1、隧道施工光面爆破技术应用探讨曾 勇 1 周萍萍 1 吴秀勇 2（1 江西交通工程咨询监理中心 南昌 ）（2 金丽温高速公路温州段工程建设指挥部 温州 ）摘 要：光面爆破是通过控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动， 进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术，广泛 应用于隧道开挖施工 过程中，本文 结合浙江省金丽温高速公路隧道工程实际，详细 介绍了光面爆破的工作机理、参数选定及工艺方法。关键词：隧 道 工 程 ；光 面 爆 破0 前 言光面爆破是通过控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩
2、面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。同时光面爆破也是一种难度较大的施工技术，在施工中如爆破参数、施工方法选取不当，往往无法达到理想的爆破效果。光面爆破参数选择主要与地质条件有关，其次是炸药的品种与性能及隧道开挖断面的形状与尺寸有关，在浙江金丽温高速公路红枫隧道施工中，由于各项爆破参数选取合理，光面爆破取得了很好的效果。爆后岩面光滑平整，炮眼痕迹保存率在 90%以上，肉眼基本上看不到爆破裂隙，光面爆破技术有效的控制了红枫隧道的超欠挖，从而大大减少了开挖、回填以及支护的工程量。减轻了爆破对围岩的扰动，充分发挥了围岩的
3、自承能力，有效地提高了隧道的安全度。1 光面爆破的机理光面爆破是沿开挖轮廓线布置间距较小的平行炮眼，在这些光面炮眼中进行药量较少的不耦合装药，然后同时起爆，爆破时沿这些炮眼的中心连线破裂成平整的光面。通过国内外实验室研究和现场生产实践可以看出，光面爆破是由于采用不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低，此时药包的爆破作用为准静压力。当炮孔压力值低于岩石的抗压强度时，在炮眼壁上不至造成“压碎”破坏。这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能引起少量的径向细微裂隙。裂隙数目及其长度随不耦合系数和装药量而不同。一般在药包直径一定时，不耦合系数值愈大，药量愈小，则细微裂隙数
4、愈少而长度也愈短。光面炮眼组同时起爆时，由于起爆器材的起爆时间误差，不可能在同一时刻爆炸。先起爆的药包的应力波作用在炮眼周围产生细微径向裂隙（图 1-b的 A 炮眼） 。由于 B 炮眼所起的导向作用，结果沿相邻两炮眼连心线的那条径向裂隙得到优先发育。在爆炸气体作用下，这条裂隙继续延伸和扩展，在相邻两炮眼的连心线同眼壁相交处产生应力集中，此处拉应力最大。A、B 两炮眼中爆炸气体的气楔作用将这些径向裂隙加以，扩展，成为贯通裂隙。a）孔装药情况；（b）先爆炮孔对相邻炮孔的影响；（c）光面的形成形成光面图 1 光面爆破时炮眼连心线上破裂面的形成2 光面爆破的参数及工艺21 光面爆破主要有以下几个参数2
5、.1.1 不耦合系数 不耦合系数是指炮孔直径 d 和药卷直径 d0之比。K=d/ d0不耦合系数 K=1，表示炮孔直径和药卷直径完全耦合，炮孔全部被炸药装满。药卷与孔壁之间没有空隙。此时，爆轰压力对孔壁作用明显。K1，表示炮孔直径与药卷直径不耦合，药卷与孔壁之间有空隙。K 越大，则空隙也越大。如果KcK1， （Kc产生压碎的临界不耦合系数）光面爆破的效果就不好；如果 KKc1，炮孔周围就不产生压碎圈。所以 KKc1 时进行光面爆破是获得良好效果的必要条件。实践证明，K=22.5 时，光面效果最好。2.1.2 炮孔间距和空孔 光面爆破是要使相邻炮孔之间用裂隙连通起来，以形成平整的断裂面。因此，药
6、 包()70炮孔间距在裂隙中的连通上起着非常重要的作用。孔距的大小主要取决于炸药的性质、不耦合系数和岩石的物理力学性质。理论上可用下式计算。 dpay322)176(.3式中: -炮孔间距；p-冲击波作用在孔壁上的波峰压力（Mpa） ；-岩石的泊松比；-岩石的极限抗压强度（Mpa） ；y-炮孔直径。d根据生产实践，取孔距为炮孔直径的 1020 倍，即 =(1020) 。在节理、裂隙比较发育的岩石中a应取小值，整体性好的岩石中可取大值。空孔的作用主要是对裂隙的伸展起导向作用。空孔与装药孔距离，一般在 400mm 以内。2.1.3 最小抵抗线 W 光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离，是光面眼起
7、爆时的最小抵抗线，一般应大于或等于光面眼间距。2.1.4 周边孔密集系数 周边孔密集系数是指孔距a 与最小抵抗线 W 之比值，即 m=a/W。m 值的大小，对光面爆破效果影响最大，下面从三种不同情况进行说明。（1）当 m=a/W=2 时，孔间距值 a 偏大，而 W 值偏小，成为两个炮孔单独爆破时的爆破漏斗，留下abc 三角形岩埂，起不到光面爆破效果，如图-2（a） 。（2）当 m=a/W=1 时，如果两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面前，即可完成孔间裂隙的贯通，而形成光面。如不同时起爆，另一炮眼起自由面作用，也可达到光面爆破效果，如图-2（b）所示。（3）当 m=a/W=0.5 时，不管是否同时
8、起爆，压缩波到达自由面时，首先到达相邻炮孔，不仅产生裂图 2 不同密集系数的爆破情况缝，并使该孔的岩石破坏，甚至造成超挖，也达不到光面爆破的效果，见图-2（c）所示。实践表明，当 m=0.81.0 时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩中取小值。2.1.5、线装药密度 线装药密度又叫装药集中度，它是指单位长度炮眼中装药量的多少（g/m） 。为了控制裂隙的发育，保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮眼连心线破裂的前提下，尽可能少装药。软岩中一般可用 70g/m-120g/m，中硬岩中为 20 g/m -300g/m，硬岩中为 300g/m -350g/m。2.1.6 周边眼的其他参数 （1）炮眼
9、直径 d。光面爆破的周边眼直径无需选择，国内掘进常用的炮眼直径为 35mm-5mm；（2）周边眼的深度 l 和角度。 “预留光面层”法的周边眼深度可达 2.5m-3m；全断面一次爆破时，周边眼深度一般为 1.5m-2.0m。确定眼深时，还应考虑到其他作业的生产能力在掘进循环中的充分发挥。周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角一般为 35。偏斜角度的大小，可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外 100mm 处。隧道光面爆破常用参数如表 1 所示。表 1 隧道光面爆破常用参数22 光面爆破主要施工方案用光面爆破开挖隧道时有两种方案，一种是全断面法
10、，如图-3 所示。对于 IV、V 类整体性好的围岩，可采用全断面法，此时掏槽眼、辅助眼等的参数按普通爆破来设计，周边眼则按照光面爆破来设计。可用多段毫秒电雷管或非电导爆系统按顺序起爆，掏槽眼、辅助眼间起爆间隔时间不应小于25ms。邻近周边眼的一排炮眼的药量要比其他炮眼的药量少，以控制围岩爆震裂隙的发展。另一种是预留光面层法，先掘进超前导洞，然后加以刷大，如图-4 所示。这种预留光面层法的特点是，在爆破周边眼之前可根据爆破超前导洞的情况进行参数调整或修正轮廓，以达到较好的光面爆破效果。3 影响光面裂缝形成的因素影响光面裂缝形成的因素很多，主要因素有装药量和装药结构，最小抵抗线与孔间距的比值，起爆
11、方法、空孔等。3.1 装药结构为了不破坏需要保护一侧的围岩，要采用较大的不耦合系数岩石类别周边眼间距 E (cm) 最小抵抗线 W (cm)相对距离（E/W） 装药集中度 q (g/m)硬 岩 5565 6080 0.81.0 300350中硬岩 4560 6075 0.81.0 200300软 岩 3545 4555 0.81.0 70120设 计 轮 廓 线压 缩 波EW（ ）（ ） ab（ ）71（K=d/d 0，K22.5） ，环状间隙装药和间隔装药，以及低猛度、低爆速（如 2000m/s3000m/s） 、低密度的炸药。 图 3 全断面光面爆破起顺序图3.2 最小抵抗线、空孔与孔距最
12、小抵抗线应大于光面孔的孔距。最小抵抗线过小时，孔与孔之间的光面裂隙来不及贯通，各孔就已朝自由面形成爆破漏 1 超前导洞；2 刷帮爆破区；3 光面层斗，结果产生凸凹不平 图 4 光面爆破开挖顺序（预留光层面）的破裂面；相反，最小抵抗线过大时，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恶化，会出现大块度。根据理论推算和现场施工分析，空孔和最小抵抗线的比值最好是 0.81。在节理、裂隙发育的岩石中以及开挖面的拐角、弯曲部分，要加密炮孔或增加导向空孔。3.3 起爆间隔时间实验室爆破试验研究表明，齐发起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之，秒差延期最差。齐发起爆时，炮眼贯通裂隙较长，抑制了其它
13、方向裂隙的发育，有利于减少炮眼周围的裂隙的产生，可形成平整的壁面。所以，在实施光面爆破时，间隔时间愈短，壁面平整的效果愈有保证。应尽可能减少周边眼间的起爆时差，相邻光面炮眼的起爆间隔时间不应大于 100ms。4 工程实例4.1 工程概况红枫隧道位于永嘉渔渡村红枫山庄西侧，全长230m，属于丘陵区垄岗低丘区（III） 。红枫隧道出露地层主要为晚侏罗世晶屑熔结凝灰岩。表面覆盖第四系残坡积松散层，岩性为含碎石亚粘土，局部为含粘性土碎石，土质松散。下覆晚侏罗世晶屑熔结凝灰岩，岩性为晶屑熔结凝灰岩，块状结构，岩质坚硬。受地质构造影响，节理发育。围岩类别强风化层 II 类，中风化层 III 类，微风化层
14、IV 类。4.2 爆破方案1、II、III 类围岩稳定性较差，节理裂隙发育。对 II 类围岩采用台阶开挖法，每个循环进尺为1.0m。2、IV 类围岩稳定性较好，考虑到机械设备的使用效率以及工期的影响，对此类围岩采用全断面开挖法, 每个循环进尺为 2.5m。4.3 凿眼、爆破器材4.3.1 凿岩机械 采用可移动式全断面作业台车，使用 YT-27 型气腿式凿岩机钻眼。全断面作业时应配合 9 台凿岩机同时钻眼，以保证开挖作业进度。4.3.2 爆破器材 为了避免闲散电流对爆破安全的影响，必须采用非电起爆系统。主要器材有：毫秒延期雷管、8 #火雷管、导火索、导爆管、导爆索。4.4 爆破参数4.4.1 炸
15、药消耗量 爆破采用 2 号岩石硝铵炸药，由公式： Q=qSl式中:Q每循环应使用的炸药量，kgq单位炸药消耗量，kg/ m 3S开挖断面积（以半个主洞计） ，m 2l平均炮眼深度，m炮眼利用率，取 85%（1）II、III 类围岩的炸药消耗量q 取 0.90 kg/ m3，S 为 81.77 m2，l 设计为 1.0m故 Q=0.9081.771.085%=62.55 k（2）IV 类围岩的炸药消耗量q 取 1.26kg/ m3，S 为 64.18m2，l 设计为 2.5m故 Q=1.2664.182.585%=171.84 kg4.4.2 炮眼、药卷直径 采用的凿岩机械决定炮眼直径为 D=4
16、2mm，药卷直径，周边眼 d=22 mm，其余炮眼 d=32 mm。不耦合系数，周边眼 K=D/d=1.91，其余炮眼 K=D/d=1.31。4.4.3 周边眼的布置 周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定的角度，偏斜角一般为 35。偏斜角度的大小可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外 100mm 处。（1）II、III 类围岩周边眼的布置炮眼间距 a=450mm（2）IV 类围岩周边眼的布置炮眼间距 a=500mm4.4.4 掏槽眼的布置 （1）II、III 围岩周边眼的布置掏槽眼采用螺旋掏槽方式，其特点是各装药炮眼至空眼的距离不等而依次递增，如图-5
17、 所示。遇到特别难爆的岩石可增加 1-2 个空眼以增大自由面和补偿空间体积。空眼可比装药炮眼略深些，以便装入适量的清渣药包。整个装药炮眼都爆破后，空眼底部的清渣药包的爆炸可将已炸碎的岩渣推出槽72腔。II、III 围岩台阶法开挖爆破布孔示意图如图-6 所示。 炸 药炮 泥18.9cm05273炸 药炮 泥 30cm炸 药炮 泥图 5 螺旋掏槽眼布置示意图（2）IV 类围岩周边眼的布置 43210978678下 部 0543 1拱 部 67中隔墙90305空 眼 间 距 cm7喷 砼 回 填图 6 II、III 围岩台阶法开挖爆破布孔示意图掏槽眼采用垂直楔形掏槽方式，每对掏槽眼顶部间距为 190
18、cm,底部间距为 20cm,掏槽眼同工作面的交角为 70。炮眼的布置及装药结构如图-7 所示，IV 类围岩炮孔布置示意图如图-8 所示。单 位 :cm701238图 7 垂直楔形掏槽眼布置示意图 0 125 89476 3 306空 眼 间 距 5 4中隔墙喷 砼 回 填879图 8 IV 类围岩炮孔布置示意图4.5 起爆方式及起爆顺序为了避免闲散电流对爆破安全的影响，采用非电起爆系统。II、III 围岩采用台阶法开挖,其上部台阶的起爆顺序、炮孔药量如表-2 所示，下部台阶的如表-3 所示。IV 类围岩采用全断面开挖法，其起爆顺序、炮孔药量布置如表-4 所示。表 2 红枫隧道主洞 II、III
19、 类围岩上部爆破参数装药量序号炮眼名称孔深(m)孔数(个)雷管段别 药 卷直 径（ mm）每孔装药量(g)小计(g)装药结构1 掏 槽 眼 1 4 1 35 380 1520 连续2 掏 槽 眼 13 1 3 35 100 100 连续3 扩 槽 眼 1 19 5 35 360 6840 连续4 掘 进 眼 1 12 7 35 330 3960 连续5 掘 进 眼 1 17 7-1 35 330 5610 连续6 内 圈 眼 1 23 9 35 330 7590 连续7 周 边 眼 1 29 11 22 290 8410 间隔8 底 板 眼 1 13 13 35 330 4290 连续共计 1
20、18 38320开挖面积（m 2） 4994炮眼密度（个/ m 2） 236单位用药量（kg/ m 3） 09预计进尺（m） 10表 3 红枫隧道主洞 II、III 类围岩下部爆破参数装药量序号炮眼名称孔深(m)孔数(个)雷管段别药卷直径（mm）每孔装药量(g)小计(g)装药结构1 1 2 1 35 330 660 连续2 1 4 3 35 330 1320 连续3 1 6 5 35 330 1980 连续4 1 8 7 35 330 2640 连续5 1 10 7-1 35 330 3300 连续6 1 10 9 35 330 3300 连续7 1 8 9-1 35 290 2640 连续8
21、 1 6 11 35 330 1980 连续9 1 4 11-1 35 330 1320 连续10 1 16 13 35 330 5280 连续共计 74 24420开挖面积（m 2） 3183炮眼密度（个/ m 2） 232单位用药量（kg/ m 3） 09预计进尺（m） 10表 4 红枫隧道主洞 IV 类围岩爆破参数装药量序号炮眼名称孔深(m)孔数(个)雷管段别药卷直径（mm）每孔装药量(g)小 计(g)装药结构1 掏槽眼 3 6 1 35 1300 7800 连续2 扩槽眼 25 7 3 35 1200 8400 连续3 掘进眼 25 14 5 35 1100 15400 连续4 掘进眼
22、 25 13 5-1 35 1100 14300 连续5 掘进眼 25 13 7 35 1100 14300 连续6 掘进眼 25 15 7-1 35 1100 16500 连续7 掘进眼 25 18 9 35 1100 19800 连续8 内圈眼 25 24 9-1 35 1100 26400 连续9 周边眼 25 32 11 22 990 31680 间隔10 底板眼 25 15 13 35 1100 16500 连续共计 157开挖面积（m2） 6418炮眼密度（个/ m2） 245单位用药量（kg/ m3） 126预计进尺（m） 256 结 语与普通爆破相比较，光面爆破的优点是很明显的
23、：1、爆破成形规整，符合设计轮廓，特别在松软岩层中更能显示出光面爆破的作用。光面爆破后通常可在新形成的壁面上残留清晰的半边孔壁痕迹，超挖量大为减少。如采用普通的爆破方法开挖隧道，超挖量可达到 20%30%，而采用光面爆破时可以降低到4%6%，因此光面爆破可大大的节省开挖、回填、支73护等工程量和费用。2、爆破后岩面光滑平整，肉眼几乎看不到爆破裂隙，原有构造裂隙也不因爆破影响而有明显的扩展，可保持围岩的整体性和稳定性，因而可有效地保证施工安全，为快速施工创造了条件。3、爆破后岩壁平整，岩面上应力集中现象减少，在深埋岩壁表面可以减少岩爆的危险。4、配合锚喷支护，光面爆破使开挖面平整、准确，便于锚喷成形，并减少回弹量。参考文献 1JTJ042-94，公路隧道施工技术规范S. 图 4光 面 爆 破 开 挖 顺 序 （ 预 留 光 面 层 ）1-超 前 导 洞 ； 2刷 帮 爆 破 区 ； 3光 面 层 图 3全 断 面 光 面 爆 破 起 爆 顺 序 图8129306457289
