基于超前地质预报的丁寨防洪排涝隧洞爆破施工方案研究

　　摘要：复杂岩体条件下的隧洞爆破施工技术研究对于获得良好爆破效果及避免地质灾害的发生具有十分重要的意义。依托丁寨防洪排涝隧洞工程，针对复杂地质条件下的隧洞爆破开挖，提出了集掌子面出露岩体分析、超前地质预报、超前支护、爆破施工方案优化等于一体的成套隧洞爆破施工技术。即首先进行掌子面出露岩体分析，并采用地质雷达法探测掌子面前体不良地质体发育范围和程度;然后基于地质雷达法探测结果，预测掌子面前不同部位围岩条件。针对岩体可能存在破碎带、溶洞、溶缝等不良地质体的部位，通过超前钻探确定破碎带的位置和范围或岩溶发育范围和程度，并提出相应的围岩超前支护与稳定性控制措施;针对岩体相对完整的部位，按照常规的施工方案进行爆破开挖。最后综合超前地质预报结果与记录的钻杆钻进速度，评估不良地质体分布和范围，判定不同部位待开挖岩体围岩类别，优化爆破施工方案。现场应用后，隧洞轮廓成型效果较好，超欠挖得到了有效的控制。在不良地质段也未出现塌方、突泥涌水现象，实现了隧洞高效安全开挖。爆破施工技术可为同类工程建设提供参考。

　　关键词：隧道工程;钻爆法;复杂地质条件;超前地质预报;优化方案

　　0引言

　　水利水电、交通、市政等工程建设过程中广泛涉及到隧洞施工。而钻孔爆破因具有经济、高效、快速的优势而被广泛应用于隧洞工程建设中。隧洞爆破开挖过程中，岩体内岩溶、断层、软弱夹层、破碎带等不良地质体的存在不但会显著影响爆破效果，导致严重的超欠挖[1]，还可能诱发地质灾害[24]，严重时还会诱发安全事故，对项目的进度、成本、安全控制产生十分不利的影响[5]。因此在隧道施工时若可能存在不良地质体，往往需要开展超前地质预报工作，为提前采取防范措施和及时调整爆破施工方案提供依据，确保隧道安全、高效施工。

　　隧道论文范例： 高速公路隧道智慧一体化管控系统研究

　　目前超前地质预报方法已经普遍应用于隧道工程不良地质体探测工作中[67]，且已经从单一的方法，如地质调查法、超前钻探法、物理探测法[8]等逐渐向综合探测的方法[910]转变。但大部分都只是预报了不良地质体发育范围和程度，进一步地，也有将超前地质预报方法与隧道掘进机(TBM)施工方法相结合进行隧道开挖的研究[1112]，但较少有将超前地质预报方法与钻爆法施工方法相结合并应用于隧道开挖中，即根据超前地质预报结果优化爆破施工方案。

　　本文依托咸丰县新城区丁寨防洪排涝隧洞工程，针对复杂地质条件下的隧洞爆破开挖，提出了集掌子面出露岩体分析、超前地质预报、超前支护、优化爆破施工方案等于一体的成套隧洞爆破施工技术，施工现场应用基于超前地质预报的隧洞爆破施工技术后，隧洞轮廓成型效果较好，超欠挖得到了有效的控制，并有效防范了严重的工程地质灾害。

　　1丁寨防洪排涝隧洞工程概况

　　丁寨防洪排涝隧洞属于咸丰县新城区丁寨防洪排涝工程项目的关键部分，防洪排涝隧洞工程进口位于丁寨乡天星孔，线路经S232省道在72km附近，穿039乡道东侧山体，出口位于断明峡丁寨水电站右岸。隧洞全长4.57km，断面尺寸为9m×12m，进口底板设计高程729m，出口底板设计高程548m，坡比1:75至1:16。

　　岩性为以灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩为主，局部夹少量页岩、硅质页岩、炭质页岩及煤层。岩溶形态发育较为齐全，主要岩溶形态类型有石峰(丘)、石牙、溶蚀洼地、溶沟、溶槽、漏斗等地表岩溶形态以及溶缝、落水洞、溶洞、天窗、地下管道系统、排泄泉及地下暗河等地下埋藏型岩溶现象。丁寨防洪排涝隧洞线路穿越岩溶发育区，尤其是发育的天星孔地下暗河系统对防洪排涝隧洞影响较大。丁寨防洪排涝隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ围岩为主，部分为Ⅳ、Ⅴ围岩，但遇到岩溶、地下水、断层、裂隙发育时，其围岩类别则相应降低。

　　隧洞岩体采用钻爆法开挖，该方法难以根据有限的地质勘察资料准确地判断掌子面后岩体内不良地质体发育范围和程度，相应地也无法及时调整施工方案，可能导致爆破能量利用率低，超欠挖严重，甚至因不良地质体的存在，可能导致施工安全事故。因此需要提前做好超前地质预报，通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖方案、支护设计参数和优化爆破施工方案提供依据。

　　2基于超前地质预报的隧洞爆破施工技术

　　针对丁寨防洪排涝隧洞工程复杂地质条件下岩体爆破开挖，提出集掌子面出露岩体分析、超前地质预报、超前支护、爆破施工方案优化等于一体的成套隧洞爆破施工技术。基于超前地质预报的隧洞爆破施工流程图。首先进行掌子面出露岩体统计分析，并采用地质雷达法探测掌子面前岩体不良地质体发育范围和程度，探地雷达采用的是时间域脉冲方式，系统主机控制发射机通过天线将高频带的脉冲电磁波向隧道掘进面前方定向发射[13]。

　　垂直于隧道掘进面传播的电磁波当遇到有电性差异(介电常数、电导率、磁导率不同)界面或目标体时即发生反射，反射波被天线接收进入接收机，并传回主机，可得到各个反射波往返旅行时间。不同地下介质介电常数的差异决定了反射系数的大小，呈正比关系，即差异越大，反射系数越大，越容易被探测到[14]。常见介电常数见表。在相对介电常数给定的情况下，已知雷达波在空气中的传播速度，就可以使用式换算成目标体的深度。介质中不同深度的反射波返回主机，然后进行信号放大、采集整理、过滤杂波和数字叠加等分析处理，就能把雷达波反射的时间曲线直观地显示出来。

　　通过连续探测就构成了地质雷达成果剖面图，从而进一步可以推断目标体的位置、规模和影响范围。地质雷达探测工作原理如图所示。然后基于地质雷达法探测结果，预测掌子面前不同部位围岩条件。对于岩体可能存在破碎带、溶洞、溶缝等不良地质体的部位，通过超前钻探确定破碎带的位置和范围或岩溶发育范围和程度，并提出相应的围岩超前支护与稳定性控制措施;对于岩体相对完整的部位，按照常规的施工方案进行爆破开挖。最后基于上述分析，进行爆破施工。在钻孔过程中，记录钻杆钻进速度，进一步判断岩体内是否有破碎带、溶洞、溶缝等不良地质体，若有则结合超前预报结果，估算不良地质的分布和范围。

　　当钻孔过程中遭遇不良地质体且不良地质体的范围较大时，采用短进尺、多循环的方法进行爆破开挖，避免炮孔穿越大范围的不良地质体进行爆破施工;当钻孔过程中遭遇范围较小的不良地质体时，可适当增大循环进尺长度，炮孔可穿越小范围的不良地质体，但要优化炮孔装药结构，根据记录的钻杆钻进速度判断小范围的不良地质体与炮孔的相对位置，若其位于炮孔装药段，采用空气间隔装药技术，即在与小范围不良地质体对应的炮孔装药段设置空气间隔，其余部位正常装药。此外，要根据超前地质预报结果、钻孔过程钻杆记录数据，评估不良地质体对岩体强度的影响，判定不同部位待开挖岩体围岩类别，优化爆破设计，其中II、III级围岩、IV级围岩、级围岩分别采用不同的爆破施工参数。

　　3现场应用分析

　　3.1地质雷达超前地质预报

　　以丁寨防洪排涝隧洞工程P1+504.5～P1+474.5为例，采用电磁波法预报，采集方式为点测，发射频率64KHz，每扫描采样数为1024，记录长度为，记录长度为600ns。测线布置情况具体(面对掌子计左、右)。掌子面(P1+504.5)出露的岩体为风化灰岩，岩体较完整，呈块状和层状结构，节理裂隙较发育，局部少有填充物，掌子面表面干燥。掌子面整体性相对较好。

　　雷达图像波形特征为：掌子面前方0～7m处信号相对较弱，7～14m段右侧存在多条斜向条状强反射信号，且走势基本一致。14～20m段中部及左侧呈现数条为隐约条带状反应，同相轴连续均匀，呈层面反射，信号下方有多次反应但比较杂乱。根据波形特征及掌子面出露岩体综合分析预测：前0～7m地质条件相对较好，～14m段右侧存在断层破碎带的可能性较大，不排除填充型岩溶的可能，14～20m段中部存在断层破碎带的可能性较大，岩溶可能性不大。

　　3.2爆破优化施工方案

　　基于地质雷达超前预报探测结果，并结合超前钻探结果，可知丁寨防洪排涝隧洞工程P1+504.5～P1+474.5可大致分为三段，即0～7m为一段，7～14m为一段，14～20m为一段。0～7m段岩体地质条件相对较好，岩体纵波波速较大，岩体内无不良地质体，判定～7m段岩体级别为III级围岩;7～14m岩体存在断层破碎带和溶洞，岩体比较破碎，围岩稳定性较差，岩体内含小型溶洞，判定～14m段岩体级别为级;14～20m段岩体存在断层破碎带，不存在溶洞，存在少量的溶缝，围岩相对稳定，判定14～20m段岩体级别为IV级。针对丁寨防洪排涝隧洞工程P1+504.5～P1+474.5不同段的不同围岩级别，采用不同的爆破方案。

　　3.3开挖效果

　　掌子面(P1+504.5)前～7m段III级围岩爆破开挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前～14m段级围岩爆破开挖成型效果，掌子面(P1+504.5)前14～20m段IV级围岩爆破开挖成型效果。采用基于超前地质预报的隧洞爆破施工技术进行施工后，不同部位不同围岩级别条件下，爆后明显可见隧道洞壁半眼残痕，且半眼残痕率较高，隧洞轮廓成型效果较好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地质段也未出现塌方、突泥涌水现象，实现了隧洞高效安全开挖。

　　4结论

　　(1)针对复杂地质条件下的隧洞爆破开挖，提出了集掌子面出露岩体分析、超前地质预报、超前支护、爆破施工方案优化等于一体的成套隧洞爆破施工技术。

　　(2)在丁寨防洪排涝隧洞工程施工过程中，应用基于超前地质预报的隧洞爆破施工技术，爆后明显可见隧道洞壁半眼残痕，且半眼残痕率较高，隧洞轮廓成型效果较好，超欠挖得到了有效的控制，在不良地质段也未出现塌方、突泥涌水现象，实现了隧洞高效安全开挖。

　　参考文献(References)

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　　作者：李建林，项海玲，黄正东，吴亮

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