大断面软岩隧道智能化爆破开挖技术应用研究
０ 引言
近年来，我国高铁建设不断向复杂地质区域延伸，软弱围岩隧道占比持续增加，其施工效率与安全管控水平直接影响工程的整体工期、成本及安全。随着隧道机械化施工水平提升，液压凿岩台车已在大断面隧道钻爆施工中逐步普及，同时学术界与工程界积极探索隧道机械化、智能化施工技术，在爆破方案智能设计、钻锚注一体化工艺、山岭隧道智能化建造等方面取得了阶段性成果。然而，这些研究和实践在软岩隧道开挖全工序机械化智能化方面仍存在不足，液压凿岩台车仅实现了钻孔作业机械化，装药等关键工序仍依赖传统人工作业，尚未真正实现软岩隧道开挖作业的全工序机械化施工，且传统软弱围岩台阶法施工还存在工效低、风险大、循环作业时间长等问题。
为了弥补这一不足，本研究以郑万高铁保康隧道为工程背景，研发适用于大断面软岩隧道的智能化爆破开挖技术，分析技术原理，研究围岩分级、爆破设计、钻孔施工、智能化装药等关键技术并制定针对性的质量安全控制措施，以探讨大断面软岩隧道开挖全工序机械化智能化的实现路径与应用效果。这项工作有望对软岩隧道施工的技术理论与工程实践作出贡献，为我国长大隧道机械化配套作业施工提供参考。
１ 工程概况
郑万高铁７标保康隧道位于保康—神龙架东区间，隧址区处于荆山山脉北段，位于湖北省襄阳市保康县后坪镇和马桥镇境内。保康隧道为双线隧道，设计时速３５０ｋｍ／ｈ，隧道进口里程ＤＫ５００＋２００，出口里程ＤＫ５１３＋９８０，全长１４５７４ｍ。隧道最大埋深５０４ｍ，主要地质为页岩夹砂岩，属软弱岩层，全隧以Ⅳ级围岩居多，局部伴有Ⅲ级围岩及Ⅴ级围岩。隧道采用全断面法施工，由大型机械配套作业，施组计划工期３０个月。
项目通过全电脑三臂凿岩台车自带的掌子面精细化识别系统对开挖围岩进行智能识别与围岩分级，采用全电脑三臂凿岩台车钻孔，采用散装乳化炸药机械化装药，形成大断面软岩隧道智能化爆破开挖施工技术，实现开挖作业全工序快速、高效机械化施工。
２ 技术原理分析
该技术在常规超前地质预报的基础上，利用全电脑三臂凿岩台车精细化识别系统对每个开挖循环揭示的掌子面围岩进行智能化识别与围岩分级。根据围岩分级结果，自动实现凿岩台车钻孔时爆破参数的调整及优化。
采用智能化装药机进行散装乳化炸药机械化装药，掏槽孔和辅助孔采用全耦合连续装药结构（即炮孔内充满炸药），以消除沟槽效应的影响，提升爆破效果。周边孔根据岩石性能采用非耦合连续装药结构（即在泵送效率不变的情况下，通过加快退管速度，降低周边孔线装药密度），使炸药能量释放更均匀，可有效降低装药不均匀引起的超挖问题。
３ 关键技术分析
３．１ 围岩智能化分级
３．１．１ 超前地质预报
施工时加强超前地质预报，制定专项施工方案，把超前地质预报纳入施工工序管理，建立完善的超前地质预报系统。每循��开挖前，根据常规超前地质预报结果，结合凿岩台车掌子面精细化识别与围岩分级系统，对开挖揭示的围岩情况进行智能化识别与分级，根据围岩分级结果调整爆破参数。
３．１．２ 信息采集
在智能型凿岩台车加装掌子面成像模块（图１），利用凿岩机传感器和驾驶室两侧的相机获取隧道掌子面图像信息、标识产状信息的二维图像、结构面组数及倾角情况，通过隧道内网络传输至智能互联装备协同管理平台。
３．１．３ 围岩分级
通过随钻测量参数与地勘数据显示的实际围岩情况匹配，构成围岩智能判识的样本库。对数据进行预处理以及特征提取，采用机器学习经典方法，对预处理后的输入特征与围岩级别标签进行模型训练和测试，建立围岩智能判识模型。通过对二维图像上传及智能识别，获取掌子面的产状、倾角、节理组数等信息（图２）。通过上述信息系统快速识别围岩类别。
３．２ 爆破设计
本钻爆设计以一台全电脑三臂凿岩台车作为钻孔设备，该设备适用于大断面隧道施工。针对不同围岩级别，在电脑端导入不同的炮孔布置图和开挖循环进尺。系统根据掌子面智能化识别与围岩分级结果，选择相对应的炮眼布置形式和各炮孔深度等参数，自动形成本循环开挖炮孔布置图，实现每循环爆破参数现场动态化调整。图３为Ⅳ级围岩炮眼布置图。
３．３ 钻孔施工
凿岩台车减少了掌子面钻孔作业人员的数量，实现从人工手持风动凿岩机向机械设备钻眼的转变，凿岩台车具体机械臂结构示意见图４。
超挖除受地质因素影响外，还受机械臂结构、初支端头至掌子面的空间长度、开挖进尺等因素的影响，因此不易控制。为克服凿岩台车由于机械臂原因引起的超挖问题，该技术在确定炮眼布置的情况下进一步优化周边眼钻孔样式，采用长、短眼结合钻进的方式，降低超挖值。
３．４ 智能化装药
３．４．１ 装药原理分析
采用散装乳化炸药进行机械化装药，电脑可导入装药设计参数，利用凿岩台车装药管道及吊篮高效自动化装药。混装炸药装药器主要由液压系统、动力系统、储存系统、装药系统及控制系统组成。散装乳化炸药装药工艺的要素为乳化炸药和润滑剂，润滑剂经润滑剂泵泵出，并经过水环减阻装置进入到有乳化炸药的管路中一起分层输送，再经过末端喷头后输送至炮孔内。散装炸药装药机工艺技术原理如图５所示。
３．４．２ 装药作业
装药由凿岩台车进行操作，先将装药管放进钻孔底部，再按设计速率将炸药压入。在泵送效率不变的情况下，通过控制退管速度来调整管线装药密度，实现乳化炸药精准、快速安装。装药流程见图６。
３．４．３ 爆破参数控制
根据爆破设计中单孔用药量、炮孔直径等，按炮孔类型分别设定掏槽眼、辅助眼、底板眼、周边眼的单孔用药量及线装密度，并录入控制系统。掏槽眼采用耦合装药提高炸药利用率，周边眼采用不耦合均匀装药减小对围岩的扰动提升光爆效果。
４ 质量安全控制措施
４．１ 装药控制
提前根据爆破设计参数设定好各类炮孔，装药时严格按炮孔类型控制装药，同一类炮孔尽量采用同样的参数，不同的参数要区分开，装药时要对号入座。掏槽眼采用耦合装药提升炸药利用率，周边眼采用不耦合均匀装药减小对围岩的扰动提高光爆效果。装药时要分区分片进行，同一类型炮孔尽量集中到一起装药，避免来回调换出错，影响爆破效果。
４．２ 光面爆破控制
动态优化钻爆设计，减少爆破扰动。各道工序应尽可能平行交叉作业，施工时应抓好工序衔接，以尽量缩短循环时间，快速封闭开挖面，提高施工进度。坚持出碴找顶后及时初喷，再进行开挖断面扫描，根据扫描结果分析超、欠挖情况，根据掌子面前方围岩情况调整爆破设计参数。
４．３ 安全作业控制
施工期间，应对掌子面及拱顶围岩稳定状态进行检查，发现问题及时处理。采用全断面施工时，掌子面一定要封闭，防止三臂凿岩台车钻孔、装药时掌子面滑塌、安装钢架时坍塌。响炮通风后，必须经配置的专业施工管理人员和技术管理人员判断掌子面围岩稳定后，方可进行后续相关作业。
５ 技术效果分析
５．１ 现场施工效果
保康隧道通过采用大断面智能化开挖技术施工，Ⅳ级围岩月进度可以达到１１０ｍ，Ⅴ级围岩月进度可以达到８０ｍ，工效相较于传统技术（Ⅳ级围岩月进度７０ｍ，Ⅴ级围岩月进度４５ｍ）提高较多。该技术减少了人力资源的投入，且在安全施工方面取得了显著成效。综上该技术无论从进度、质量和安全等方面均比传统的台阶法施工有极大的优势。
５．２ 经济效益分析
保康隧道１１５７２ｍ暗洞全部采用该技术进行施工，不仅加快了施工进度，减少了作业人员数量，还在很大程度上提高了劳动生产率，有效降低了劳动成本和机械设备利用成本，与传统技术的经济效益对比如下。
５．２．１ 开挖节约费用
凿岩台车掌子面开挖人数减少２０人，每人每月按８０００元计算，每月可节省１６万元。
５．２．２ 智能化装药节约费用
智能化装药减少人员１４人，每人每月按８０００元计算，每月可节省１１.２万元。
５．２．３ 电费节省
每日节省电费２００８元，则每月可节省电费约６万元。
５．２．４ 合计费用节省
施工工期３０个月共计节省费用：（１６＋１１.２＋６）×３０＝９９６万元。
综上，采用大断面铁路隧道智能化开挖施工技术共节约费用９９６万元，经济效益显著。
５．３ 社会效益
保康隧道采用大断面智能化爆破开挖技术，突破了传统施工方法以人工作业为主、既不能快速施工也难以完全进行机械化施工的困局。该技术为大断面隧道机械化配套施工起到带头引领作用，弥补了目前我国长大隧道钻爆掘进中装药工序无法机械化作业的空白，真正意义上实现了开挖作业全工序机械化施工，在进度、安全、质量方面均成效明显，社会效益显著。
５．４ 环保效益
该技术将传统的人工风钻台阶法开挖改为三臂凿岩台车大断面开挖，大大降低了施工现场的噪声污染，同时避免了因风钻易漏油污染弃碴进而污染弃碴场及其周边环境的风险；机械作业降低了施工作业人员的安全风险，同时也节约了人力资源；增大了作业面空间改善了洞内作业环境，确保了现场文明施工，相对传统工艺环保效益明显。
５．５ 技术优势分析
该技术注重超前地质预报，在常规超前地质预报方法基础上采用凿岩台车自带掌子面精细化识别系统对每个开挖循环揭示的围岩进行智能化识别与分级。根据围岩智能化识别与分级情况采取合理的炮眼布置结构，减小因炮眼布置不合理而造成的超欠挖。
目前我国长大隧道钻爆掘进中的装药基本仍由人工操作，该技术则通过装药机进行散装乳化炸药机械化装药，实现了钻爆掘进工序的全部机械化。装药全过程采用机械化与智能化施工，装药参数可在电脑系统中设定，改善了工人作业条件，降低了劳动强度，减少了掌子面作业人员，缩短了作业时间。系统自动生成每个施工循环装药日志，可以根据爆破后的超欠挖结果动态优化装药系数。
６ 结论
本研究以郑万高铁保康隧道为工程背景，通过分析技术原理、研究关键技术、制定质量安全控制措施并开展现场应用验证的方法，探讨了大断面软岩隧道智能化爆破开挖技术的研发与工程应用问题。
１）研发的大断面软岩隧道智能化爆破开挖技术可实现围岩智能分级、爆破参数动态调整，钻孔与装药全工序实现机械化，相较传统台阶法施工，Ⅳ级围岩月施工进度提升至１１０ｍ、Ⅴ级围岩提升至８０ｍ，大幅提高了施工工效，同时显著减少了掌子面作业人员数量，降低了施工安全风险。
２）该技术通过围岩智能化识别分级、炮孔布置优化、装药结构精准控制等关键技术手段，有效解决了软岩隧道开挖超挖、装药不均匀等问题，提升了爆破施工质量，且施工全过程机械化作业大幅降低了人力、电力等成本，项目施工期内累计节约费用９９６万元，经济效益显著。
３）该技术弥补了我国长大隧道钻爆掘进中装药工序机械化的行业空白，真正实现了开挖作业全工序机械化智能化，同时改善了洞内作业环境，降低了施工噪声、油污等污染，在社会效益与环保效益方面均表现突出，为行业提供了可复制的工程实践范例。
综上所述，本研究丰富了大断面软岩隧道钻爆施工的智能化技术体系，完善了软岩隧道全工序机械化施工的技术路径，为隧道工程机械化、智能化发展提供了重要的理论与实践支撑。然而，本研究仍存在以下局限：仅依托郑万高铁保康隧道页岩夹砂岩的软岩地质条件开展应用，技术参数与施工工艺未在岩溶、破碎带等更复杂软岩地质类型中进行验证，适用范围的普适性有待进一步检验。未来研究可进一步结合不同区域、不同类型的软岩隧道地质条件，开展技术参数的优化与适配研究，同时探索智能化爆破开挖技术与隧道支护、出碴等后续工序的协同智能化施工模式，推动隧道工程全流程智能化建造水平的提升。