#/669隧道施工光面爆破技術應用探討曾勇1周萍萍1吳秀勇2（1江西交通工程咨詢監(jiān)理中心南昌330008）（2金麗溫高速公路溫州段工程建設指揮部溫州325000）摘要：光面爆破是通過控制爆破的作用范圍和方向，使爆破后的巖面光滑平整，防止巖面開裂，以減少超、欠挖和支護的工程量，增加巖壁的穩(wěn)定性，減弱爆破振動對圍巖的擾動，進而達到控制巖體開挖輪廓的一種技術，廣泛應用于隧道開挖施工過程中，本文結合浙江省金麗溫高速公路隧道工程實際，詳細介紹了光面爆破的工作機理、參數(shù)選定及工藝方法。關鍵詞：隧道工程；光面爆破0前言光面爆破是通過控制爆破的作用范圍和方向，使爆破后的巖面光滑平整，防止巖面開裂，以減少超、欠挖和支護的工程量，增加巖壁的穩(wěn)定性，減弱爆破振動對圍巖的擾動，進而達到控制巖體開挖輪廓的一種技術。同時光面爆破也是一種難度較大的施工技術，在施工中如爆破參數(shù)、施工方法選取不當，往往無法達到理想的爆破效果。光面爆破參數(shù)選擇主要與地質條件有關，其次是炸藥的品種與性能及隧道開挖斷面的形狀與尺寸有關，在浙江金麗溫高速公路紅楓隧道施工中，由于各項爆破參數(shù)選取合理，光面爆破取得了很好的效果。爆后巖面光滑平整，炮眼痕跡保存率在90%以上,肉眼基本上看不到爆破裂隙，光面爆破技術有效的控制了紅楓隧道的超欠挖，從而大大減少了開挖、回填以及支護的工程量。減輕了爆破對圍巖的擾動，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，有效地提高了隧道的安全度。光面爆破的機理光面爆破是沿開挖輪廓線布置間距較小的平行炮眼，在這些光面炮眼中進行藥量較少的不耦合裝藥，然后同時起爆，爆破時沿這些炮眼的中心連線破裂成平整的光面。通過國內外實驗室研究和現(xiàn)場生產實踐可以看出，光面爆破是由于采用不耦合裝藥，藥包爆轟后，炮眼壁上的壓力顯著降低，此時藥包的爆破作用為準靜壓力。當炮孔壓力值低于巖石的抗壓強度時，在炮眼壁上不至造成“壓碎”破壞。這樣爆轟波引起的應力波和鑿巖時在炮眼壁上造成的應力狀態(tài)相似，只能引起少量的徑向細微裂隙。裂隙數(shù)目及其長度隨不耦合系數(shù)和裝藥量而不同。一般在藥包直徑一定時，不耦合系數(shù)值愈大，藥量愈小，則細微裂隙數(shù)愈少而長度也愈短。光面炮眼組同時起爆時，由于起爆器材的起爆時間誤差，不可能在同一時刻爆炸。先起爆的藥包的應力波作用在炮眼周圍產生細微徑向裂隙（圖1-b的A炮眼）。由于B炮眼所起的導向作用，結果沿相鄰兩炮眼連心線的那條徑向裂隙得到優(yōu)先發(fā)育。在爆炸氣體作用下，這條裂隙繼續(xù)延伸和擴展，在相鄰兩炮眼的連心線同眼壁相交處產生應力集中，此處拉應力最大。A、B兩炮眼中爆炸氣體的氣楔作用將這些徑向裂隙加以，擴展，成為貫通裂隙?！觥?..■■■藥包——(a)?——A(b)-島”(c)~a)孔裝藥情況；（b）先爆炮孔對相鄰炮孔的影響；（c）光面的形成形成光面圖1光面爆破時炮眼連心線上破裂面的形成光面爆破的參數(shù)及工藝2．1光面爆破主要有以下幾個參數(shù)2.1.1不耦合系數(shù)不耦合系數(shù)是指炮孔直徑d和藥卷直徑d0之比。K=d/d0不耦合系數(shù)K=1，表示炮孔直徑和藥卷直徑完全耦合，炮孔全部被炸藥裝滿。藥卷與孔壁之間沒有空隙。此時，爆轟壓力對孔壁作用明顯。K>1,表示炮孔直徑與藥卷直徑不耦合，藥卷與孔壁之間有空隙。K越大，則空隙也越大。如果Kc>K>1，（Kc——產生壓碎的臨界不耦合系數(shù)）光面爆破的效果就不好；如果K>Kc>1，炮孔周圍就不產生壓碎圈。所以K>Kc>1時進行光面爆破是獲得良好效果的必要條件。實踐證明,K=2?2.5時，光面效果最好。炮孔間距和空孔光面爆破是要使相鄰炮孔之間用裂隙連通起來，以形成平整的斷裂面。因此，炮孔間距在裂隙中的連通上起著非常重要的作用?？拙嗟拇笮≈饕Q于炸藥的性質、不耦合系數(shù)和巖石的物理力學性質。理論上可用下式計算。2p+出a=3.2(x-^)3dQ]1—卩y式中:a-炮孔間距；p-沖擊波作用在孔壁上的波峰壓力(Mpa)；卩-巖石的泊松比；0]-巖石的極限抗壓強度(Mpa)；yd-炮孔直徑。根據(jù)生產實踐，取孔距為炮孔直徑的10~20倍，即a=(10~20)d。在節(jié)理、裂隙比較發(fā)育的巖石中應取小值，整體性好的巖石中可取大值?？湛椎淖饔弥饕菍α严兜纳煺蛊饘蜃饔谩？湛着c裝藥孔距離，一般在400mm以內。最小抵抗線W光面層厚度或周邊眼到鄰近輔助眼間的距離，是光面眼起爆時的最小抵抗線，一般應大于或等于光面眼間距。周邊孔密集系數(shù)周邊孔密集系數(shù)是指孔距a與最小抵抗線W之比值，即m=a/W。m值的大小，對光面爆破效果影響最大，下面從三種不同情況進行說明。(1)當m=a/W=2時，孔間距值a偏大，而W值偏小，成為兩個炮孔單獨爆破時的爆破漏斗，留下abc三角形巖埂,起不到光面爆破效果，如圖-2(a)。當m=a/W=1時，如果兩炮眼同時起爆，壓縮波到達自由面前，即可完成孔間裂隙的貫通，而形成光面。如不同時起爆，另一炮眼起自由面作用，也可達到光面爆破效果，如圖-2(b)所示。當m=a/W=0.5時，不管是否同時起爆，壓縮波到達自由面時，首先到達相鄰炮孔，不僅產生裂W17L7Z」W_wI圖2不同密集系數(shù)的爆破情況縫，并使該孔的巖石破壞，甚至造成超挖，也達不到光面爆破的效果，見圖-2(c)所示。實踐表明，當m=0.8~1.0時，爆破后的光面效果較好，硬巖中取大值，軟巖中取小值。2.1.5、線裝藥密度線裝藥密度又叫裝藥集中度，它是指單位長度炮眼中裝藥量的多少(g/m)。為了控制裂隙的發(fā)育，保持新壁面的完整穩(wěn)固，在保證沿炮眼連心線破裂的前提下，盡可能少裝藥。軟巖中一般可用70g/m-120g/m，中硬巖中為20g/m-300g/m，硬巖中為300g/m-350g/m。2.1.6周邊眼的其他參數(shù)(1)炮眼直徑do光面爆破的周邊眼直徑無需選擇，國內掘進常用的炮眼直徑為35mm-5mm；(2)周邊眼的深度l和角度a。“預留光面層”法的周邊眼深度可達2.5m-3m；全斷面一次爆破時，周邊眼深度一般為1.5m-2.0m。確定眼深時，還應考慮到其他作業(yè)的生產能力在掘進循環(huán)中的充分發(fā)揮。周邊眼原則上應布置在設計輪廓線上，但由于受鑿巖機機型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角一般為3°~5°。偏斜角度的大小，可根據(jù)眼深加以調整，使眼底落在輪廓線外100mm處。隧道光面爆破常用參數(shù)如表1所示。表1隧道光面爆破常用參數(shù)巖石類別周邊眼間距E(cm)最小抵抗線W(cm)相對距離(E/W)裝藥集中度q(g/m)硬巖55~6560?800.8?1.0300~350中硬巖45?6060~750.8?1.0200~300軟巖35~4545~550.8?1.070~1202．2光面爆破主要施工方案用光面爆破開挖隧道時有兩種方案，一種是全斷面法，如圖-3所示。對于IV、V類整體性好的圍巖,可采用全斷面法，此時掏槽眼、輔助眼等的參數(shù)按普通爆破來設計，周邊眼則按照光面爆破來設計?？捎枚喽魏撩腚娎坠芑蚍请妼П到y(tǒng)按順序起爆，掏槽眼、輔助眼間起爆間隔時間不應小于25ms。鄰近周邊眼的一排炮眼的藥量要比其他炮眼的藥量少，以控制圍巖爆震裂隙的發(fā)展。另一種是預留光面層法，先掘進超前導洞，然后加以刷大，如圖-4所示。這種預留光面層法的特點是，在爆破周邊眼之前可根據(jù)爆破超前導洞的情況進行參數(shù)調整或修正輪廓，以達到較好的光面爆破效果。影響光面裂縫形成的因素影響光面裂縫形成的因素很多，主要因素有裝藥量和裝藥結構，最小抵抗線與孔間距的比值，起爆方法、空孔等。3.1裝藥結構為了不破壞需要保護一側的圍巖，要采用較大的不耦合系數(shù)(K=d/dO,K>2~2.5),環(huán)狀間隙裝藥和間隔裝藥，以及低猛度、低爆速(如2000m/s~3000m/s)、低密度的炸藥。圖3全斷面光面爆破起順序圖3.2最小抵抗線、空孔與孔距最小抵抗線應大于光面孔的孔距。最小抵抗線過小時,孔與孔之間的光面裂隙來不及貫通,各孔就已朝自由面形成爆破漏1超前導洞；2刷幫爆破區(qū)；3光面層斗,結果產生凸凹不平圖4光面爆破開挖順序(預留光層面)的破裂面；相反,最小抵抗線過大時,光面裂隙固然容易形成,但是自由面方向的爆破效果可能要惡化,會出現(xiàn)大塊度。根據(jù)理論推算和現(xiàn)場施工分析,空孔和最小抵抗線的比值最好是0.8~1。在節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖石中以及開挖面的拐角、彎曲部分,要加密炮孔或增加導向空孔。3.3起爆間隔時間實驗室爆破試驗研究表明,齊發(fā)起爆的裂隙表面最平整,微差延期起爆次之,秒差延期最差。齊發(fā)起爆時,炮眼貫通裂隙較長,抑制了其它方向裂隙的發(fā)育,有利于減少炮眼周圍的裂隙的產生,可形成平整的壁面。所以,在實施光面爆破時,間隔時間愈短,壁面平整的效果愈有保證。應盡可能減少周邊眼間的起爆時差,相鄰光面炮眼的起爆間隔時間不應大于100ms。工程實例4.1工程概況紅楓隧道位于永嘉漁渡村紅楓山莊西側,全長230m,屬于丘陵區(qū)壟崗低丘區(qū)(III)紅楓隧道出露地層主要為晚侏羅世晶屑熔結凝灰?guī)r。表面覆蓋第四系殘坡積松散層,巖性為含碎石亞粘土,局部為含粘性土碎石,土質松散。下覆晚侏羅世晶屑熔結凝灰?guī)r,巖性為晶屑熔結凝灰?guī)r,塊狀結構,巖質堅硬。受地質構造影響,節(jié)理發(fā)育。圍巖類別強風化層II類，中風化層III類，微風化層IV類。4.2爆破方案1、II、III類圍巖穩(wěn)定性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育。對II類圍巖采用臺階開挖法，每個循環(huán)進尺為1.0m。2、IV類圍巖穩(wěn)定性較好，考慮到機械設備的使用效率以及工期的影響，對此類圍巖采用全斷面開挖法,每個循環(huán)進尺為2.5m。鑿眼、爆破器材鑿巖機械采用可移動式全斷面作業(yè)臺車，使用YT-27型氣腿式鑿巖機鉆眼。全斷面作業(yè)時應配合9臺鑿巖機同時鉆眼，以保證開挖作業(yè)進度。4.3.2爆破器材為了避免閑散電流對爆破安全的影響，必須采用非電起爆系統(tǒng)。主要器材有：毫秒延期雷管、8#火雷管、導火索、導爆管、導爆索。爆破參數(shù)炸藥消耗量爆破采用2號巖石硝銨炸藥，由公式：Q=qSln式中:Q—每循環(huán)應使用的炸藥量，kgq一單位炸藥消耗量，kg/m3S—開挖斷面積(以半個主洞計)，m21—平均炮眼深度，mn—炮眼利用率，取85%II、III類圍巖的炸藥消耗量q取0.90kg/m3,S為81.77m2,l設計為1.0m故Q=0.90x81.77x1.0x85%=62.55kIV類圍巖的炸藥消耗量q取1.26kg/m3，S為64.18m2,1設計為2.5m故Q=1.26X64.18X2.5X85%=171.84kg4.4.2炮眼、藥卷直徑采用的鑿巖機械決定炮眼直徑為D=42mm,藥卷直徑，周邊眼d=22mm,其余炮眼d=32mm。不耦合系數(shù)，周邊眼K=D/d=1.91,其余炮眼K=D/d=1.31。4.4.3周邊眼的布置周邊眼原則上應布置在設計輪廓線上，但由于受鑿巖機機型的限制，不得不向外偏斜一定的角度，偏斜角一般為3°~5°。偏斜角度的大小可根據(jù)眼深加以調整，使眼底落在輪廓線外100mm處。II、III類圍巖周邊眼的布置炮眼間距a=450mmIV類圍巖周邊眼的布置炮眼間距a=500mm4.4.4掏槽眼的布置(1)II、III圍巖周邊眼的布置掏槽眼采用螺旋掏槽方式，其特點是各裝藥炮眼至空眼的距離不等而依次遞增，如圖-5所示。遇到特別難爆的巖石可增加1-2個空眼以增大自由面和補償空間體積。空眼可比裝藥炮眼略深些，以便裝入適量的清渣藥包。整個裝藥炮眼都爆破后，空眼底部的清渣藥包的爆炸可將已炸碎的巖渣推出槽腔。II、III圍巖臺階法開挖爆破布孔示意圖如圖-6所深(m)圖5螺旋掏槽眼布置示意圖（2）IV類圍巖周邊眼的布置1195圖6II、III圍巖臺階法開挖爆破布孔示意圖掏槽眼采用垂直楔形掏槽方式，每對掏槽眼頂部間距為190cm,底部間距為20cm,掏槽眼同工作面的交角為70。。炮眼的布置及裝藥結構如圖-7所示，IV類圍巖炮孔布置示意圖如圖-8所示。112710020//、J丄―70———■'I123912911圖7垂直楔形掏槽眼布置示意圖眼底8板1眼共計118藥卷直每孔徑裝藥(量(g)mm)353803510035360353303533022290小

計(g)15連20續(xù)10連0續(xù)68連40續(xù)39連60續(xù)61075連90續(xù)84間10隔90383204530圖8IV類圍巖炮孔布置示意圖4.5起爆方式及起爆順序為了避免閑散電流對爆破安全的影響，采用非電起爆系統(tǒng)。II、III圍巖采用臺階法開挖，其上部臺階的起爆順序、炮孔藥量如表-2所示，下部臺階的如表-3所示。IV類圍巖采用全斷面開挖法，其起爆順序、炮孔藥量布置如表-4所示。表2紅楓隧道主洞II、III類圍巖上部爆破參數(shù)開挖面積（m2）炮眼密度（個/m2）單位用藥量（kg/m3）預計進尺（m）49.942.360.91.0表3紅楓隧道主洞II、III類圍巖下部爆破參數(shù)序炮孔孔雷裝藥量裝裝藥量?眼名稱深(m)數(shù)(個)管段別藥卷直徑⑴m)每孔裝藥量（g）小計(g)藥結構112135330660連續(xù)2143353301320連續(xù)3165353301980連續(xù)40連續(xù)5300連續(xù)611連續(xù)640連續(xù)81611353301980連續(xù)9320連續(xù)10116連續(xù)共計7424420開挖面積（m2）31.83炮眼密度（個/m2）2.32單位用藥量（kg/m3）0.9預計進尺（m）1.0表4紅楓隧道主洞IV類圍巖爆破參數(shù)序號炮邛眼-名稱孔深(m)孔數(shù)（個）雷管段別裝藥量藥卷直徑mm)每孔裝藥量（g）小計(g)裝藥結構1掏36連槽眼續(xù)2