小断面隧道光面爆破技术探索

刘萍

【摘 要】本文以山东省日照市沭水东调隧洞施工光面爆破为实例,从炮孔布置、掏槽方式比选及掏槽角度控制等环节展开,探讨小断面隧道光面爆破参数,为类似工程提供一点参考.

【期刊名称】《价值工程》 【年(卷),期】2015(034)009 【总页数】4页(P198-201)

【关键词】小断面隧道;光面爆破;掏槽方式比选;爆破参数 【作 者】刘萍

【作者单位】中铁二十三局集团第一工程有限公司,日照276800 【正文语种】中 文 【中图分类】TD235

公路、铁路等大断面隧道光面爆破技术已比较成熟，但小断面隧道（下称隧洞）爆破参数与大断面隧道大有不同，不可直接套用。爆破进尺短、炸药消耗大一直是隧洞施工的重难点。本文从掏槽方式比选入手，调整掏槽角度、优化炮孔布置，总结一套隧洞光面爆破参数。

日照市沭水东调工程是将莒县境内沭河流域的水库水汇集，经输水管道、输水隧洞及现有河道调水至日照水库，实现区域水资源合理配置，解决日照市区水资源短缺的问题。输水隧洞全长18．3km，设计流量为10m3/s，采用无压流，隧洞为城

门洞型，开挖断面均为4．1×3．3m加半圆拱，半圆拱直径4．1m，中心角180°，断面面积20．13m2，隧洞洞底比降为1/2854。Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚杆、挂网喷砼支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用钢架、锚杆、挂网喷砼+钢筋混凝土衬砌支护。 隧洞地表地形起伏较大，最大埋深260m，最小埋深16m，以侵入岩群为主，岩性为不等粒角闪石英二长岩、花岗岩等。本标段主要为花岗岩，Ⅳ、Ⅴ类围岩破碎，为强风化花岗岩，局部夹杂全风化，Ⅱ、Ⅲ类围岩岩体完整，节理裂隙较发育，裂隙面较平直光滑，连通性较好，裂隙微张无充填，岩石坚固系数5～14。 光爆层厚度、光爆孔间距、线装药密集度及不耦合系数等光爆参数是实现光爆效果的决定性因素，掏槽孔的爆破效果是整个断面进尺的制约因素，因此，光爆设计的核心内容是光爆参数的选定和掏槽方式的选取。

本工程使用自制台车配合5把气腿式风钻人工钻孔，本文以Ⅱ、Ⅲ类围岩全断面开挖为例，进行系统分析和实验，Ⅳ、Ⅴ类围岩可依此方法进行调整。

2.1 光爆参数选定结合本工程围岩情况，参考经验数据，得出理论数值，在实际施工中进行验证、调整，最终确定适合本工程的光爆参数。

2.1.1 不耦合系数不耦合系数即光爆孔与药卷直径的比值。药卷直径小于孔径时，炸药爆破产生的能量通过可压缩性高的空气传至岩面，空气吸收部分能量，从而保护岩面完整性，保证炮孔保存率。不耦合系数参照表1选值。

本工程采用Φ42mm“一”字合金钻头，周边孔采用Φ32mm光爆炸药，不耦合系数为1．31，符合经验数据范围。

2.1.2 光爆孔密集系数光爆孔密集系数K即光爆孔间距a与光爆层厚度W的比值，光爆层厚度即光爆孔最小抵抗线。K值小，炮孔间距小，岩体能更精确的沿炮孔连心线裂开，相应的炮孔数量多，经济性不好；K值过大，炮孔间距大于最小抵抗线，导致炮孔独立爆破，引起炮孔间“挂口”（光爆孔间未能全部爆掉，形成锥形欠挖）现象，补炮处理同样不经济。一般情况下K值是一个小于1的数字，通常取

K=0．8左右。

结合表1，拟定光爆孔间距a=0．45m，光爆层厚度W= 0．55m，K=a/W=0．82，符合经验数据范围。

2.1.3 线装药密集度光爆孔的装药量可按下式初步确定：Q=q*a*W*L

其中q为定额确定的单位炸药消耗量，单位kg/m3；L为光爆孔的平均深度，单位m；其它符号同前。则线装药密度：Qx=Q/L=q*a*W 本工程中直接参照经验数据初步选定Qx=200g/m。

2.1.4 光爆孔数量直墙段及半圆拱布置光爆孔，按照0．45m间距计算，直墙段光爆孔数量G1为14个（底角孔算为底板孔），半圆拱光爆孔数量G2为13个，故光爆孔总量G=G1+G2=27个。

内圈孔与光爆孔间距为光爆层厚度，内圈孔间距考虑等同于光爆层厚度，因此内圈孔的数量计算可参照光爆孔计算。

2.2掏槽方式选取掏槽孔最先起爆，为辅助孔爆破提供临空面，因此，掏槽孔的良好爆破对后续孔的爆破将产生决定性影响。掏槽孔分为直孔、斜孔和混合掏槽三种。本工程从直孔掏槽和斜孔掏槽入手考虑。

2.2.1 直孔掏槽炮孔布置直孔掏槽炮孔深度受开挖断面尺寸影响小，可利用较深的掏槽提高循环进尺，渣堆相对集中，有利于控制尺寸。但需较多的炮孔数目、毫秒雷管段数和较多的炸药，同时要求操作工人必须具备熟练的钻孔操作技术，以达到较高的钻孔精度，避免串孔现象。本工程拟采取小直径单空孔双菱形掏槽方式，设计进尺2m，此类型掏槽孔装药系数为（0．7～0．8）L，布孔形式如图1，单位为cm。

结合前述光爆孔及内圈孔数量和布置，绘制直孔掏槽炮孔布置图如图2。 爆破参数如表2。（炸药规格：Φ32mm乳化炸药0．2kg/支，Φ32mm光爆炸药0．2kg/支）。

2.2.2 斜孔掏槽炮孔布置斜孔掏槽孔数较少，易操作，掏槽面积较大，所用雷管段位较少，但斜孔掏槽抛渣较远，受隧洞宽度影响较大，进尺相对较少。本工程拟采用垂直斜孔掏槽，设计进尺2m，根据经验拟定掏槽孔切入点为距边墙1．1m处，掏槽深度2．5m，掏槽孔与掌子面夹角为72°，孔底间距0．2m。 结合前述光爆孔及内圈孔数量和布置，绘制斜孔掏槽炮孔布置图如图3。 爆破参数如表3。

在围岩相近的5#支洞和6#支洞进行爆破对比实验，5#支洞进行直孔掏槽光面爆破，6#支洞进行斜孔掏槽光面爆破。 3.1 爆破实验步骤

3.1.1 交底与动员方案敲定后组织现场技术交底，确保每个炮工对爆破方案有全面而深刻的理论认识，同时拿出部分资金作为奖励基金，调动工人积极性。 3.1.2 测量布孔测量人员用全站仪进行测量放样，精确放出轮廓线（不少于9个点）、掏槽孔位置，其他孔可依据已知点进行拉尺量测，抽选5个以上孔位复测，偏差控制在5cm内。

3.1.3 钻孔爆破按照放样点位钻进，过程中复核角度，控制钻孔精度，保证掏槽孔每米偏差5cm内，周边孔外插角小于3°。按照设计炸药量及雷管段位进行装药。装药时使用木质或竹制杆送药，不可过快，防止孔口岩石划破毫秒管导致拒爆。光爆孔均采用有加强底药的间隔装药，使用导爆索引爆，其他孔连续装药。掏槽孔反向装药，其他孔正向装药。炮泥堵孔，不少于0．4m。

装药完成后，根据毫秒管外露情况，整理成四组把线，采用并并联网路，约每20根毫秒管尾线并联到同一段位的毫秒雷管，四根同段位的毫秒雷管并联到一枚电雷管，

通过起爆器引爆。

3.1.4 炮后检查、效果分析响炮后立即通风，待洞内空气质量合格后各方人员共同

进入到掌子面，观察有无挂口、盲炮，如有盲炮及时处理。出渣完后再次进入到掌子面，实测进尺及洞轮廓线，观察底孔存留情况及周边半孔率，分析做出调整，进入下一个实验循环。

3.2 直孔掏槽光面爆破参数调整直孔掏槽光爆实验遇到一些困难，前两次由于掏槽孔钻孔精度未控制好，导致串孔，炸药能量从中空孔散失，掏槽效果较差。 第一次掏槽调整：不改变掏槽孔深度，增加1～4掏槽孔与中空孔的距离，调整至0．2m和0．25m，同时增加1支炸药。爆破效果有所改进，串孔现象减少，连续几个循环维持在2．1m左右。

第二次掏槽调整：为追求更大进尺，将掏槽孔深度调至2．8m，调整的当个循环发生了串孔现象，掏槽效果不佳。

第一次光爆孔调整：爆破效果证实Qx=300g/m较为合适。掏槽孔调回2．5m，进行光爆孔密集系数调整。光爆孔间距a调整至0．5m，光爆层厚度W=0．6m。调整后的五炮出现了四次挂口，需要补炮，挂口集中在拱部，边墙部位未出现挂口现象，表明直墙段光爆孔间距可以适当拉大，圆拱段光爆孔间距初步设计的选定较为合理，不再做调整。

经过15循环的摸索，进尺基本稳定，成洞较好，半孔率达到90%，底板孔核减至6个，边墙孔核减至6个（间距调整至0．5m），其他孔未能核减。参数稳定在表4所示。

3.3 斜孔掏槽光面爆破参数调整斜孔掏槽光爆实验较为顺畅，成洞轮廓线较好，首次爆破抛掷近80m，且无大块渣石，进尺达到2．2m，说明初步设计的炸药用量偏高。

第一次掏槽调整：核减掉一对掏槽孔，采用“上三下四”形式掏槽，爆破效果良好，进尺2．15m。

第二次掏槽调整：核减底部一对掏槽孔，采用“上三下三”形式掏槽，调整掏槽深

度至2．8m，掏槽孔与掌子面夹角为72°，孔底间距0．2m，其他孔深增加0．3m，装药加1支。“下三”掏槽中最上方一对掏槽爆破效果不佳，导致整个断面底部未爆出效果，改回“上三下四”形式掏槽，并进行掏槽孔位置微调，减小上、下掏槽间距，之后4炮效果较好，进尺保持在2．3m～2．5m之间。 第三次掏槽调整：将掏槽深度调整至3m，钻孔过程中需要换钎施工，掏槽增加1支炸药，掏槽孔与掌子面夹角为75°，孔底间距0．15m，其他孔深增加0．5m，装药平均增加1支。前两炮掏槽效果均不佳，大面积补炮。经多方讨论，拟定在掏槽中增加斜孔掏槽，即复合斜孔掏槽，“上三下四”结合“上二下二”，向洞轴线偏移0．3m，掏槽深度1．8m，角度73°，反向装药7支。之后5炮效果较明显，进尺达到2．4m～2．6m。 三次掏槽形式见图4。

光爆孔参数调整同直孔掏槽实验，最终确定边墙光爆孔核减至6个（间距调整至0．5m），光爆层厚度不变。

掏槽2．8m、3m参数分析如表5、表6所示。

4.1 施工工艺比选直孔掏槽在施工过程中对钻孔精度要求高，人工钻孔很难达到精度要求，串孔现象时有发生，且所用毫秒管段位较多，易出现用错现象，一旦段位错孔将影响爆破质量，进而影响施工进度。相较而言，斜孔掏

槽工艺成熟，工人已经掌握，只要在施工过程中把握住掏槽角度，即能有比较好的爆破进尺，通过调整周边孔参数，断面轮廓也能得到很好地保证。因此，从工艺上讲，本工程优先选用斜孔掏槽光爆施工。

4.2 工程效益比选经过近一个月的爆破试验，三种掏槽工艺均得到了较为稳定的爆破参数和统计数据，成洞较好，半孔率均达到90%以上。

参数一：直孔掏槽光面爆破，平均进尺2．1m，炸药消耗为2．34kg/m3； 参数二：斜孔掏槽光面爆破（掏槽深度2．8m）：平均进尺2．4m，炸药消耗为

2．14kg/m3；

参数三：斜孔掏槽光面爆破（掏槽深度3m）：平均进尺2．5m，炸药消耗为2．38kg/m3。

对比可见，参数一进尺最少，炸药消耗偏高，可以直接排除掉。参数三2．5m每炮，但其火工品单方消耗是三个参数中最大的。从成孔比例及钻孔时间两方面对比参数二和参数三。

参数二钻孔总长200．3m，进尺2．4m，成孔比例C1= 200．3/2．4=83．3（钻孔米/进尺米）；参数三钻孔总长229．1m，进尺2．5m，成孔比例C2=229．1/2．5=91．6（钻孔米/进尺米）。对比而言参数二效率更高。 参数二平均每人钻孔40m，耗时约280min，进尺每米耗时

E1=2．4/280=0．0086m/min；参数三平均每人钻孔45．8m，耗时约320min，进尺每米耗时E2=2．5/320=0．0078m/min，对比而言参数二效率较高。 综上所述，参数二为本次光面爆破实验得出的最优化光面爆破参数，后续施工中将按照此参数进行爆破作业。

最终爆破确定的爆破参数见表5，炮孔布置图见图5。

经过项目部管理人员和现场工人反复实验、数次改进，我标段隧道光面爆破效果显著提高，成洞轮廓较好，半孔率高，进尺可控，得到监理及业主的肯定。以上是笔者从施工中总结的一点经验，不足之处还请批评指正。

【相关文献】

[1]DL/T 5135-2001，水电水利工程爆破施工技术规范[S]．北京：中国电力出版社，2002，5． [2]肖汉甫，吴立，陈刚，等．实用爆破技术[M]．武汉：中国地质大学出版社，2009．

[3]日照市沭水东调工程标段3：桩号15+947～22+268设计图纸．济南：山东省水利勘察设计院，2014，1．