胶枪将乳化炸药注入半壁聚能管中,将半壁管和封片合并成整体,再将装有炸药的聚能管两端套上塑料定位块(圆头放置前端,方头放置末尾),为减少根底的产生,聚能罩前端放150gɸ32的乳化炸药,并与孔底连接件黏接牢固,聚能罩顶部与底部放置水袋,采用水泵注水至满即可,水袋放置不可与聚能穴朝向相同,否则分散聚能射流能量,影响切槽成缝效果 ^[10]。

　　 按掏槽孔先爆、辅助孔后爆、周边光面孔最后起爆的总体顺序连接起爆网路,采用导爆管雷管连接网路时应注意反向捆扎聚能穴,连接导爆索时使聚能穴朝向与传爆方向一致,为保证起爆网路的安全,应采用复式起爆网路,以防发生盲炮及拒爆 ^[11]。

　　 在隧道爆破作业中,炮孔常为水平钻凿,需特制的炮泥进行堵塞,成本较高,许多隧道掘进爆破都不进行堵塞,因此常有飞石、噪声等影响,且采用不堵塞的炮孔进行爆破时,爆破效果较差,故研制一定比例的水砂混合物,作为堵孔材料,可直接采用抽砂泵配合高强度PVC塑料袋进行炮孔堵塞,由于具有非牛顿流体的特性,当外界作用力不大时为流体材料,在爆轰波或冲击波作用下呈固体材料特性,操作使用较简单,具有较好的堵塞效果 ^[12,13]。

　　 爆破后,至少通风15min后才可进入隧道检查爆破作业面,确定无盲炮、无突水、无突泥前兆时,再进行清渣作业,清渣完成后,统计爆破后的超欠挖及半壁孔率,分析爆破效果,进而不断优化爆破参数、改善爆破效果。

　　 采用隧道聚能水压光面爆破技术代替传统的隧道爆破技术,隧道爆破后成型效果较好,开挖轮廓线平顺整齐,超欠挖明显得到改善,有利于下步支护工序施工,同时混凝土回填成本大为降低。常规隧道爆破的光面孔间距为40～50cm,聚能水压光面爆破技术可增大光面孔间距至80～100cm,大大减少光面孔的钻凿数量,造孔率减少50%,降低爆破作业工班的劳动量,钻孔缩短30min,常规隧道爆破后半壁孔率约35%,聚能水压爆破后的半壁孔率提高至83%。同时也节约炸药及雷管等爆破器材,降低材料成本、减少工时消耗、劳动效率明显提高。

　　 采用聚能水压光面爆破技术大大削弱爆破飞石、爆破振动、噪声、冲击波及爆破烟尘等有害效应。通过现场爆破振动测试,传统爆破引起的质点振动峰值速度为0.568cm/s,采用聚能水压光面爆破技术的振动峰值速度为0.203cm/s,聚能水压爆破技术具有较好的降振效果,相比常规爆破,光面降振率可达64.3%,传统爆破与聚能水压爆破的振动波形如图2所示 ^[3,14]。

　　 聚能水压光面爆破技术在经济效益方面具有较大优势,主要体现在节约爆破器材、降低支护成本、提高生产效率方面。该技术明显节约爆破器材费用,尤其是周边孔造孔减少50%,炸药节约55.2%,唯一增加成本是聚能管和水砂袋的费用,每个循环864元,总体来看,仅周边孔爆破的成本降低40%,考虑超欠挖等增加的出渣量、支护量,施工成本降低更多。该技术有效降低支护费用,由于成型质量较好,超欠挖现象得到有效控制,喷射混凝土支护费用降低15%～20%。该技术大大提高劳动生产效率,周边孔打孔时间减少30 min,每循环时间缩短,有利于加快施工进度。

　　 通过现场爆破试验,分析聚能水压光面爆破的技术原理,对比传统爆破工艺及聚能水压爆破技术的特点,通过聚能水压光面爆破技术,成功改善并解决桐梓隧道的超欠挖现象,同时达到较好的爆破施工效果。

　　 1)采用三臂凿岩台车进行钻孔作业,大大提高钻孔精度及钻凿炮孔的速度,缩短钻孔作业周期、加快施工进度,同时,三臂凿岩台车钻孔作业时,钻凿炮孔的精度远大于人工钻凿的炮孔,保证钻凿炮孔的质量。

　　 2)采用聚能水压光面爆破技术解决桐梓隧道的超欠挖现象,改善爆破效果,爆破后的半壁孔率由传统爆破的35%提升至83%,爆破后隧道壁面较平顺光整,且采用聚能水压光面爆破技术结合水砂袋进行炮孔堵塞,保证爆破效果,大大削弱爆破飞石、冲击波、噪声、振动及爆破烟尘等有害效应,相比传统爆破,降振率可达64.3%。

　　 3)采用聚能水压光面爆破技术可增加光面孔间距到80～100cm,周边孔钻凿炮孔数量减少50%,相比传统爆破炸药量节约55.2%,且超欠挖现象得到有效控制,喷射混凝土支护费用降低15%～20%,具有较好的经济效益。