隧道全断面开挖光面爆破设计

第１　８卷　第３期　２　０　１　２年９月　工程爆破　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＢＬＡＳＴＩＮＧ　Ｖｏ１．１８．Ｎｏ．３　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１２　文章编号：１００６—７０５１（２０１２）０３—００４４—０４　隧道全断面开挖光面爆破设计　张金　，　沈立晋　（１．山东金岭铁矿，山东淄博２５５０００；　２．冶金工业规划研究院，北京１００７１１）　摘　要：介绍了军都山隧道开挖施工中所采用的全断面光面爆破快速施工技术。根据隧道围岩硬度　大、节理裂隙发育等地质情况，在施工现场进行了掏槽孔不同深度的装药试验，对隧道开挖的爆破参数、　炮孔布置、装药结构和起爆网路进行了分析和设计，提出了保证隧道开挖成型质量和提高循环进尺的施　工方案与措施，确保了军都山隧道全断面开挖爆破取得圆满成功，可供类似工程参考。　关键词：全断面；隧道开挖；光面爆破；参数设计；爆破效果　中图分类号：ＴＤ２３５．４　文献标识码：Ａ　ＳＭＯＯＴ　Ｈ　ＢＬＡＳＴＩＮＧ　ＤＥＳＩＧＮ　ＩＮ　ＦＵＬＬ　ＳＥＣＴＩＯＮ　ＥＸＣＡＶＡＴＩＯＮ　ＯＦ　Ｔ　Ｈ　Ｅ　ＴＵＮＮＥＬ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎ　，ＳＨＥＮ　Ｌｉ—ｊｉｎ　（１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉｎｌｉｎｇ　Ｉｒｏｎ　Ｍｉｎｅ，Ｚｉｂｏ　２５５０００，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００７１１，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ｆｕｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｍｏｏｔｈ　ｂｌａｓｔｉｎｇ）ｉｎ　Ｊ　ｕｎ～Ｄｕｓｈａｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａ—　ｖａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｊｏｉｎｔ　ｆｉｓｓｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ，ｂａｓｔ—　ｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｂｌａｓｔ—ｈｏｌｅ　ｌａｙｏｕｔ，ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｉｍｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ—　ｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｃｙｃｌｉｃａｌ　ｆｏｏｔａｇｅ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈ　ｅｎｓｕｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｆｕｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｊｕｎ—Ｄｕｓｈａｎ　ｔｕｎｎｅ１　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ＳＵＣＣＥＳＳ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃａｎ　ｐｒｏ—　ｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔｓ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：Ｆｕｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ；Ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；Ｓｍｏｏｔｈ　ｂｌａｓｔｉｎｇ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　引　—口　　在隧道开挖过程中，采用一般的爆破方法会使　围岩受到一定程度的损坏，影响围岩稳定性，并产生　严重的超欠挖。隧道开挖常用方法有全断面法、台　阶法、ＣＤ法、ＣＲＤ法、双侧壁导坑法和中导硐超前　预留光爆层法等。一般情况下，在工、Ⅱ和Ⅲ级围岩　地段采用全断面方法，在Ⅳ、Ｖ级围岩地段采用台阶　法。在比较破碎围岩地段、隧道断面特大地段或超　收稿日期：２０１１—０７—０６　浅埋地段，采用ＣＤ法、ＣＲＤ法或双侧壁导坑法。　在工、Ⅱ和Ⅲ级围岩地段，隧道断面较大时，采用导　硐超前预留光爆层法　。其中，隧道全断面光面爆　破是为了控制周边轮廓并能维持围岩稳定的一种科　学的施工技术，尤其在隧道、地铁等对周边轮廓要求　较高的爆破施工中具有较明显的效果，可形成规则、　光滑、符合设计要求的轮廓。全断面光面爆破对围　岩的扰动范围小，可有效地减少应力集中所引起的　塌方现象ｒ，有利于围岩稳定，是目前隧道施工中保证　周边轮廓、控制超欠挖的主要爆破方法。尤其是在　作者简介：张金，工程师，大学本科，主要从事矿山采矿、爆破、　不良地质段，光面爆破技术可以改善作业环境、便　于喷锚作业、降低喷射混凝土回弹率，能大大节约工　通风、充填等技术工作。　张金等：隧道全断面开挖光面爆破设计　・４５・　程成本，但其效果受到围岩条件、爆破器材、爆破参　断裂面、软弱夹层或其他不连续性与非均质性都将　成为设计时的特殊问题，并且大量断裂面或裂隙的　数、装药结构等多种因素的影响。因此，在不同的工　作环境中，需要经过反复的试验与优化，才能获得最　佳效果　。　存在对应力波的传播很不利。一般来说脆性且完整　性好的岩石对于大直径中空直孔掏槽是更易于成功　的。　２爆破参数设计　军都山隧道通过地段的地层较简单，除沟谷及　（２）空孔直径及其数量的选择：空孑Ｌ的直径和数　量要足够，至少满足膨胀余量的要求。具体根据现　进出口地表有第四系地层外，其余皆为燕山期侵入　体。主要有肉红色及浅褐色、粗粒不等的粒结构，致　有的设备情况、钻孑Ｌ技术水平、施工进度及经济效益　来综合考虑选定。目前，我国采用的空孔直径为７５　～密块状的花岗岩，属Ⅱ～Ⅲ类围岩、裂隙中等发育。　隧道内地下水主要以基岩裂隙水和岩溶水为主，设　计隧道涌水量为１０５００ｍ。／ｄ。　隧道地质条件相对较为复杂，对Ⅱ、Ⅲ级围岩采　用全断面光面爆破技术进行施工，为了降低施工成　ｌＯＯｍｍ，空孔个数１～４个。　本工程在选取掏槽孔装药爆破参数时，对掏槽　孔布置及其中空孔的数量进行了深入研究。在实施　爆破的过程中，对不同深度的掏槽孔分别进行了现　场试验。基于本工程开挖断面仅为２９．８ｍ。，因此仅　对单中空孔和双中空孔两种情况下的掏槽孔装药参　数进行了试验，试验的结果如表１所示。　表１掏槽孔装药参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈａｒｇｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　本、控制周边轮廓、减小对邻近围岩稳定性的影响，　在施工过程中需要不断地探索合适的爆破参数和工　艺。　２．１全断面深孔掏槽爆破设计　全断面深孔爆破技术，因目前有钻大直径空孔　的条件，主要应用的是大直径中空孔掏槽，实际上是　直孔掏槽的一种。采用这种掏槽，只要钻孔精确、按　设计的装药量和起爆顺序装药起爆，一般掏槽效果　是有保证的，炮孔利用率比小直径炮孔掏槽高。一　般适用于中硬岩、硬岩的大断面深孔爆破。　从实施爆破的效果看，钻孔深度为３．５ｍ，单孔　装药量为２．５ｋｇ，掏槽本身的炮孔利用率达９５　；钻　大直径中空直孔掏槽是在工作面中下部用大直　径钻机钻凿一个或几个中空炮孔，一般为　６Ｏ～　孔深度在３．５～５．０ｍ，单孔装药量为３．６ｋｇ，掏槽本　身炮孑Ｌ利用率可达到９Ｏ　。鉴于本工程围岩为致　密块状的花岗岩，属Ⅱ～Ⅲ类围岩，考虑到中空孔的　数量多了钻孔难度较大影响工程进度，或因钻孔的　２５０ｍｍ，以大直径中空直孔作为掏槽炮孔的临空　面，在大直径炮孔的周围配合一些小炮孔以逐渐增　大的距离布置掏槽炮孑Ｌ进行掏槽，一般有菱形掏槽、　螺旋形掏槽、对称掏槽等。槽口能否形成是掏槽设　计和施工的技术关键。掏槽设计应考虑以下问题：　（１）了解岩石的特性：影响直孔掏槽的最重要的　因素为岩石的特性，首先判明所爆岩石是属于塑性　岩石还是脆性岩石，因为在直孔掏槽中塑性岩石要　比脆性的困难得多；其次要了解岩石的结构，层面、　费用相对较高而影响整个工程的经济效益。为此，　最终确定采用单中空孔（深度３．５ｍ）、掏槽孔（深度　３ｍ）数量４个。　结合本工程的现场试验结果，在掏槽设计时应　考虑膨胀余量这一因素，现将各类岩石的岩石膨胀　系数列于表２。　表２岩石膨胀系数Ｋ值　Ｔａｂｌｅ　２　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｋ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　（３）最先一段起爆掏槽孔与空孔的距离：在装药　Ａ—ａ＋　｝＿　ｄ２ｎ／￣　２＿ｎ＝＝＝　（１）　孔及装药密度一定的条件下，在考虑碎石完全抛出　的条件下，我国隧道局推荐的装药孔至空孔距离的　计算公式为：　＋）　（２）　工程爆破　式中：Ａ为空孔中心至装药孔中心的间距，ｍｍ；　为空孔直径，本工程取８９ｍｍ；ｄ为装药孔直径，本　工程取ｄ一４２ｒａｍ；ａ为空：ｆＬ：ｆＬ壁至装药孔孔壁的最　（３）不耦合系数Ｋ：周边孔装药爆破后，光面上　应留有炮孔痕迹，为此必须采用不耦合装药爆破技　术。在一般工程中，不耦合系数Ｋ：１．５～２．５。　（４）周边孔装药集中度ｑ（线装药密度）：可以根　据公式（３）进行计算，一般工程应用中周边孔装药集　中度的变化范围为０．１～０．４ｋｇ／ｍ。　ｑ一０．３３ｅｋＷ　（３）　小距离，ｍｍ；　为与岩石种类、岩性、结构有关的系　数（中硬以下取１．４～１．７，中硬以上取１．７～２．２），　本工程取１．７５。　计算结果表明，取空孔到装药孔孔壁的设计间　距为１８￣２０ｃｍ时，只要钻孔精度有保证，掏槽爆破　式中：ｅ为炸药换算系数，ｅ一３２０／Ｂ；Ｂ为炸药的爆　效果非常好。　（４）炸药性能与装药量：炸药的性质对直孔掏槽　的影响很大，其中爆速最具决定性的意义。为使岩　石从槽腔抛出而不固结，以选用与岩石性质相适宜　的炸药为宜，这就是近年来人们研究的炸药与岩石　的阻抗匹配问题。中硬岩石以选用爆速约３０００ｍ／ｓ　的炸药为宜，采用硝铵类炸药是比较合适的。对于　坚硬岩石，应选用爆速约４０００ｍ／ｓ的炸药，如乳胶、　乳化类炸药。由于钻孔精度的原因，以及孔底部的　抵抗线增大，夹制作用大，孔底部应采取加强装药措　施，如耦合装药，或是选用高威力炸药等。　在掏槽设计与施工中，装药量的多少往往是采　用将炮孔基本填满，浅孔一般留出１Ｏ～２０ｃｍ的炮　孔位置，深孔一般留出２０～４０ｃｍ的炮孔位置装填　炮泥。　２．２光面爆破参数设计　对一般铁路隧道光面爆破来说，周边炮孔间距　ａ一般为（１２～１５）ｄ；炮孔密集系数　一般取０．８～　１．０；其抵抗线ｗ按Ｗ—ａｉｍ计算，ｄ是炮孔直径；　不耦合系数Ｄ一般为１．２５～２．０；周边孔装药集中　度　，由于岩体软硬变化太大，它的变化范围也比较　大，一般为０．Ｏ４～０．４ｋｇ／ｍ。因此在考虑地质条　件、炸药品种等因素的情况下，如何正确地设计装药　集中度是十分重要的。　（１）周边孔间距ａ是影响开挖轮廓面平整度的　主要因素，一般采用ａ一（１２～１５）ｄ经验公式确　定　，式中ｄ为炮孔直径４２　ｍｍ。对于节理发育、　层理明显的地段，周边孔间距可适当减小。根据本　Ｔ程的实际爆破效果，取ａ一５００ｍｍ。　（２）周边孔光爆层最小抵抗线ｗ与周边孔间距　ａ密切相关，可采用　＝ａ／Ｗ来表示，ｍ称为周边孔　的密集系数。ｍ值越小，表示炮孔间距越近，岩体能　较准确地沿着炮孔连心线方向裂开，但钻孔工作量　增大；ｍ值越大，越不能很好地形成光爆面。一般情　况下取　一０．８～１．０较为合理。本工程周边孔光　爆层厚度取５０ｃｍ。　力，ｍＬ；ｋ为爆出标准漏斗时的单位体积耗药量，　ｋｇ／ｍ。；Ｗ为最小抵抗线，ｍ。结合现场优化试验　结果，本工程周边孔装药集中度取０．１ｋｇ／ｍ。　对于本工程而言，全断面光面爆破炮孔及药量　计算结果如表３所示。　表３全断面光面爆破炮孔及药量分配　Ｔａｂｌｅ　３　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｌｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　ｃｈａｒｇｅｓ　ｆｏｒ　ｆｕｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｍｏｏｔｈ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　子深撇／个　孔　晌Ｍｓ段位　／　ｍ铀】批　／ｍ药量／ｋｇ药量／ｋｇ　～　中心空孔　３．５　１　３．５　掏槽孔　３．０　４　１２．０　２．５　１０．０　１　扩槽孔　３．０　４　１２．０　２．１　８．４　３　辅助孔　３．０　１０　３０．０　２．１　２１．０　５　３．０　１４　４２．０　２．１　２９．４　７　３．０　１２　３６．０　２．１　２５．２　８　边墙孔　３．０　２７　８１．０　０．３　８．１　９　拱顶孔　３．０　１７　５１．０　０．３　５．１　１０　底板孔　３．０　１１　３３．０　２．１　２３．１　１１　合计　１００　３００．５　１３０．３　主要指标：隧道设计断面为直墙半圆形，其半径　２．５ｍ，边墙高４ｍ、底宽５ｍ，钻孔直径４２ｍｍ，空孔直　径８９ｒａｍ，设计循环进尺２．５ｍ，断面积２９．８ｍ２，炸药　单耗１．７５　ｋｇ／ｒｎ３，周边孔装药集中度０．１ｋｇ／ｍ。　２．３炮孔布置　针对不同围岩情况，通过现场试验和参数调整，　确定了合理的炮孔布置方式。为了能给辅助孔提供　充分的自由面，本工程采用大直径中空直孔对称掏　槽，炮孔布置方式见图１。　（１）中心空孔直径８９ｒａｍ，孔深３．５ｍ；在中心空　孔四周约２０ｅｒａ处布置４个掏槽孔，其孔深３ｍ；在　掏槽孑Ｌ四周约３５ｃｍ处布置４个扩槽孔，孔深３ｍ。　（２）沿边墙和顶拱处布置１圈周边孔，距离约　５０ｃｍ。　（３）在周边孑Ｌ和掏槽孔之间布置２～３圈辅助　孔。　２．４装药结构　隧道爆破炮孔中的炸药有正向和反向起爆，研　张金等：隧道全断面开挖光面爆破设计　・４７・　Ｍ　Ｓ　０．．击．．出．．ｍ．Ｍ　．，由．．心．．１　Ｓ　。　∞　。　ｏ　口●●母●●　●●　８　Ｏ●●ｍ●●ｏ，●Ｏ●占　ｔ蚯　鱼　————＿争——　——。Ｍ　２ｆ＿＿●　●　●』Ｍ　２　　图１　全断面开挖光面爆破设计示意图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｓｍｏｏｔｈ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｆｕｌｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　究表明：掏槽孔的首段应该采用正向装药起爆，其他　孔采用反向装药起爆。掏槽孔、辅助孔、周边孔的装　药结构如图２所示。　（ａ）掏槽孔装药结构　药卷　雷管，旱向起爆　／　／炮泥　／｜　～　纛善薹毳　（ｂ）辅助孔装药结构　雷管　炮泥　常规药卷　导爆索　（ｃ）周边孔空气间隔装药结构　图２掏槽孔、辅助孔、周边孔装药结构图　Ｆｉｇ．２　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ，　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｈｏｌｅｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ　ｈｏｌｅｓ　２．５起爆网路　（１）采用非电起爆网路，掏槽孔、扩槽孑Ｌ、两侧周　边孔和底孔均采用非电组合雷管；顶板周边孔采用　导爆索人孔外接非电组合雷管。具体段别见炮孔布　置图示１，其中ＭＳ１段为掏槽孔，ＭＳ３段为扩槽孔，　ＭＳ５、ＭＳ７、ＭＳ８段为辅助孑Ｌ，ＭＳ９、ＭＳ１０段分别为　边墙孔和拱顶孔，ＭＳ１１段为周边孔中的底孔，　ＭＳ１２段为周边孔中的底角孔。　（２）传爆雷管采用瞬发非组合电雷管，网路连接　应有次序地从掏槽孔开始往两侧进行。　（３）用电雷管击发网路，电雷管用起爆器作为电　源。　３爆破效果及体会　（１）采用全断面光面爆破技术（掏槽方式为大直　径中空直孔对称掏槽法）进行施工，有效地提高了工　作面的工作效率，平均循环进尺２．７８ｍ，炮孔利用率　９２．５　，大大提高了掘进速度，有力地保证了施工　工期。　（２）针对不同的围岩类型和地质条件，对掏槽、　爆破方案及爆破参数进行合理的选择确定，有效控　制了大断面隧道的超欠挖现象。　（３）对于隧道开挖爆破而言，应根据隧道断面大　小、地质情况和施工队伍素质等综合考虑，选择合适　的开挖方法至关重要。如，钻孔质量是保证光面爆　破效果的关键，周边孔的外插角掌握不当就会造成　超欠挖，影响周边轮廓的平整度。此外，在爆破作业　中要特别注意炮孔填塞质量的好坏，尤其是对不耦　合系数较大的光面爆破，否则很难保证光面爆破的　顺利实施。　参考文献：　［１］汪旭光．爆破手册ＥＭ］．北京：冶金工业出版社，２０１０．　（２３皮明华．银洞湾隧道的光面爆破技术［Ｊ］．中国港湾建　设，２００３（２）：３９—４１．　Ｅ３］潘明亮，段宝福．大断面隧道光面爆破技术的改进与应　用ＥＪ］．有色金属（矿山部分），２０１０，６３（２）：６９—７２．　［４３张正宇．中国爆破新技术［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，　２００４．　Ｅｓ］李彪，张子新．京珠高速公路石门坳隧道开挖中光面爆　破效果探讨［Ｊ］．爆破，２０００（２）：６３—６６．　Ｅ６３郭尧，袁甲．光面与预裂爆破对隧道围岩损伤的试验研　究ＥＪ］．工程爆破，２０１１，１７（４）：３１—３５．　Ｅ７］杨云玫，汪金元．浅谈露天开挖中预裂和光面爆破技术　的应用条件ＥＪ］．工程爆破，１９９６，２（４）：１７—１８．　Ｅ８３费鸿禄，李守巨，何庆志．光面爆破装药不耦合系数的　计算［Ｊ］．爆炸与冲击，１９９２，１２（３）：２７０—２７４．