京西山岭隧道爆破开挖方案比选

我国路网高速发展，随着国家发展需求，隧道施工项目遍布全国各地，同时在施工过程中也会受到各种因素的制约，影响开挖掘进。根据施工环境，从安全、进度、环保、经济、履约等方面也出现了劈裂棒爆破、二氧化碳爆破等施工工艺，虽然解决了一些难题，但部分隧道施工环境的影响也制约了其发展。

1 工程概况

门头沟区京西109新线高速工程十工区，通行于北京市达摩沟村至齐家庄村地界。在工区起始位置（清水1号隧道）有达洪路（005县道）与工区相连接，现状国道109与山区外部路网相连，109国道作为施工主干道，工区交通条件便利。

起讫里程：K57+41–K68+685，全长为9.588km， 隧道爆破工程量约80万m3。隧道进、出京线设于达摩沟村地界紧邻005县道。隧道中间里程AK58+900，进出京方向双向隧道，进出京共四车道，洞门采用端墙式，分段机械通风，电光照明（图1）。

     

图1 隧道横断面内轮廓示意

隧道工程地质概况及周边环境如下：清水1号隧道岩层及穿越位置岩层主要为坡洪积碎石及强风安山岩、火山碎屑岩等。岩层为硬岩，整体较破碎–破碎，裂隙发育，空间结合不利，成块状。

隧道进口总体靠近现有达洪路（县道005）北侧，位于达摩沟村附近，周边线路主要是109国道和005县道，现况山地无开发，山体表面均为野生草木，300m范围内无医院、学校居民楼等重要保护 对象。

2 山岭隧道光面爆破方案

隧道开挖地质围岩情况决定开挖方法。光面爆破在国内应用广泛、工艺流程成熟。根据围岩情况划分可分为全断面开挖法、两台或三台阶法、交叉中隔壁法、CD法、双侧壁导坑法。

根据地质情况和周围环境，施工条件选用合理的机械设备，配备足够的数量，从人、材、机、料、法、环分析满足工期、经济、安全环保要求，拟采用以下施工方法。

进出京隧道，分为、Ⅳ、Ⅴ级围岩，分别采用上下台阶法、台阶法预留核心土法、交叉中隔壁法施工，此对比方案是在Ⅲ级围岩中采用上下台阶法施工，隧道断面线型开挖采用光面爆破方案。

2.1 工艺流程

施工工艺流程：测量放样→钻孔→警戒→装药连线→炮孔堵塞→起爆。

2.2 常规爆破技术要求

光面爆破主要目的是在尽量减少对围岩扰动的同时，使隧道轮廓成型规整。根据岩层条件确定光面爆破、炸药用量和间隔（ q ）、光面爆破不耦合系数（ D ）、周围的炮孔间隔（ E ）、光爆面的层厚（ W ）等因素，设计参数据实际经验和理论计算相结合。

2.3 起爆顺序与间隔时间

选用定位含有编号的电雷管作为起爆器材。爆破先后顺序首先为掏槽眼爆破，留出临空面，在爆破辅助孔由内向外依次爆破，其次爆破周边孔，底板作为最后爆破；全面考虑爆破所用的雷管安全和可靠性，爆破设计采用逐排爆破，逐排间隔时间为50?ms间隔，在作业过程中根据效果动态调整。洞门位置比较特殊，震动要求严格，需采用逐个孔爆破，各爆破孔之间间隔时间为10ms。隧道Ⅲ级围岩炮孔布置及剖面如 图2所示。

     

（a）

     

（b）

     

（c）

图2 隧道Ⅲ级围岩炮孔布置及剖面示意

（a）上台阶炮孔布置 ；（b） 下台阶炮孔布置； （c） 炮孔布置剖面示意

3 劈裂棒开挖方案

3.1 工艺流程

测量放样→钻孔留出临空开挖区→钻孔→清孔→安放液压劈裂棒→朝向临空面分层启动液压劈裂棒。

3.2 劈裂棒非爆开挖技术要求

（1）需解决临空面问题，岩石整体性要好。

（2）需配套履带式潜孔钻，对钻孔间距和角度有严格要求。

（3）根据开挖高度配备登高台架（劈裂棒安装操作平台）。劈裂棒非爆破开挖如图3所示。

     

（a）                  （b）

图3 劈裂棒非爆破开挖

（a）示例1；（b）示例2

4 二氧化碳爆破方案

4.1 工艺流程

测量放样→钻孔→二氧化碳计算与充装→清孔→填塞裂孔→警戒→裂后安全检查。

4.2 二氧化碳爆破技术要求

（1）本隧道根据三级围岩的岩石性质，上下台阶预留的位置、需要的临空面设置间距。

（2）钻孔要整齐平顺。裂孔误差符合规范要 求，如出现孔数间距太大需进行补钻。

（3）根据本工程的岩石性质、破碎程度、裂隙发育情况、地表水情况设置台阶高度及临空面，根据裂管孔径、长度计算每管二氧化碳充装数量，做好排列顺序装管，并计算和复核无误，随着岩性的变化，充气量也跟着变化。

（4）检查裂孔（钻孔）清理干净杂物，测好每孔深度、孔径、孔数。

（5）采用黄泥土做好填塞，如有裂隙水，需做好排水后，进行填塞用炮杆捣实，做好记号，采取覆盖遮挡措施，防止飞石。

（6）做好前置工作后进行警戒，检查网络、机械，人员应撤至安全区域，听从指令爆破致裂。

（7）确认无盲炮、无安全隐患，方可通知撤去警戒（图4）。

     

图4 二氧化碳装管致裂

5 3个方案比选光面爆破优选

5.1 劈裂棒非爆开挖方案

（1）劈裂棒非爆开挖方案特点。根据京西山岭隧道的实际岩层环境，作业面空间局限，无临空面难以开挖，且开挖形成的周边线型难以控制、开挖石块大，需二次破碎增加工作量，影响整体工期进展，且每循环进尺局限，每个断面需分多次劈裂开挖。

（2）进度方面。劈裂棒非爆作业进度慢，每循环只能单排作业，且需先开挖预留出临空面，在山岭隧道中需配置履带式潜孔钻，作业台架，配备整套劈裂棒设备，每天完成1循环进尺约1m，循环进尺 慢，不能满足要求。

（3）安全环保方面。劈裂棒非爆开挖适用于特殊条件下，靠近房屋、高压线的情况下作业，安全可靠，噪声和扬尘较小。

（4）质量方面。不能按照设计断面线型控制超欠挖，影响后期初期支护质量。

（5）经济方面。劈裂棒非爆开挖每立方米造价约39元，每天开挖放量少，不满足大方量开挖，且每次开挖的石块较大，需挖机破碎锤二次破碎方可转运，无形中又增加每方费用。

5.2 二氧化碳爆破方案

（1）二氧化碳爆破在施工中技术有所突破，需要提升的地方还很多：爆破产能低，爆破环境要求高，爆破循环时间长，频率低，工序多；无临空面不能达到爆破效果；单次爆破不能超过两排，容易爆破损坏爆筒；爆破成本高，采用设备多；对各工艺质量要求 高；爆破振动力大，声音比较明显。

二氧化碳爆破采用高压泵压缩液态到爆破管内，其次安全膜、破裂片、导热棒和密封圈的安装，拧紧帽盖，安装好爆管，用起爆线连接爆管和起爆器，微电流通过高导热棒，产生的高温击穿安全膜，二氧化碳瞬间急剧膨胀出现冲击波，自动打开泄压阀，液态二氧化碳吸热气化，促使体积急剧膨胀，产生的高压使山体岩层开裂。

（2）进度方面。二氧化碳爆破作业进度慢，每循环可以两排爆破，不适用多排爆破，同样需要临空面作业，需先钻孔开挖出临空面，且需配置履带式潜孔钻，装管作业台架，配备整套二氧化碳爆破设备，由于二氧化碳爆破在空间大、面积大、方量大、比较空旷的地块方可发挥优势，而在山岭隧道中空间小、断面尺寸局限影响进尺，每天两循环完成约 1.8m，循环进尺短，不能满足工期要求。

（3）安全环保方面。二氧化碳爆破在山岭隧道中噪声大、扬尘高、飞石远，存在多处安全隐患，在有限空间内产生有害气体，不满足环保方面要求。

（4）质量方面。对地质岩性要求高，爆破断面线型不规则，难以控制超欠挖，影响后期初期支护 质量。

（5）经济方面。二氧化碳爆破每方造价约56 元，在山岭隧道中空间及断面尺寸小，每天开挖放量受限，不能大面积爆破开挖，影响工筹，且每次开挖的石块较大，需挖机破碎锤二次破碎方可转运，二次增加每方费用。

5.3?山岭隧道光面爆破方案

5.3.1?光面爆破施工特点及优势

（1）无需配套大型设备，钻孔采用Y28型钻机可行。

（2）钻孔辅助眼和钻孔间距根据围岩情况调 整，灵活度高，钻孔速度快，整个工作面可同时作业钻孔。

（3）装药速度快，环节控制安全可靠，无需其他专业设备配合。

（4）爆破每循环掘进进尺长，可分为台阶式单台阶断面同时爆破掘进。

（5）循环次数少，安全、环保，工艺成熟。

（6）光面爆破周边轮廓线可按照预期达到设计线性，轮廓可控。

（7）施工进度快，可如期履约，爆破造价低。

5.3.2 进度方面

光面爆破作业，进度快，可按断面线型作业，施工灵活，根据岩层性质调整掏槽眼、辅助眼间距、周边孔间距控制线型，且只需配置Y28钻孔机、开挖作业台架、起爆器，光面爆破各级别围岩和断面尺 寸，作业灵活，可按照设计线型爆破作业，循环进尺速度快，三级围岩每天可进尺二循环约4m，循环进尺长，能满足工期履约要求。

5.3.3 安全环保方面

光面爆破在山岭隧道中炮孔间距可适当调整，每孔装药量小、制飞石距离可控，周边围岩扰动小，操作安全可控，爆破循环作业时间短，洞内扬尘小，满足要求。

5.3.4 质量方面

对地质岩性适应性强，控制的超欠挖精度高，周边线型规则，后期初期支护质量可控。

5.3.5 经济方面

光面爆破每立方米造价约31元，在山岭隧道中有限空间和小断面尺寸中适应性强，每道工序作业面可同时施工，爆破后的洞渣无需二次破碎，可直接装运指定位置，成本节约，工期缩短，机械设备投入少。

6 效益分析

6.1 经济效益

清水1号隧道开挖，采用光面爆破开挖方案节能、环保、所有爆破材料登记入册安全可控，配套设备便捷，质量所有保证。总体节约总费用为368万元（其中包括：人工费+机械设备费用+材料费），可缩短工期186d（以Ⅲ级围岩为例：光面爆破与二氧化碳爆破方法进度比较，扣除其他干扰影响因素，光面爆破作业方法可缩短工期186d）。

6.2 社会效益

采用光面爆破，进度快、效率高、超欠挖可控、每循环工艺简单快捷、时间可控，可如期履约完成，减少施工时间，达到业主工期要求。

7 结论

随着国家发展，路网建设需求，隧道项目增加，技术、质量标准要求高，光面爆破开挖技术成熟可靠，使用范围广，各项标准齐全，掌握好光面爆破技术，在进度、安全、质量、经济效益上非常必要，经方案比选，劈裂棒非爆开挖和二氧化碳爆破均不能满足山岭隧道爆破开挖要求，因此择优选择光面爆破方案。