大断面隧道直眼掏槽施工技术应用
０ 引言
本文以阿联酋铁路某隧道为背景，阐述隧道爆破中直眼掏槽爆破方案在工程中的实际应用。文中援引隧道断面为１２５ｍ²，围岩种类主要以辉长岩为主，结构构造均匀，裂隙较少，岩石坚硬稳定，隧道开挖考虑采用全断面法进行。为尽快完成施工任务，探索安全、稳定且进尺较大的爆破方案势在必行。因此，本工程中采取的空孔直眼掏槽爆破的方案顺利解决了面临的这一难题。
１ 本隧道爆破方案的选择
根据目前市场信息，隧道爆破施工总体可分为两大类：斜眼掏槽及直眼掏槽。根据本工程岩石坚硬、稳定的特点，以及缩短施工工期的要求，加快隧道施工进度成了唯一的解决方式。经两种爆破方式的对比可知，采取直眼掏槽方案为宜。主要原因如下：
１．１ 斜眼掏槽方案
斜眼掏槽原理：采用倾斜于隧道轴线的爆破孔装药，使爆炸产生的冲击波强行剥离中心部位岩石，为后续岩石移动提供更多的自有面。（图１）
如图１所示，考虑到本工程中所涉及到的隧道岩石硬度高，完整性较好。单层掏槽方式恐难以完全剥离掏槽区域岩石，因此现场施工中考虑采用双层掏槽以彻底剥离掏槽区，为其他爆破孔的爆破提供充足的自由面。根据施工经验，斜眼掏槽的掏槽孔与自由面夹角为６０°～７０°掏槽效果为最佳。本设计中，考虑掏槽孔最大的进尺深度为４.５ｍ，掏槽孔与掌子面夹角为６４°，则第一排掏槽孔左右间距为４.８ｍ，孔底的最小抵抗线为４０ｃｍ；第二排掏槽孔左右间距则为５.３ｍ。如图所示，如果继续增加左右两侧掏槽孔间距，则孔底的最小抵抗线增加，则同样导致掏槽区无法完全剥离；如果左右两侧掏槽孔间距减小，则掏槽孔与掌子面的夹角也随之减小，如此也容易导致掏槽区无法剥落的现象；且本隧道掌子面的最大宽度为１３ｍ，若继续放大掏槽孔空口间距则会因两侧边墙影响，无法按照设计角度钻孔。因此，本隧道的掏槽孔最大钻孔深度为４.５ｍ，掘进孔最大钻孔深度为４.３ｍ，考虑炮孔利用率为９３％，则爆破深度为４ｍ。因此本隧道中斜眼掏槽爆破单循环最大施工进尺为４ｍ为最宜。
１．２ 空孔直眼掏槽方案
隧道空孔直眼掏槽原理：采用空孔作为掏槽孔的爆破自由面，为其余各孔内炸药爆破提供预裂空间。如图２所示。
Ｋ：为空孔，即该孔仅为掏槽孔提供爆破自由面，爆破装药过程中不进行炸药及雷管安装；施工中使用钻孔设备扩大空孔，空孔直径越大越好但不小于ф１２０ｍｍ，才可保证掏槽效果。
Ｔ：为掏槽孔，该孔共设计５个，编号分别为１、２、３，施工过程中该孔率先进行爆破，爆破产生的挤压力，迫使周边四个空孔同时坍塌，同时，掏槽区爆破坍塌后继续为后续辅助孔及周边孔的爆破提供自由面，从而形成“中心开花”的局面。
空孔直眼掏槽爆破的施工��式，爆破孔与隧道轴线始终处于平行状态，爆破孔孔口与孔底距离空孔的抵抗线始终相同，在使用台车进行钻孔作业时不受掌子面大小的限制。因此，可以根据现场岩石的实际情况，在综合考虑超欠挖的问题后，自由选择合适的爆破深度，钻孔深度即为爆破深度。
综上所述，本隧道施工采用空孔直眼掏槽爆破的施工方案更容易满足现场的施工需求。
２ 空孔直眼掏槽方案
隧道钻爆方案如图３所示。本设计中设置直径为１２０ｍｍ的空孔４个；掏槽孔５个，布置于空孔四周；辅助掏槽孔１１个，分布于掏槽孔四周；掘进孔５层，合计８０个，掘进区域逐步外扩，主要用于控制单循环的开挖进尺；周边孔５９个，用于隧道开挖轮廓线以及隧道总体超欠挖的控制；底板孔２层，合计２５个，主要用于底板的掘进以及超欠挖的控制。因本乳化炸药工程所处地区爆破施工采用乳化炸药，其药卷直径为４０ｍｍ，为便于装药施工，所以本项目所钻孔直径选择为４８ｍｍ。
现场可根据实际爆破效果增加炮眼数量，调整炮眼间距及装药量，但不可减少设计炮眼数量。若在施工过程中，遇到隧道掌子面围岩发生变化时，可根据实际情况进行药量的调整，改变进尺长度。
首次爆破装药参数如表１所示。
３ 空孔直眼掏槽的优点
３．１ 单循环进尺大
空孔直眼掏槽，可根据现场地质条件自由选择钻孔深度。因其爆破孔产生的爆破力为垂直隧道轴线方向，掏槽孔孔口与孔底抵抗线相同，因此不用担心出现斜眼掏槽里因孔底抵抗线过大而导致的掏槽区无法剥离的现象发生。所以，在保证安全的前提下我们可以尽可能增加钻孔深度，从而确保隧道安全进尺。相比斜眼掏槽该方案可最大限度的实现隧道单循环进尺深度。如本隧道中，若采用斜眼掏槽爆破方式，单循环最大进尺仅为４ｍ；但采用直眼掏槽爆破方案单循环进尺可达到５ｍ或更多。
３．２ 施工不受作业面限制
斜眼掏槽施工方案，掏槽孔钻进方向与隧道轴线必须存在一定的夹角才能实现良好的爆破。因此钻孔作业面的大小会严重限制掏槽孔的作业，特别时受隧道两侧拱墙的影响，容易产生无法达到设计钻孔角度的现象，从而造成爆破过程中无法实现深度掏槽和掏槽不彻底等现象，严重影响单循环的隧道进尺深度。
直眼掏槽施工方案，施工中所有的钻爆孔均与掌子面垂直，现场钻孔施工深度容易控制，只要洞内能满足凿岩台车进入，钻孔施工就不会受两侧拱墙影响，可以实现根据现场实际的施工需求最大程度上加深钻孔深度。因此，空孔直眼掏槽施工方案可以最大限度的避开客观因素对现场施工的影响，实现现场施工主观可控。
３．３ 飞石抛掷距离短
隧道斜眼掏槽施工方案，是以施工作业掌子面为掏槽自由面。爆破施工中，依靠炸药冲击波的挤压推出掏槽区域，从而为后续其余爆破孔的爆破提供爆破自由面。因该方案中掏槽孔的自由面垂直于隧道轴线方向，爆破发生时，受爆破冲击波的影响，掏槽区域飞石抛掷的距离远，存在对隧道内的设施、设备等均可造成不可逆伤害的安全隐患，进而造成施工工序的延误，影响总体施工工期。
空孔直眼掏槽施工方案，是采用空孔作为爆破自由面，通过邻近孔爆破形成冲击波对空孔造成孔间挤压，从而导致掏槽孔空体坍塌，为后续掘进孔爆破提供爆破自由面。以此类推，空孔直眼掏槽中所有爆破孔爆破产生的冲击波均与爆破自由面垂直，因此该爆破方式在最大程度上限制了飞石外抛，对后方风、水、电等基础设施危害性较少。爆破过程中不必对后方配套设施进行必要保护，节省施工时间，避免材料浪费，同时减少因基础设施损伤造成的工期延误现象。
３．４ 改变爆破方案操作简单
在隧道施工中，隧道掌子面围岩的变化存在诸多不可确定因素。为适应围岩的变化，取得良好的爆破效果，爆破设计也需进行相应的变化。如果采用斜眼掏槽的爆破设计，则需对爆破方案进行整体调整。对于调整完的爆破设计，现场施工人员在钻孔过程中需重新适应新的掏槽角度，现场施工调整较困难，从而也造成了钻孔效果不佳，爆破效果不理想的状态。但若采取空孔直眼掏槽施工工艺，在遇到掌子面围岩变化，需要调整单循环进尺的时候，现场施工人员，仅需要改变各孔的钻孔深度即可，再根据现场实际情况，调整单孔装药量。对于一线作业人员来讲，该爆破设计适应简单，易于掌握。
３．５ 岩石爆破块度小
以进尺４ｍ为例，由图１可知，在隧道斜眼掏槽施工方案中，左右两排掏槽孔间距为４.８ｍ，高度为３ｍ。因掏槽区内岩石完整性较好，且没有其他多余的孔。所以在爆破后，掏槽区范围内很容易产生大块岩石。由图２及图３可知，采用空孔直眼掏槽施工方案，掌子面爆破孔布置较为均匀，而且掏槽方式为掏槽孔的爆破冲击波挤压空孔而形成最终掏槽，因此掏槽区岩石在爆破后表现较为破碎，而且其余崩落孔、掘进孔、周边孔等布置都较为均匀。所以，爆破结束后岩石块度相对较为均匀。
由对比可知，空孔直眼掏槽施工方案爆破后的岩石块度较斜眼掏槽要小。施工过程中，爆破后岩石块度小，后续出渣工序相对容易，且可以在一定程度上大大节省出渣时间。
４ 直眼掏槽的缺点
４．１ 药量多
我们以单循环进尺４ｍ为例，其中空孔直眼掏槽的爆破设计其掏槽体积为２.５６ｍ³，自由面面积为２.０２ｍ²；而斜眼掏槽的爆破设计其掏槽体积为１９.５８ｍ³，掏槽孔自由面为２６.１ｍ²。相比于斜眼掏槽，空孔直眼掏槽的掏槽体积小，形成的自由面小；所以需要使用更多的炸药才能将隧道掌子面的爆破达到理想的效果。
４．２ 震动大
在隧道爆破施工中，两种爆破设计均会产生爆破震动。但斜眼掏槽爆破设计中，掏槽孔以隧道掌子面作为自由面，因此在爆破发生的过程中，爆破冲击波将会垂直于隧道掌子面方向；而空孔直眼掏槽爆破设计中，掏槽孔主要以空孔作为自由面，爆破发生时通过冲击波挤压空孔而完成爆破，为后续各爆破孔提供自由面，所以冲击波主要的传播方向为垂直于隧道轴线。
综上，在斜眼掏槽的爆破设计中，以隧道掌子面作为掏槽孔自由面，相较于直眼掏槽施工中以空孔作为自由面，其冲击波的释放范围要远远大于直眼掏槽中空孔的释放面积。所以，从消耗爆破震动的方面来讲，斜眼掏槽的优势更为明显。因此，在涉及到爆破作业面上方或左右两侧有建筑物或敏感物体的时候，空孔直眼掏槽的爆破设计不宜使用。
４．３ 掏槽体积小
我们仍以单循环进尺４ｍ为例，其中空孔直眼掏槽的爆破设计其掏槽体积为２.５６ｍ³；而斜眼掏槽的爆破设计其掏槽体积为１９.５８ｍ³。由此可见，斜眼掏槽的掏槽体积远远大于空孔直眼掏槽的体积。
我们知道，隧道爆破施工中，所有的爆破设计均是以起爆掏槽孔为首要控制措施。因此掏槽效果的好坏将直接影响单次爆破质量。掏槽效果良好则后续爆破孔的作用才能完全发挥出来，若掏槽效果较差，则其他爆破孔各自的作用将会被极大的限制，进而难以达到预期的爆破效果。从以上掏槽体积对比可知，斜眼掏槽爆破设计，掏槽体积较大，且掏槽方向为垂直隧道掌子面，若掏槽效果不好只会影响单次作业循环的进尺大小；而空孔直眼掏槽爆破设计，掏槽体积小，且掏槽方向为垂直隧道轴线，若掏槽效果不理想，其所引起的后果不仅仅是单次爆破作业进尺不理想，更有甚者是会造成本次循环开挖产生严重的欠挖现象。因此，控制空孔直眼掏槽爆破设计的掏槽质量是该设计方案的重中之重。
４．４ 钻孔精准度要求高
从现场钻孔精度方面来考虑，空孔直眼掏槽的爆破设计，在现场施工时需严格控制各爆破孔之间的间距，特别是掏槽孔于空孔之间。若各孔之间间距过大，尤其是掏槽孔于空孔之间间距过大，可能会因为孔内炸药量不足而导致空孔无法破碎，进而无法为后续的各类爆破孔提供充足的自由面，从而造成“纹丝不动”的现象；若孔间距离过小，在空孔破碎之后，为后续各孔爆破所提供的爆破自由面不足，容易出现爆破不彻底。从而导致周边孔爆破不理想，造成隧道欠挖，同时也会影响单循环隧道进尺。
因此，空孔直眼爆破要求钻孔精度高，孔间距不均匀，钻孔角度有偏差等都会造成隧道单循环爆破不理想的情况。所以，空孔直眼掏槽方案，更适用于智能机械钻孔施工，如：双臂凿岩台车、三臂凿岩台车等。
５ 结语
本隧道自空孔直眼掏槽爆破设计方案使用以来，在实践中取得了良好的效果，单次循环进尺均能保证不小于４.５ｍ，为本隧道工程的及时完工提供了工期保障。也在实际工程中再一次验证了空孔直眼掏槽爆破设计方案的可行性，为后续类似工程施工提供技术参考。