光面爆破施工工艺

光面爆破施工工艺1 前言1.1工艺概况光面爆破20世纪50年代末首先在瑞典兴起，1952年在加拿大首先使用，现已被规定为隧道掘进工程中的标准方法。

隧道采用光面爆破能使围岩周边形成平滑圆顺的表面，可以有效控制周边超欠挖，减少围岩扰动，减少支护工程量。

同普通爆破相比，光面爆破能取得巨大经济效益、安全效益和其它综合效益。

光面爆破的优点是明显的，但光爆效果随着地质条件的不同差异很大，参数选择也必须根据地质条件不同而采用不同的参数。

要取得理想的爆破效果，必须了解光爆的作用原理和影响参数，通过爆破初步设计，并反复实践才可达到良好的爆破效果。

我们通过石林隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩光面爆破的设计，并结合地质条件、钻孔设备、设计要求，多次调整施工参数和工艺，不断摸索、完善，经总结形成本标准工艺。

1.2工艺原理光面爆破是控制开挖轮廓超欠挖和平整度的爆破技术。

它沿开挖轮廓周边布孔，利用掏槽眼和掘进孔爆破后形成的良好临空面，在光爆层中起爆，借以减少光爆层爆破时内侧岩层对光爆层的夹制作用，降低炸药单耗，减少一次起爆药量，降低爆破震动效应，减小对周边围岩的破坏，使其获得平滑的开挖廓面及降低超欠挖的一种施工技术。

2 工法的特点1）光爆周边眼钻眼精度要求高、装药技术要求较高；2）适用于各种围岩类型；3）开挖轮廓外观质量好，对围岩扰动少，增加施工安全，具有良好经济效益；4）施工参数因地而异，方法灵活。

3 适用范围本工法适用软岩、硬岩等地质条件下的铁路、公路、水工等隧道和岩石边坡处理。

4 技术标准《工程地质手册》第四版-2007；《爆破工程消耗量定额》GY102-2008；《爆破安全技术规程》GB6722-2011；《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设[2010]241号；《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10753-2010；《隧道现代爆破技术》。

5 施工方法光面爆破是根据岩石岩性、产状和开挖断面大小入手，确定爆破深度、炸药类型、装药量、起爆顺序、装药结构、孔间距等技术参数，以达到良好的爆破进尺、受控的超欠挖和良好的外观质量的一种施工方法。

6 工艺流程及操作要点6.1图1 光面爆破施工工艺流程图6.2操作要点6.2.1爆破设计根据隧道设计提供的地质资料、设计图纸和施工机具，合理的选择爆破材料。

而后根据现场地质条件和自身的工、料、机条件，进行切合自身实际情况的爆破设计。

爆破设计的顺序为：分析岩性和隧道断面→确定开挖方法→确定开挖进尺→爆破器材选择→掏槽眼设计→周边眼设计→二圈眼设计→掘进眼设计→底板眼设计→各类孔药量分配→总药量和总眼数核对→爆破网络设计→参数现场优化。

1）岩性分析和开挖方式选择石林隧道为岩溶隧道，隧道断面为135m2，断面高11.7m，宽为13.8m，地质条件复杂，围岩主要以灰岩、白云岩为主，弱～微风化灰岩段为Ⅱ、Ⅲ级围岩，极限抗压强度60≤fr≤80，Ⅱ、Ⅲ级围岩段属于硬岩，爆破难度属难爆。

根据地质条件与断面情况，开挖方法主要采用台阶法开挖，其开挖顺序为开挖上台阶→下台阶左、右分幅开挖→仰拱一次开挖成型。

各部参数为：上台阶高为7.0m，轮廓线弧长22.6m；下台阶高3m；仰拱最大高度1.7m。

2）确定最大炮孔深度炮孔深度受开挖断面大小的约束，炮孔过深，受岩石的夹制作用大，残眼率高，炮孔利用率低，一般情况下，炮孔深度L取隧道高度（或宽度）的0.5～0.7倍（取值按高度或宽度的小值计算）。

其中隧道进尺的好坏主要受上台阶控制，其上台阶最大钻孔深度L=0.5×7.0=3.5m，结合围岩级别和钻机工作长度等影响因素，现场取掏槽眼钻孔深度3.5m，周边眼、二圈眼和掘进眼3.2m。

其下台阶和仰拱也按3.2m眼深控制。

3）爆破器材的选择影响爆破效果的主要因素有：炸药的安全性主要受炸药的耐热性和敏感度影响，但是敏感度过低，会使起爆能过大，容易发生拒爆现象，相反敏感度过高，则使用不安全；在装药结构一定的情况下，爆破震动的大小主要受炸药的猛度和爆速影响，猛度和爆速越大，其炮轰波速度越大，震动越大；爆力和爆速对岩体的破碎程度也有较大影响；爆力主要体现炸药爆破时对周边介质做功的大小，爆力越大，其爆破能越大；爆破有害气体主要与炸药的成分有关；炸药特阻抗与岩体特阻抗的匹配系数对炸药的爆破功利用效率有较大影响，匹配系数越高，爆破功利用效率越高。

从上面分析得知，为了取得良好的光面爆破效果，一般选用安全效能高、敏感度适中、爆破有害气体少、低猛度、低爆速、高爆力、与岩体的匹配系数高的炸药，根据对炸药相关性能的比选及结合以前山岭隧道施工经验，并通过现场单孔爆破漏斗试验得出岩石破碎效果、炸药与岩石的匹配效果和爆破功大小，确定在无水地段采用2号岩石硝铵炸药，地下水丰富地段采用2号岩石乳化炸药；考虑放火，防静电，导爆网络由塑料导爆管与非电毫秒雷管组成。

4）掏槽眼设计隧道开挖掏槽结构主要有楔形掏槽和直眼掏槽两种形式。

楔形掏槽有垂直楔形掏槽、水平楔形掏槽、爬眼等形式。

如果爆破进尺要求较大时，在断面尺寸允许的情况下，采用多重楔形掏槽。

其楔形掏槽适用于人工风钻打眼、开挖断面较大的隧道；但打眼深度受断面宽度或高度限制；循环进尺变更时，炮眼角度更改复杂。

直眼掏槽适用于凿岩台车作业、开挖断面较小、坚硬整体的岩层；打眼深度不受断面限制；钻眼精度要求高；循环进尺变更时，只需增减炮眼深度，容易掌握；不用大直径空眼时，掏槽眼数目较多，靠爆破粉碎岩层形成临空面；单段起爆药量大，爆破震动大；打大直径空眼需用重型凿岩机；炮眼间距近容易发生殉爆和拒爆。

图2 垂直楔形掏槽掏槽形式和参数一般从岩石的可爆性、岩石的坚硬程度、断面大小和现有设备等方面入手考虑。

其现有机械设备为YT-28手持风动凿岩机，隧道断面宽度13.8m ，岩石极限抗压强度8060≤≤r f MPa ，坚固系数86≤≤f ，岩石可爆性属难爆，根据现有情况，选用多重垂直楔形掏槽方式（见图2）。

在一定的地质条件下，楔形掏槽的效果又与炮眼与隧道的径向夹角、炮孔间距及掏槽的对数相关。

且掏槽眼较其它眼深10～30cm ；当岩面层理明显时，应将掏槽孔尽量垂直层理布置，其掏槽参数见下表1。

表1 楔形掏槽参数表反取小值，在本断面中掏槽眼取2对，共16个眼。

2.炮眼夹角按由内向外依次增大。

5） 周边眼设计周边眼的眼距、最小抵抗线与围岩等级、轮廓线弧度有关；周边眼的不耦合系数与围岩情况和炸药品种有关，装药集中度与围岩情况、周边眼的眼距、最小抵抗线有关。

（1）周边眼间距和孔数周边眼间距经验公式为E=8d ～18d （d 为孔径），围岩情况好，取大值，相反，取小值，根据石林隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩的情况，确定周边眼间距取40～50cm 。

则上台阶周边眼个数N=L/E=22.6/0.45=50个。

（2）周边眼最小抵抗线周边眼间距确定后，在Ⅱ、Ⅲ级围岩下，按炮眼密集度公式m= E/W=0.7～1.0，可得最小抵抗线W=50～75cm 。

断面跨度大，光爆眼所受到的夹制作用小，取较大值，相反，取小值，岩石强度高取小值，相反取大值。

（3）周边眼不耦合系数光面爆破周边孔采用不耦合装药。

考虑爆破管道效应和爆破临界半径等因素，一般不耦合系数经验值为D=1.5～2.0。

同时用式6-1复核不耦合系数。

a a D r c +-==/10])/[){(1(d d σρ药孔式6-1式中：D 为不耦合系数；为钻孔直径孔d ；a 为爆生气体分子容余系数，a=0.395;；为绝热系数，为炸药直径；为为爆生气体初始压力药8299.0/1;pa 6997,0=r r d ρ；强度的极大值，，取岩石极限单轴抗压岩石三轴极限抗压强度2/800][][cm kg c c =σσ将参数代入式6-1，得D=1.97。

现场钻孔孔径为d=d杆+15=42mm，得药卷直径d=21mm。

现场实际采用25mm，符合D=1.5～2.0的条件。

（4）周边孔装药结构装药采用不耦合间隔装药结构（也可采用小药卷连续装药结构），因间隔距离超过殉爆距离等因素，一般用导爆索串联各药卷以加强传爆的稳定性，药卷采用φ25小药卷，孔底用半卷φ32药卷加强，布置见图3。

图3 周边孔装药结构图（5）周边孔单孔药量计算周边眼单孔药量有两种方法：1）用装药集中度计算，以kg/m表示。

233.0wkeq⨯⨯⨯=式6-2式中：q—装药集中度，kg/m；k—爆出标准漏斗时的单位体积耗药量，kg/m3，试验得1.6 kg/m3；e—炸药换算系数，e=320/B；B—炸药的爆力，ml,对岩石硝铵炸药B=320;w—最小抵抗线，m；计算得：q=0.33×1×1.6×0.62=0.191kg/m单孔药量：QK=q×L=0.191×3.2=0.611kg2）按式6-3计算单孔药量。

Q K =π41×d i2×β×L×p0式6-3式中：Q k---单孔装药量，gp—炸药的密度，g/cm3，密度为1.15g/cm3 L—炮眼深度，320cmd i为药卷直径，2.1cm（见式6-1计算结果）β—光面爆破炮眼装填系数，查表为0.6。

β也可用公式6-4计算。

LE d L E W E e k c e ⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=)][]([][][σσστβ 式6-4 式中：E -周边眼间距，cm ，取45W -周边眼抵抗线，cm ，取602/kg ][cm c ，岩石三轴极限抗压强度σ，取8002e /kg ][cm 岩石极限抗拉强度，σ，取152/kg ][cm 岩石极限抗剪强度，τ，取80得：β=0.57，和查表值相差不大，按0.6取值。

将参数代入得：Q K =π41×21.2×0.6×320×1=0.765kg ， 装药集中度q=0.24kg/m. 注：][501101][][12181][e c c σσστ～；～==。

通过现场试验和施工经验数据，确定q=0.15～0.25kg/m ，以上两组计算结果均符合要求。

根据围岩情况取值范围见表2。

表2 光面爆破参数表注：1.fr 为单轴极限抗压强度；2.孔间距随岩石强度或轮廓曲率半径变大，而增大；3.在本断面中，周边眼45cm ，周边眼抵抗线60cm 。

装药集中度0.19kg/m 。

（6）周边眼爆破死角处理图4：角隅处爆破处理上台阶周边眼与底板眼连接部夹角小，爆破时，夹制作用大，在角隅处减少药量，将周边眼间距适当加密，并最后起爆。

见图4。

6）二圈眼设计二圈眼爆破质量的好坏直接影响光面爆破的效果，二圈眼间距按不小于周边眼的抵抗线考虑。

在本断面中，二圈眼的间距取a=60～80cm，抵抗线取80cm，上台阶孔数可按式6-5计算。