盾构机构之钻爆法

概述

　　通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，简称钻爆法。这一方法从早期由人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。施工前，要根据地质条件、断面大小、支护方式、工期要求以及施工设备、技术等条件，选定掘进方式。 

钻爆法施工工艺流程图

　　（1）打眼前必须先放好断面中线，水平，并在开挖面划好轮廓线，按钻爆参数图布置炮眼位置。 

　　（2）炮眼的深度、角度、间距按钻爆参数要求确定。掏槽眼间距误差和眼底间距误差不得大于5cm，辅助眼眼口排距、行距误差均不得大于5cm，周边眼沿隧道设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，周边眼外斜率不得大于5cm/m，眼底不超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。内圈眼至周边眼的排距误差不得大于5cm，炮眼深度超过2.5m时，内圈炮眼与周边眼宜采用相同的斜率。 

　　（3）掏槽眼布置在开挖断面的稍靠下部，以使底部岩石破碎，减少飞石。周边炮眼应沿设计开挖轮廓线布置，辅助眼应交错均匀地布置在周边眼与掏槽眼之间，并垂直于开挖面打眼，力求爆下的石碴块体大小适合装碴的要求。开挖断面底面两隅处，应合理布置辅助眼，适当增加药量，消除爆破死角。断面顶部应控制装药量，防止出现超挖量。 

　　（4）装药前应将炮眼内泥浆、石屑吹洗干净。已装药的炮眼应及时用炮泥堵塞密封。周边眼的堵塞长度不宜小于20cm，采用预裂爆破时，应从药卷顶端进行堵塞，不得只堵塞在眼口。 

　　（5）钻爆施工中严格控制超欠挖。当岩层完整、岩石抗压强度大于30Mpa并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别突出部分欠挖，隆起量不得大于5cm。拱、墙脚以上1m范围内断面严禁出现欠挖 

掘进方式  

　　1、全断面掘进法，整个开挖断面一次钻孔爆破，开挖成型，全面推进。在隧洞高度较大时，也可分为上下两部分，形成台阶，同步爆破，并行掘进。在地质条件和施工条件许可时，优先采用全断面掘进法。 

　　2、导洞法，先开挖断面的一部分作为导洞，再逐次扩大开挖隧洞的整个断面。这是在隧洞断面较大,由于地质条件或施工条件,采用全断面开挖有困难时,以中小型机械为主的一种施工方法。导洞断面不宜过大，以能适应装碴机械装碴、出碴车辆运输、风水管路安装和施工安全为度。导洞可增加开挖爆破时的自由面，有利于探明隧洞的地质和水文地质情况，并为洞内通风和排水创造条件。根据地质条件、地下水情况、隧洞长度和施工条件，确定采用下导洞、上导洞或中心导洞等。导洞开挖后，扩挖可以在导洞全长挖完之后进行，也可以和导洞开挖平行作业。 

　　3、分部开挖法，在围岩稳定性较差，一般需要支护的情况下，开挖大断面的隧洞时，可先开挖一部分断面，及时做好支护，然后再逐次扩大开挖。用钻爆法开挖隧洞，通常从第一序钻孔开始，经过装药、爆破、通风散烟、出碴等工序，到开始第二序钻孔，作为一个隧洞开挖作业循环。尽量设法压缩作业循环时间，以加快掘进速度。20世纪80年代，一些国家采用钻爆法在中硬岩中开挖断面面积为100m3左右的隧洞,掘进速度平均每月约为200m。中国鲁布革水电站工程，开挖直径8.8m的引水隧洞,单工作面平均月进尺达231m,最高月进尺达373.7m。 

光面爆破

光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体，然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面，是通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计要求的一种控制爆破技术。隧道全断开挖光面爆破，是应用光面爆破技术，对隧道实施全断面一次开挖的一种施工方法。它与传统的爆破法相比，最显著的优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，确保施工安全，同时，又能减少超、欠挖，提高工程质量和进度。

光面爆破作用原理

　　光面爆破的破岩机理是一个十分复杂的问题，目前仍在探索之中。尽管在理论上还不甚成熟，但在定性分析方面已有共识。一般认为，炸药起爆时，对岩体产生两种效应；二是爆炸气体膨胀做功所起的作用。光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后，爆炸气的膨胀合裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。 

光面爆破的技术要点

　　要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点： 

　　1、 根据围岩特点，合理选定周边眼的间距和最小抵抗线，尽最大努力提高钻眼质量。 

　　2、 严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布。 

　　3、 周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。为满足装药结构要求，可借助导爆索（传爆线）来实现空气间隔装药。 

　　4、 采用毫秒微差有序起爆。要安排好开挖程序，使光面爆破具有良好的临空面。 

　　5、边孔直径小于等于50mm。 

预裂爆破和光面爆破

　　为保证保留岩体按设计轮廓面成型并防止围岩破坏，须采用轮廓控制爆破技术。常用的轮廓控制爆破技术包括预裂爆破和光面爆破。所谓预裂爆破，就是首先起爆布置在设计轮廓线上的预裂爆破孔药包，形成一条沿设计轮廓线贯穿的裂缝，再在该人工裂缝的屏蔽下进行主体开挖部位的爆破，保证保留岩体免遭破坏；光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体，然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面。 

应用

　　预裂爆破和光面爆破在坝基、边坡开挖中较多的运用。光面爆破在隧道开挖中的运用尤其广泛。 

（一）成缝机理

　　预裂爆破和光面爆破都要求沿设计轮廓产生规整的爆生裂缝面，两者成缝机理基本一致。现以预裂缝为例论述它们的成缝机理。 

　　预裂爆破采用不耦合装药结构，其特征是药包和孔壁间有环状空气间隔层，该空气间隔层的存在削减了作用在孔壁上的爆炸压力峰值。因为岩石动抗压强度远大于抗拉强度，因此可以控制削减后的爆压不致使孔壁产生明显的压缩破坏，但切向拉应力能使炮孔四周产生径向裂纹。加之孔与孔间彼此的聚能作用，使孔间连线产生应力集中，孔壁连线上的初始裂纹进一步发展，而滞后的高压气体的准静态作用，使沿缝产生气刃劈裂作用，使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝。