浅谈隧道光面爆破施工技术

蒲荣宇

（中铁二十一局集团有限公司拉日铁路指挥部  日喀则仁布  857219）

摘  要：超欠挖是一个当今隧道开挖施工中普遍存在的现象，直接影响到施工安全及经济效益，而光面爆破技术有效地控制了超欠挖现象，结合拉日铁路盆因拉隧道施工经验，对光面爆破施工技术进行简单阐述。

关键词：隧道超欠挖   光面爆破    施工  参数    技术

1 概述

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，形成一个完整的开挖面，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。隧道全断面开挖光面爆破，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。

2 工程概况

新建拉日铁路TJ5标段盆因拉隧道位于雅鲁藏布江北岸中高山区，地形起伏大，地势极为陡峭，整体上西高东低，洞身穿越的山体高程范围为3750～4990m，隧道最大埋深约1080m。隧道起讫里程DK134+763～DK145+173，全长10410m，为单线隧道。除进口104.38m位于R=5000m的曲线上外，其余均位于直线上，洞内坡度依次为5‰、9‰、7‰、-3‰。是拉日铁路全线最长、控制工期的隧道。

本隧道共有辅助坑道4处，一号斜井长度515m，二号横洞长度1335m，三号横洞长度1536米，四号横洞1076米，四座辅助坑道总长4462m。隧道正洞级围岩4620m，级围岩4025m，级围岩1415m，级围岩337m，明洞13m，其中、级围岩长度约占隧道全长的83%，隧道及辅助坑道洞身岩体主要为燕山期闪长岩，中粗粒结构，块状构造，节理较发育，岩石较完整，岩石的饱和抗压强度Rb在85.8～152MPa之间。

3 光面爆破的作用机理

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：一是冲击波拉伸破坏作用，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切向拉力时，岩体便被拉裂，这样就能使围岩不受损伤而在炮眼连线方向上的岩石被拉断形成贯穿裂缝，同时也抑制了孔壁上其它方向裂缝的产生从而达到不破坏围岩的目的，最大限度地减轻爆破对围岩的扰动，随后，爆破气的膨胀合裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。

4光面爆破影响因素

4.1地质条件，如围岩类别、节理裂隙的发育程度、岩层的走向等。不同地质条件应采取不同的爆破方法及相应的爆破参数，对于地质条件较好的围岩（、级）可采用全断面光面爆破，对于软弱围岩（、级），采用“短进尺、弱爆破、强支护”的施工方法，以“多打眼、少装药”为原则，尽可能减少对围岩的振动和破坏。

4.2钻眼精度与开眼误差、钻眼角度误差、测量放线误差等因素有关，因此在隧道开挖施工过程中要选择熟练地钻眼班组，并不断加强管理及培训，提高钻眼的施工精度。

4.3爆破参数、爆破器材和爆破工艺的影响等。为了获得较好的爆破效果及开挖进尺，必须进行爆破参数比选实践，选择合适的炸药品种类别及起爆器材，采用正确的装药结构、起爆顺序和稳定可靠地起爆网络。

光面爆破的影响因素是多方面的，要在现场试验的基础上，不断进行比选优化爆破设计参数，才能获得最佳的光面爆破效果。

5盆因拉隧道光面爆破设计

5.1光面爆破参数的选定

光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，形成完整的轮廓面，尽可能的保留半边眼痕迹，减少对周边眼的扰动。若要“爆下来”主要与装药集度（q）和最小抵抗线（W）有关；“完整的轮廓面”主要与周边炮眼间距（E）、炮眼密集系数（m=E/W）、最小抵抗线（W）有关；“炮眼残痕和减少对周边眼的扰动”主要与不耦合系数(D=d炮眼/d炸药)有关。

周边眼间距E；

根据经验公式确定：E=（8～18）dk，即336～756mm。式中：d为炮孔直径，取d=42mm。

合理的周边眼间距需要结合围岩类型、地质条件等因素进行选择，对于节理发育、层理明显地段，周边眼间距应该适当减小，反之可适当增大。盆因拉隧道在开挖过程中，遇到的主要为、级围岩。对于级围岩，拱部E=500mm，边墙E=550mm，对于级围岩，拱部E=450mm，边墙E=500mm。由于受拱部弧度的影响，拱部周边眼间距一般比边墙稍小。

炮眼密集系数m。光面爆破周边眼间距E与最小抵抗线W的比值称为炮眼密集系数，用m标示，m=E/W。炮眼密集系数一般取m=0.7～1.0为宜，并且最好小于1，本隧道工程m取m=0.8。

最小抵抗线W。隧道开挖过程中，最小抵抗线及光面层厚度，直接影响光面爆破效果和爆破块度。最小抵抗线W可以通过选定的炮眼密集系数来确定：

W=E/m。对于级围岩计算得：拱部W=500/0.8=625mm，边墙W=550/0.8=688mm；对于级围岩计算得：拱部W=450/0.8=563mm，边墙W=500/0.8=625mm；在本隧道施工中，W统一取W=600mm。

装药集度q。周边眼装药集度可以按以下经验公式计算：

q=（E+W）*10*√Rb  式中：q为装药集度g/m；Rb为岩石抗压强度MPa。

根据设计图纸说明，盆因拉隧道岩石的饱和抗压强度Rb在85.8～152MPa之间，现场级围岩的岩石平均抗压强度为120 MPa，级围岩的岩石平均抗压强度为100 MPa。经计算：级围岩周边眼装药集度为拱部q=（500+625）*10*√120=123g/m，边墙q=（550+688）*10*√120=135g/m，取q=125 g/m。级围岩周边眼装药集度为拱部q=（450+563）*10*√120=110g/m，边墙q=（500+625）*10*√120=123g/m，取q=120 g/m。

利用周边眼装药集度的上述取值进行现场爆破参数比选，根据爆破效果，优化和调整周边眼装药量，最后得到了盆因拉隧道周边眼装药集度的最佳值：、级围岩均取q=133 g/m。

光面爆破不耦合系数（D）及装药直径（d）炮眼直径d炮眼与药卷直径d炸药之比称为不偶合系数，合适的周边眼不偶合系数应使爆炸后作用于炮眼壁的压力小于围岩抗压强度，理论与实践证明，当不偶合系数在1.25～2.5范围时，缓冲作用最佳，光爆效果最好。现已级围岩全断面施工为列，计算炮眼数目和装药量。

在实际使用过程中，我们采用直径为32mm的2号岩石硝铵炸药，即周边眼的不耦合系数D=42/32=1.31，符合D=1.25～2.5的要求。一般情况下，周边眼采用直径为25mm的小药卷，光爆效果最佳。

炮眼数量N=qS/τμ。式中：N——炮眼数量，不包括未装药的空眼；

      q——单位炸药消耗量，一般取q=0.8～2.4kg/m³；

      S——开挖段面积，㎡；

      τ——装药系数，即装药长度与炮眼长度的比值，暂取0.48；

      μ——每米药卷的炸药质量，kg/m，2号岩石硝铵γ=0.75。

即：N=（0.9×44.95）/（0.48×0.75）=114个

其中掏槽眼12个，周边眼37个，底眼9个，辅助眼56个。

装药量参数设计。每一循环装药量计算及分配Q=qV，式中：q——单位炸药消耗量，取

q=0.9kg/m³；V——1个开挖循环进尺爆落岩石总体积，m³，有效进尺取95%：3.2米×95%=3.04米。

即：Q=0.9×3×44.95=121.37m³

    各炮眼装药量分配如下：

因为计算炮眼数量时，采用τ=0.48，由周边眼装药集中度q=133g/m，得出周边眼装药系数为0.13，设其它各炮眼装药系数取值：掏槽眼1，底眼0.5，辅助眼0.6，则

12×1+37×0.13+9×0.5+56×0.6=（12+37+9+56）τ

计算得：τ=0.48

若计算τ≠0.48，则需重新调整τ值代入N=qS/τμ，并适当调整所设掏槽眼、底眼、辅助眼装填系数，使试选τ值与计算τ相符。

所以按上列装填系数进行分配是可以的。

每个掏槽眼（最深）装药量=0.75×3.74×1=2.8kg，折合为18.7卷，采用19卷；

每个辅助眼装药量=0.75×3.0×0.6=1.35kg，折合为9卷，采用9卷；

每个周边眼装药量=0.75×3.0×0.13=0.293kg，折合为1.95卷，采用2卷；

每个底眼装药量=0.75×3.2×0.5=1.2 kg，折合为8卷，采用8卷；

炮眼深度。炮眼深度受开挖面大小的影响，炮眼过深，周边岩石的夹制作用较大，故炮眼深度不宜过大，一般最大炮眼深度取断面宽度（或高度）的0.5～0.7倍。L=0.5H=0.5×8.15=4.075m（H为隧道开挖轮廓的高度，H=7.97）。钻孔采用YT-28风钻，炮眼孔径为φ42mm，为克服及减少岩石的夹制作用，除掏槽眼和底眼深度在3.8m和3.2m外，其余周边眼、辅助眼等炮孔深度L=3.0米。

装药与堵塞。炮眼堵塞和不堵塞对爆破效果的影响很大，在隧道爆破中，堵塞长度一般为最小抵抗线的0.2～0.5倍，最少不小于20cm，堵塞可采用分层人工捣实法进行。

5.2掏槽形式的选择

隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术。掏槽成功与否直接影响爆破效果，掏槽的深度直接影响隧道掘进的开挖循环进尺。盆因拉隧道、级围岩所占比重较大，开挖断面面积44.95～49.9m2，按照每循环开挖进尺3.0m的中深眼计算，隧道采用三级复式楔形掏槽，上下排距90cm，一、二、三级钻眼深度分别为261cm、317cm、374cm。在装药时炮眼底部1/3长加强装药，炮眼口留有30cm长的炮泥堵塞长度，每级均同时起爆。具体布置如图1.

图1   掏槽眼布置图

5.3炮眼布置

   炮眼布置原则上先布置掏槽眼、周边眼，然后是底板眼、内圈眼、二台眼、最后布置掘进眼，掘进眼应均匀布置。盆因拉隧道施工过程中，在对地质条件、开挖断面、开挖进尺、爆破器材、振速要求等因素综合考虑的基础上，预选爆破参数并通过多次试验爆破，再不断调整和优化爆破参数，确定出了合理的炮眼布置方式。具体炮眼布置方式如图2所示；光面爆破装药参数表如表1所示（每循环进尺3.0m）。

                 图2 炮眼布置图

表1  盆因拉隧道级围岩全断面开挖光面爆破装药参数表

通过现场试验和成本分析，周边眼采用2号岩石硝铵炸药或小直径药卷结合竹片支架及导爆索和导爆管间隔装药正向起爆，其施工操作简易，制作方便，效果也较好，在施工循环时间和施工成本上都能有效地控制。其它掏槽眼、掘进眼、辅助眼、底板炮眼均采用连续装药反向起爆，掏槽眼底部加强装药，具体布置如图3.

      图3  盆因拉隧道炮眼装药布置图

5.5起爆网络

选用非电毫秒塑料导爆管起爆系统，结合现场试验情况，将相邻段别之间的间隔时间定为50ms。选用1～15段的非电雷管，跳段使用，将工作面分成5个区域按先后顺序延时起爆。

起爆顺序为：先掏槽眼，而后扩槽眼，掘进眼，二台眼、内圈眼、底板眼，最后周边眼光面爆破。然后将工作面上各炮眼的导爆管分片集中成束，装入连接块。各连接块外接的导爆管再集中成束装入上一级连接块。这样依次簇联，最后采用双电雷管引爆。

5.6 钻孔台架的设计

盆因拉隧道级围岩开挖断面面积为44.95m2，级围岩开挖断面面积为49.9m2，采用多功能作业台架，人工手持风钻钻眼，全断面光面爆破施工。图4钻孔台架风钻布置图。

图4钻孔台架风钻布置图

6光面爆破施工组织

爆破效果的好坏与实施组织的成败有很大的关系，一个科学合理的光面爆破设计若实施过程中出现偏差，其爆破效果将大打折扣。在实施过程中要求作业队上的管理人员各司其职，相互配合，做好技术和管理指导作用。

光面爆破质量管理应从爆破参数设计、布置炮眼、钻眼、装药、连线、起爆等环节综合考虑，做到环环相扣，精细管理，心中可控。

技术人员负责爆破方案设计的合理性、正确性与经济性，测量人员负责准确放线、布眼，开挖班组负责具体的钻孔、情孔、装药、连线、起爆等环节，安全员负责火工品的管理、运输、领用、退库等各环节，严加控制。现场施工员负责全过程的管理，光面爆破施工工艺流程如图5所示。

               图5光面爆破施工工艺流程

6.1布眼。针对隧道爆破后开挖面不平顺，采用过去的人工拉钢尺放样方法，所布设的轮廓线很不平顺，为确保光面爆破效果，由测量人员按照炮眼设计要求，利用leciaTCR402全站仪，该全站仪能够免棱镜测量，利用全站仪发出的激光直接射于岩面上进行测量放线，用红油漆准确地进行标示，并用红油漆在拱顶标示出炮眼钻孔方向控制线，以便钻眼人员准确掌握钻孔角度，保证测量精度。

6.2钻眼。在施工过程中，要求钻眼人员必须做到开孔准确，对于司钻人员必须定人、定眼，严格控制周边眼间距，其误差小于5cm，为保证下一循环的掘进工作面净空，周边眼要保持2°～3°的外插角，但为避免过大超挖，开眼应在设计轮廓线内侧5cm。开钻时，先由水平高的司钻人员钻出导向眼（拱顶、拱腰、边墙共5个眼），然后在孔内插导向杆，钻眼作业要求做到准、平、直、齐。

6.3装药爆破。装药前，安全员、施工员对炮眼逐一检查，对不合格的炮眼要求开挖班组重新钻眼，检查合格后的炮眼用高压风管进行清洗，将跑眼内的泥浆、石粉吹洗干净。严格按照设计装药量、装药结构及雷管段别进行填装。为确保爆破效果避免瞎炮，连线工作由专人负责。非电导爆管簇连时，每簇起爆雷管数量控制在20发内。

6.4超欠挖控制。为确保光面爆破效果，必须制定严格的钻爆考核管理制度，并严格执行。每次爆破后，技术员、现场管理人员都应及时检查，记录超、欠挖值和光爆效果，若达不到预期效果，应分析原因，总结经验，提出改进措施，同时根据光爆考核的结果进行相应的奖惩，从而有效地提高现场施工人员的积极性，使超、欠挖得到有效地控制。

6.5爆破质量缺陷分析。爆破后对爆破效果观察记录，爆破效果主要表现在：排间错台较大，开挖平整度较差；炮眼半孔残留率较低；周边和底板部位未留半眼存在超欠挖现象。对爆破质量进行分析，采用措施见表2。

表2  质量发生问题及解决办法

经过精心组织实施和不断进步、探讨，盆因拉隧道、级围岩地段，光面爆破效果基本达到了预期的要求，如图6所示。

图6 光爆效果图

爆破后形成了光洁平整的轮廓面，炮眼痕迹保存率达到95%；炮孔利用率达到98%,拱部线性超挖基本控制在8cm，最大超挖不超过15cm，边墙线性超挖基本控制在8cm，爆破后对岩壁破坏扰动小，无明显再生裂隙，碴块大小适中，碴堆集中。

8结束语

要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点：

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。

严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿炮眼长均匀分布。

周边眼宜选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，可借助导爆索来实现空气间隔装药。

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。

根据工作面的大小及施钻设备的配置情况，选择合理的掏槽眼形式。

周边眼直径小于等于50mm。

通过盆因拉隧道光面爆破技术的实践与运用，证明了隧道光面爆破技术是一项较为复杂的系统工程，需要结合实际施工不断优化参数设计；同时在施工过程中要严格管理，加强对爆破作业各项工序的监督与指导。施工中要做到工作到位、责任到人、奖罚分明。

光面爆破作为隧道新奥法施工重要手段之一，通过合理的确定各围岩条件下光面爆破的施工参数及施工控制要点，能有效地控制断面的超欠挖，降低施工成本，减少对周围围岩的扰动，确保施工安全和工程质量。

参考文献

［1］ 王海亮，铁路工程爆破，中国铁道出版社，2001.83～102.

［2］ 张鸿，公路隧道光面爆破技术研究及应用［J］.公路隧道，2007（2）.6～9.

［3］ 关宝树，隧道工程施工要点集，人民交通出版社，2004.45～51.

［4］ 铁道部经济规划研究院，TZ204-2008.铁路隧道工程施工技术指南，2008