浅谈光面爆破设计在隧道工程中的应用

浅谈光面爆破设计在隧道工程中的应用
中交一航局城市交通工程公司徐金超
内容摘要：光面爆破是隧道“新奥法”施工的关键技术，爆破效果直接关系到工程质量的好坏、施工进度的快慢和施工费用的高低等。

做好光面爆破施工，对企业的效益有至关重要的影响。

然而爆破设计是做好光面爆破的第一步，因此为提高工程质量，使效益的最大化，本文着重阐述了光面爆破设计方法及步骤，为以后的隧道开挖提供一定的借鉴经验。

关键词：爆破设计应用
正文：
1、光面爆破的优点
光面爆破是一种科学的控制周边轮廓并能维持围岩稳定的爆破方法，其适用范围很广，优越性很多。

尤其是隧道爆破中具有较明显的优点：
1.1 形成规则的光滑的接近于设计要求的轮廓，其受力性好，无应力集中现象，有利于围岩稳定，维护自稳能力；
1.2 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，尤其是在不良地质段；
1.3 改善作业环境，便于喷锚作业，降低喷射混凝土回弹率，效果明显；
1.4 是控制隧道超欠挖的主要爆破方法，能大大节约工程成本。

2、爆破器材
采用人工手持YT-28气腿式风枪钻孔打眼，炮孔布置要适合人工钻孔，爆破施工选用乳化炸药。

周边眼用φ32mm（直径）*10cm（长度）小药卷，不耦合装药，其余炮眼用φ32mm（直径）*20cm（长度）药卷。

采用毫秒雷管起爆系统，毫秒雷管采用 13 段别毫秒雷管，引爆采用电起爆。

3、影响光面爆破的主要因素
3.1 孔网参数
孔网参数系指周边孔的间距E、光爆层的厚度W及炮孔的密集系数m。

3.1.1 炮孔间距E 的影响
ρσσστ•••+•••+••=L E D L E W E d q e
e e )][]([][][785.02于炮孔间距E ）首先形成裂缝方向发生变化，换名话讲：过小不易形成裂缝，爆破成锯齿状如下图示。

3.1.3 炮孔密集系数m 的影响
m （E/W ）过大反应出E 值升高，不易形成裂缝，m 过小反应出W 过大，此时光爆层不易沿两孔连线断开，容易形成欠挖现象。

3.2 装药参数及装药结构
3.2.1 装药参数影响
装药参数系指：每m 炮孔的平均线装药量q （单位g/m ）、装药密度ρ（单位g/cm3）、炸药的爆炸性能（爆速、威力、猛度、殉爆）、药卷直径等。

线装药量q 的影响
由经验公式：
可知：其大小直接与炮孔的间距E 、光爆层的厚度W 、岩石的强度相关，当装药量发生变化时，可能出现裂缝不贯穿或出现欠挖等现象，当岩石较软或裂隙较发育时因装药过大就会出大量超挖及坍塌现象。

式中：[σe]指岩石的抗拉强度，单位Pa ，
[σC] 指岩石的抗压强度，单位Pa ，
[τ]指岩石的抗剪强度，单位Pa ；D 、d 、E 、符号意义同前，单位cm ；L 指炮孔深度，单位m ；ρ指炸药的密度，单位g/cm3。

241D P ρ=
炸药爆炸性能影响
炸药爆速影响
炸药在炮孔中爆炸时产生高温高压气体，其压力值可近似表示为：
式中：D 指炸药的爆轰速度，单位m/s ，ρ同前。

从公式中可以看出：爆轰压力与炸药的爆轰速度的平方成正比而爆轰压力的大小直接反应出爆破对周围岩石的破坏程度。

威力、猛度的影响
于岩壁面的最大切向应力σθmax之间成指数关系，如右图示：另外随不藕合系数的增加,在一定时间内压力几乎呈定值地作用于孔壁上,如下两图左、图右示.
从波形图可以看出,随着η↑,P值除明显降低外,而且在一定时间范围内几乎呈定值。

当然η值不可能越大越好，当炮孔大到一定程度时，由于空腔及
式，如下图示。

装药结构直接影响爆炸气体在炮孔中的分布和波峰峰值大小,一定量的装药采用连续装药将出现装药长度不够导致周边孔爆里不爆外，炮孔底部过度破碎出现挂门帘现象。

采用径向间隔装药会耗用大量的雷管而且炮孔半痕保持率低。

采用环向不藕合连续装药能基本保证装药沿炮孔全长均匀分布。

使得整个裂缝面沿设计轮廓贯穿，而且该装药孔采用不少于75g底部加强装药能克服因孔深带来的底部夹制作用。

3.2.3起爆时差影响
①光爆孔时差影响
从上面成缝机理可知:单从影响光面效果讲,孔间有一较小时差成缝最为理想，但实践中很难办到的,通常只能采用较高段别的雷管。

从大量光面爆破效果及资料分析,孔间时差对形成光面裂缝有一定影响但不是主要因素。

②光爆孔与主爆内圈孔之间时差影响
实践中可知:预留光爆层会取得极好的光爆效果，原因是光爆层有较好的临空面,岩石有充足的移动空间,由此可知光爆孔与内圈孔间时差大一点对形成较规则的轮廓有好处，但时间过大会由于先起爆的炮孔所产生的飞石可能打断后面迟发炮孔导爆管出现拒爆或带管等现象。

另一方面当拱部的岩石完全落下，对边墙孔形成光爆条件也产生相应的影响。

3.2.4主爆孔的爆破效果影响
主炮孔的进尺、爆破范围直接关系到光爆孔，倘若主炮孔未按预留设计范围爆破将出现两种情况：一是加大周边孔光爆层厚度，二是减少了光爆层厚度，由前面分析可知主爆孔爆破效果直接关系到光爆层的爆破效果。

3.2.5工程地质影响
隧道内围岩的可爆性、走向、产状、倾角、发育程度、是否有断层、褶折、夹层以及水文等情况密切相关。

实践证明：凡均质岩石均可取得良好的光爆效果，对在不良地质的情况下进行光面爆破若无特殊措施，其效果不甚明显。

3.2.6钻孔精度影响
上面分析的各主要因素都能通过试爆或在实践中逐渐加以完善,总能找到较切合实际的钻爆参数.然而有了这些参数最终只能通过现场钻孔这一特殊操作来体现。

大量实例证明钻孔精度是关系到光面爆破的成败因素。

凡是有较高开挖水平的群体他们所施工的隧道无论是在哪种情况下，均能获得较好的光面爆破效果；凡是队伍素质较差的群体无论你在这方面作出多大的努力，只要达不到钻孔精度，光面爆破都不能取得较好效果。

钻孔误差满足不到设计要求，改变了光面爆破参数，如打爬眼这不但会增大光爆层的厚度W而且爆后容易出现超挖；又如不平行会改变两孔的间距E，以致裂缝贯不通或改变成缝方向；再如一开始挂眼不准确加上钻进过程中方向偏差掌握不好，再加上岩石的附加偏差一影响，相邻两孔根部的实际间距满足不了形成光面爆破的最佳参
数。

从大量现场光面爆破较好的隧道看出：周边孔的钻孔精度是相当高的；质量差的光面爆破不是出现钻孔成外八字就是内八字形状或锯齿形状。

4 提高光面爆破效果的具体措施
4.1 合理选择孔网参数
①孔间距E：
1.0
④外插值
光爆层厚度W要计入外插值，如右图示，取值在3～40左右，或按3～5cm/m进行考虑。

4.2 合理选择装药参数
ρσσστ•••+•••+••=L E D L E W E d q e
e e
)][]([][][785.02① 平均线装药量q=0.1～0.35Kg/m 或按经验公式:
进行比较选择。

软岩取小值，硬岩取大值，式中符号意义同前。

② 底部加强装药
中深孔爆破，为克服孔底夹制作用的影响，通常装不少于75g 加强装药。

③ 装药密度ρ
对乳化类炸药ρ=0.9～1.1g/cm 3。

④ 药卷规格
药卷直径Ф=32mm,长度可向厂家订购。

⑤ 选用中等爆速的炸药，其爆速不应大于3000m/s 。

4.3 装药工艺
采用环向不藕合装药工艺。

4.4 合理确定不藕合系数
通常η=1.5～2.0效果较好，采用φ42钻头应选φ32的药卷。

4.5 保证足够的钻孔精度
钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素，这是确保光面爆破的前提条件，尤其是坚硬岩石尤为重要。

准—挂眼准确； 平—指各孔力求平行； 直—指炮孔与齐头尽量垂直； 齐—指各炮孔底部在同一铅
垂面内。

①挂眼(开门)误差:掏扩槽孔不得大于±3cm，其余各孔不得大于±5cm；
②钻孔不平行误差：掏槽孔不得大于±3cm/m，其余各孔不得大于±5cm/m；
③各炮孔底部参差误差均不得大于炮孔深度的10%。

4.6 起爆时差确定
光爆孔与主爆内圈孔的起爆时间差不应小于：75～150ms；软岩取大值，
4.7
形成。

4.8 设导向孔
当局部地质较差时，难以形成光面时，有条件时可在光爆孔间设导向孔或将光爆孔钻成带小槽口的炮孔，这样有利于裂缝贯通。

此种
情况应适当加大炮孔间距而其它参数保持不变。

4.9 适当加密拱脚炮孔的间距
当采用半断面开挖时,拱脚侧受较大夹制作用，布孔时应适当加密炮孔或设导向孔。

设加密孔时,应降低其装药。

4.10 边墙光爆效果
边墙孔岩石移动受阻，在设计孔网参数时边墙、拱顶若采用同一参数，其边墙装药量应适当增加10～20%的底部加强装药。

4.11 预留光爆层
当隧道施工工期不受限制时,可以采用预留光爆层,其优点是:既能降低约20～30%炸药消耗（周边孔装药量）又能根据主炮孔爆破后
4.12
4.13
先决条件。

一些单位将光面爆破的效果作为验工计价的依据，为这一工作的开展起到积极的作用。

5、结束语
地质是基础、光面爆破设计是前提、施工工艺是关键，因此在实
践中应结合不同条件和施工方法将这一已不在是新技术的新技术进行全面推广应用。

这既有利于降低工程成本又有利于维护围岩的自身稳定，确保施工安全。

因此光面爆破称之为新奥法施工的三大法宝之一是最为恰当的比喻。

通过在京沈客专东伍岭隧道出口正洞105个循环的爆破试验，目前取得了良好的效果，隧道开挖轮廓线圆顺，超欠挖符合要求，炮眼痕迹保存率硬岩均大于80%，中硬岩大于70%，并在开挖轮廓线面上均匀分布。

参考文献：《爆破设计与施工》2014年冶金工业出版社
《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10753—2010 J1149—2011。