高速铁路隧道大断面精细爆破超挖控制技术研究

高速铁路隧道大断面精细爆破超挖控制技术研究

程博1  王雨翔2  王雷1  孟小为1聂明亮1

1、中铁一局集团第五工程有限公司  陕西宝鸡  721006

2、中国铁建重工集团有限公司  湖南长沙  410100

摘要：

铁路隧道施工作为一项重大工程，其劳动强度大，建设周期长，正在由传统的人工小断面开挖转向机械化大断面开挖，使施工效率大大提升，降低了成本，提高了施工安全质量；同时作为隧道施工重点的开挖爆破超挖控制成为重中之重，本着有效控制超挖，减小浪费、节约成本的目的，对开挖测量放线、钻孔精度、爆破技术、断面扫描分析、施工管理等方面进行研究，制定技术和管理措施，多管齐下进行管控，为大断面精细爆破超挖控制提供重要的参考意义。

关键词：隧道；大断面；爆破；超挖

1前言

随着铁路建设的蓬勃发展，铁路隧道工程施工由以人力为主导的劳动密集型施工方式向全工序机械化少人或无人的施工方式迈进，逐渐采用机械化大断面钻爆法施工，进而隧道施工的爆破超挖控制成为工程人关注的重点，为有效控制超挖，减小浪费、节约成本，隧道采用光面爆破技术，按全断面法（带仰拱或不带仰拱）完成洞身开挖，以开挖测量放线、钻孔精度、光面爆破技术、断面扫描分析、施工管理等为切入点，全面研究改进精细爆破超挖控制技术，制定技术和管理措施，多管齐下全面管控，提升了隧道精细爆破超挖控制技术水平，为后续同类工程施工提供重要的参考意义。

2工程概况

宜昌至郑万高铁联络线ZQ-2标，线路起止里程DK32+818.45～DK67+702.06，途经过宜昌市夷陵区黄花镇、乐天溪镇、邓村乡、下堡坪乡、兴山县水月寺镇，标段全长34.8km，主要工程10桥7隧1车站，其中隧道工程全长31.1km，占线路总长的89.3%，标段重难点工程万家山隧道12.841km、长岗岭隧道13.751km。隧道采用数码雷管爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，以开挖测量放线、钻孔精度、光面爆破技术、断面扫描分析、施工管理等为切入点进行“提质增效抓光爆，循环考核控超挖”，极大的提升了隧道精细爆破超挖控制水平。

3施工工艺

3.1设计情况

隧道主要以花岗岩Ⅱ级、Ⅲ级为主，钻爆方式主要为凿岩台车钻孔，开挖方法主要为全断面法、微台阶法两种。其中电脑凿岩台车可将钻爆参数通过操作电脑直接录入凿岩台车系统，利用系统指挥钻臂按照钻爆设计图钻孔。隧道正洞设计均为单洞双线，设计时速350km/h，行车限界标准净空断面均为100㎡，根据不同等级围岩开挖最大断面125～155㎡，具体各衬砌类型开挖断面如下表所示：

凿岩台车钻爆法开挖断面尺寸表

3.2资源配置

采用凿岩台车钻爆法开挖主要配备三臂凿岩台车两台、开挖台架一部、拱架安装台车一部、装载机两台、挖掘机两台、出渣车5台、喷射混凝土机械手两台、开挖班9人、支护班6人、出渣班6人。

3.3施工准备

工程施工所需要的人员、材料、机械设备全部到位，并检查、检验及培训合格，施工现场无安全隐患，具备各工序施工条件。掌子面施工前应用地球物理探测技术或钻探等方法对隧道工作面前方的不良地质进行探测，主要采用地震反、射波法、地质雷达、瞬变电磁法、水平钻孔法、隧道周边及基底探测和地质调查法等方法进行探测，分析围岩特性，为隧道钻爆开挖提供基础依据。

3.4爆破设计

地质条件是确定爆破参数的基本依据，地质因素中对爆破效果影响较大的有节理裂隙、断层、地下水。根据超前预报结果，合理地选择各种爆破参数,科学地布置各种炮孔,严格控制装药量和-次起爆药量,采用不耦合装药或装填低威力炸药,按照一定的顺序起爆,即先将设计断面内的岩体爆破崩落,然后再同时起爆周边孔,使爆破后的围岩断面轮廓整齐,最大限度地减轻爆破对围岩的扰动和破坏,尽可能地保持原岩的完整性和稳定性。光面爆破要获得“一光二稳”的效果，除掌握、处理好光面爆破各有关参数外，精心施工也是爆破成功的又一重要因素。减小炮孔定位误差和钻孔角度误差，按设计的装药结构装药，保证不耦合系数，都有利于达到理想的爆破效果。

3.4.1爆破参数

(1)爆破器材

爆破采用2号岩石乳化炸药，规格为Φ32mm×300mm、Φ32mm×200mm、Φ40mm×300mm，凿岩台车作业面使用Φ32mm、Φ40mm药卷，风钻作业面使用Φ32mm药卷。装药结构用竹片绑扎，导爆索传爆，掏槽眼、辅助眼采用连续装药，周边眼采用间隔装药。起爆材料采用1～20段的非电毫秒雷管起爆，塑料导爆管引爆，其中电雷管作为网络起爆用。

(2)钻眼深度

钻眼深度综合考虑施工进度要求、钻机的效率、爆破有效进尺等因素确定，掏槽眼比其它眼加深约0.2m。

(3)掏槽方式

根据洞内围岩的地质特性及爆破效果，优先选用斜眼掏槽法，个别工点可进行直眼掏槽试验，浅孔微振动控制光面爆破。

(4)光面爆破的主要参数

隧道开挖采用光面爆破，以减轻爆破对周边的扰动，控制超欠挖。光面爆破的主要参数有周边眼的间距、光爆层的厚度、周边眼密集系数、周边眼的线装药密度等。光面爆破参数通过试验确定，并根据现场爆破效果不断进行调整。

(5)光面爆破的技术措施

适当加密周边眼。周边眼孔距适当缩小，可控制爆破轮廓，避免超欠挖，又不致过大地增加钻眼工作量，一般取E＝（8～12）d，E为孔距，d为炮眼直径。

(6)设计断面尺寸

凿岩台车钻爆法开挖断面尺寸表

3.4.2钻爆设计

(1)Ⅱ级围岩钻爆设计

Ⅱ开挖采用大断面不含仰拱法钻爆法施工，循环进尺4.5m，爆破设计见图。爆破设计根据围岩爆破设计实际效果进行改进。

具体爆破设计如下：

①爆破参数如下：

炮眼深度：4.5m；炮孔直径：φ42mm；炸药类型：乳化炸药，规格φ32mm；掏槽方案：采用斜眼掏槽形式；雷管间隔：非电毫秒雷管间隔25-150ms。

②炮眼布置图

Ⅱ级围岩全断面不含仰拱开挖爆破设计图

③装药参数

Ⅱ级围岩开挖钻爆参数表

(2)Ⅲ级围岩爆破设计

Ⅲ级围岩开挖采用全断面不含仰拱钻爆法施工，循环进尺4.0m，爆破设计见图。爆破设计根据围岩爆破设计实际效果进行改进。

具体爆破设计如下：

①爆破参数如下：

炮眼深度：4.0m；炮孔直径：φ42mm；炸药类型：乳化炸药，规格φ32mm；掏槽方案：采用斜眼掏槽形式；雷管间隔：非电毫秒雷管间隔25-150ms。

②钻爆设计图

Ⅲ级围岩全断面不含仰拱开挖爆破设计图

③装药参数

Ⅲ级围岩开挖钻爆参数表

3.4.3爆破防震

隧道进出口临近居民区和既有道路时，采取控制爆破，严格控制爆破频率及允许振速，爆速控制标准不大于2～5cm/s，并满足相关的规范和标准。施工期间进行沉降、变形监测，严格控制沉降、变形量，发现监测数据预警时及时采取应急措施，以策安全。

对于隧道口附近存在有需保护的建筑物时，为确保建筑物结构安全，须严格控制爆破震动。根据所处的地理位置，需要对不同距离内的房屋结构进行验算以确定同段起爆最大装药量，以便指导施工。

3.4.4安全警戒

每次爆破前30min进行安全警戒，警戒范围按爆破飞石的安全距离确定，警戒范围以内的一切人员全部撤离，爆破指挥则依每次爆破地点设于安全位置。爆破指挥、起爆点和各警戒点之间用步话机保持顺畅的通讯联系。警戒信号分为三种，即警戒、准备起爆和警戒撤离。每次爆破后检查无误后由爆破指挥发出警戒撤消信号。隧道内警戒距离不小于300m，洞口警戒距离不小于200m。

3.4.5其他

以上爆破设计仅作为各工点开工前的初始钻爆设计图，各工点在钻爆开挖过程中根据爆破效果围岩地质情况需不断进行优化，最终确定适合各工点施工工法的最佳钻爆设计图。

3.5测量放样

按照钻爆设计图精确放样炮孔位置并标记明确。在隧道开挖过程中，放样应保证开挖轮廓线的精度，按放样轮廓布孔和钻孔，中线或高程的偏移，将使断面轮廓线向一侧偏移，由此会造成一边超挖，而另一侧欠挖，在现场实际中，有些隧道呈波浪状延伸，可能就是因为放样精度不满足要求而造成的。

3.6钻孔

(1)根据隧道围岩等级完成钻爆图设计，测量人员掌子面按照钻爆设计标识钻孔点位。

(2)施工作业面完成场地整平及排水沟设置，凿岩台车支腿支垫稳固。

(3)利用凿岩台车导航系统及初支预设控制点完成自动定位，每隔3～5个开挖循环，利用全站仪放样校核，偏差超过3cm时，应重新标定及校准钻臂姿态。

(4)根据钻爆设计图及掌子面钻孔点位标识，按照底板眼、周边眼、辅助眼、掏槽眼顺序进行分机、分区、分臂施钻，对已钻好的底板眼进行堵塞保护。

凿岩台车钻孔分区图            凿岩台车钻孔分区顺序图

(5)周边眼施钻需根据围岩等级预留钻臂作业空间，一般为1～3m（应完成初喷及锚杆施作），确保扶钎器和凿岩机紧贴初支且不刮蹭岩壁或初支及拱架，凿岩机、钻杆、扶钎器中心处于同一轴线，或采用长短眼减小周边眼外插角度。

(6)双机作业时，单机定位、双机并联、分区作业，提高作业工效。

(7)钻孔完成后，利用拱架安装台车（台架）配合人工，完成炸药装填及起爆网路连线，采用专用起爆装置，在安全距离外完成起爆。

3.7装药起爆

装药前做好警戒，按照钻爆设计进行装药，严格控制药卷数量及间距，爆破前确认安全进行起爆。

3.8爆破效果分析

(1)全站仪测量

采用全站仪进行测量评定时，主要得到的数据各个断面特征点的坐标，选取特征点尤为重要，采集完成后于设计开挖轮廓线进行比对，采集的数据越多，得到的分析结果越趋近于真实数值。

(2)三维激光扫描

采用三维激光扫描，效率高，可自由设置扫描断面间距及采集点云环向间距，断面分析超挖面积及扫描断面各项数据更为真实，计算超欠挖灵活方便。

(3)

及时总结分析

每次爆破后检查爆破效果，分析原因及时修正爆破参数，提高爆破效果。

①根据岩层节理裂隙发育、岩性软硬情况，修正眼距、用药量，特别是掏槽眼跟周边眼的布置。

②根据爆破后石碴的块度修正参数。石块小，说明辅助眼布置偏密；石块大说明炮眼偏疏，用药量过大。

③根据爆破振速监测，调整单段起爆炸药量及雷管段数。

④根据开挖面凹凸情况修正钻眼深度，爆破眼眼底基本上落在同一断面上；

⑤周边眼要形成多打眼少装眼，才能有效的控制超欠挖。

4控制措施

4.1超欠挖控制措施

4.1.1召开动员大会，提高管理人员和大机操作手的认识，从源头控制光爆。

根据工作总体安排，工区组织召开光面爆破专题会，学习光面爆破下发的相关文件，启动了“提高增效抓光爆，循环考核控超挖”的管理提升活动。统一管理思想、提升工作站位，将隧道光面爆破理念、措施全面贯彻到各项日常管理工作中，逐作业面落实到位。

4.1.2管理人员跟班作业、根据每循环光爆效果进行分析。

自从启动了“提高增效抓光爆，循环考核控超挖”的管理提升活动后，现场管理人员工区经理、作业队长、技术主管等主要负责人进行跟班作业。

积极主动和操作手沟通，询问打钻过程中存在的问题，根据实际情况配合解决存在的问题。优秀的操作手分享自己打钻过程中经验，供经验不足的操作手进行学习，改进提高，跟班管理人员提出打钻过程中存在的不足，每循环对现场光面爆破进行分析，对存在的问题及时在下循环中纠正。

4.1.3安排大机操作手培训，提高技术水平，深刻领会“准、直、平、齐”。

根据管理人员在现场跟班作业发现的问题，结合大机操作手提出的问题，集中对大机操作手进行培训，使大机操作手和测量班组融为一起，测量班根据设计精密的放样出轮廓线，在掌子面拱顶、起拱线以及掌子面后方同一位置做出明显的标记，并把做的标记及时反馈给大机操作手。明白测量班在掌子面及附近标注点的用意，并在打设周边眼时必须做到“准、直、平、齐”的标准。

准：就是按照放样的周边眼点位，孔位要选准，当钻孔过程中受掌子面围岩节理等其他因素的影响时，可使孔位重新定位，在定钻过程中一定要精确。

直：主要指钻孔要直，不能因钻孔压力过高或过低出现忽高忽低、左右摆动的情况，使钻出的孔呈蛇形。

平：就是各炮孔之间相互平行，这样可以使爆破后的周边眼间距均匀，防止打钻过程中两炮孔出现“剪刀型”的情况，以便提升整体光爆效果。

齐：就是左右大机打钻孔底要齐，爆破后掌子面要落在同一面上，便于下循环作业。要做到孔底齐平，所以在施钻过程前，两边操作手提前沟通协商，输入打孔深度。

4.1.4持续开展爆破参数优化，设计不同等级围岩设计钻爆图。

采用光面爆破技术，强化钻爆设计，实施动态优化，做到“岩变我变”。由大机操作手打钻过程钻杆的钻进速度，判断前方围岩的情况，针对大机操作手反馈情况，爆破班组对装药结构进行动态变化，爆破后查看整体爆破效果。根据现场长期打钻及装药经验，绘制有针对性的钻爆设计图，以此作为初期现场钻爆参照和依据，在施工中根据围岩实际揭示情况、爆破效果，及时进行动态优化和调整。

4.1.5结合机械结构缺陷，改变打钻习惯，减少炮茬间错台。

根据现场长期打钻效果来分析，大机在打钻过程中由于受到结构缺陷（顶盘边缘距钻头中心15cm），打钻进尺及围岩情况，整体存在炮茬间错台较大，期初能达到25cm左右。为了有效减小错台，在施钻周边眼时，需要在没有条件的地方打设“飘杆”，顶盘不需要顶住掌子面，顶盘需要离掌子面30-40cm位置开始施钻，等钻杆入岩50cm以上后，提高转速。经过不断的摸索，在不受围岩节理裂隙的影响下，错台控制在15cm左右。

4.1.6配足3D扫描设备，实时采集开挖断面数据，为开挖后超欠挖提供基础数据支撑。

出渣结束后，现场技术人员用配备的三维激光扫描仪进行断面扫描，处理数据、分析结果，经过与现场测量班组数据进行对比，确认无误后把断面数据反馈给现场负责人，盯控打钻过程中外插角的角度。

4.2质量措施

4.2.1钻孔作业质量要求

(1)炮眼的深度和倾斜率要按照钻爆设计钻眼。

(2)根据隧道的开挖断面尺寸，眼孔位置按爆破设计位置开孔，位置偏离不得大于5cm。周边眼孔距不得大于40cm（具体按爆破设计钻眼），外插角度1～3°。

(3)掏槽眼眼口间距和眼底间距的允许误差为±5cm；辅助眼眼口间距允许误差为±10cm；周边眼眼口位置允许误差为±5cm，眼底不得超出开挖断面轮廓线15cm。

(4)当开挖面凹凸较大时，按实际情况调整炮眼深度及装药量，使周边眼和辅助眼眼底在同一垂直面上。

(5)钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，对不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后方可装药。

(6)钻孔作业要定人定岗，尤其是左右侧周边眼司钻工不宜变动。

4.2.2装药作业质量要求

(1)爆破工装药前，应与班组长、领工员对装药开挖工作面附近及炮眼等进行全面检查，对检查出的问题及时处理。

(2)炮眼内石渣应清理干净。

(3)装药作业与钻孔作业不能在同一开挖工作面平行作业。

(4)所有装药的炮眼应采用炮泥堵塞，不得用炸药的包装材料等代替炮泥堵塞。采用炮泥机制作炮泥，炮泥配合比一般为1：3的粘土和沙子，加含有2％～3％食盐的水制成，炮泥应干湿适度。封孔应满足下列要求：

最初填塞的炮泥应慢慢用力，轻捣压实，以后各段炮泥应依次用力一一捣实。浅孔宜将余孔全部堵塞。炮眼长度小于1m时，封泥长度不宜小于炮眼长度的1/2。炮眼长度超过1m时，封泥长度不宜小于0.5m。炮眼长度超过2.5m时，封泥长度不宜小于1m。光面爆破周边眼封泥长度不宜小于0.3m。

(5)连线、起爆作业要求：

每次起爆前，爆破员必须仔细检查起爆网络。在同一开挖断面上，起爆顺序由内向外逐层起爆。延时一般采用孔内延时控制。爆破员必须最后离开爆破地点，并必须在有掩护的安全地点进行起爆。爆破前，班组长必须清点人数，确认无误后，方准下达起爆命令。爆破员接到起爆命令后，必须先发出爆破信号，至少等5s，方可起爆。处理瞎炮（包括残炮）必须在爆破技术人员指导下进行，并在当班处理完毕，如果当班未能处理完毕，爆破员必须同下一班爆破员在现场交接清楚。

5取得的成效

通过开展隧道大断面精细爆破超挖控制工作开展以来，取得了良好的效果，超挖超耗数据均有降低，主要取得成绩如下：

(1)不同等级围岩平均线性超挖数值，总体目标趋势呈下降趋势，根据现场围岩变化，有时候存在反弹情况。

(2)取得了不同等级围岩每月喷射混凝土超耗比例数据，总体目标趋势呈下降趋势。

(3)获取了合理允许超挖值，允许超挖值应根据不同岩性、围岩等级及开挖方式和开挖方法进行综合确定，其中超挖控制指标应按不同等级围岩，分拱墙、仰拱或底板两部分控制，一般硬质岩拱墙超挖允许值：13～18cm；一般软质岩拱墙超挖允许值：18～22cm；超挖值同循环进尺、外插角度关联极大，需要严格控制进尺、凿岩台车操作手技能水平。

6结束语

隧道超欠挖现象不仅仅是爆破技术问题,更是施工组织管理问题,通过严格、高效、精细化的施工组织管理制度+执行,确保光面爆破每道工序过程达标通过每循环过程控制、效果检查、动态提升，达到预期理想爆破效果。光面爆破严格按照设计参数进行施工,包括钻孔、装药、封堵炮孔及起爆网路连接等,爆破后对隧道轮廓线、超欠挖、岩渣块度、炮孔残留率及炮孔利用率进行评判,并根据评判结果结合现场围岩状况,对照光面爆破影响因素进行综合分析,重新调整下一循环爆破参数,以提高下一循环的爆破质量,减少超欠挖量，同时，施工组织管理应以经济管理为轴心,实行“技术先行、过程控制、经济结束”的管理原则提升光面爆破质量，控制光面爆破经济成本。

参考文献：

[1]铁路隧道工程施工安全技术规程（TB10304-2020）

[2]高速铁路隧道工程施工质量验收标准（TB10753-2018）

[3]高速铁路隧道工程施工技术规程（Q/CR 9604-2015）

基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重大课题（K2021G024）

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