上坡地隧道光面爆破设计三级围岩

上坡地隧道右线爆破工程
技术与施工组织设计
中南大学
苏交科集团股份有限公司
2015年5月11日
1工程概况
1.1隧道工程概况
上坡地隧道位于盘县上坡地村山体中上部，左线起讫里程为Z1K7+117～Z1K7+343，全长226m；右线起讫里程为K7+129～K7+351，全长222m；建筑限界净空（宽×高）尺寸为10.25×5.0m，隧道进口轴线方向116°，最大埋深不足45m，属浅埋短隧道。进口接背武甲特大桥，出口接路基段。
3）这样一来，我们把上台阶起爆的次数由6次改成了11次。实际起爆分为两个程序进行：1~5次为第一个程序，6~11次为第二个程序。两个起爆程序中间由150msd的孔外延期雷管进行接力传递，一次激发起爆成功。同样，下台阶1~6次为第一个程序，7~12次为第二个程序。这时一次齐爆的最大药量由9.72kg减为2.16kg，见表4、表5。
图7掏槽眼装药结构
3.3爆破安全设计
安全是爆破工程的关键环节，爆破产生的不安全因素，必须进行有效地控制。根据甲方提出的安全要求和国家爆破安全有关规定进行如下设计。
3.3.1安全距离验算
R安全=（K/V安全）1/aQ1/3
其中，V安全——安全允许震动；
Q—一—次爆破所允许的最大药量（kg）；
R安全——爆破震动安全距离（m）；
2）非电微差起爆网络设计
爆破震动与同段起爆的炸药量密切相关，采用非电毫秒延期起爆技术，不但控制单段雷管的起爆药量，又有效地控制每段雷管间的起爆时间，使爆破震动波形不叠加。这样既保证岩石破碎达到理想爆破效果，又能消除爆破震动的有害效应。为了施工中操作方便，采用孔内延期的网络起爆。各开挖分步起爆网络及起爆顺序。
d单孔药量
各单孔药量根据各炮孔作用不同采取合理的药量，详见爆破参数及装药分配表。
e各炮孔布置
①掏槽眼的布置
掏槽形式均为中空孔楔型掏槽，孔口距为1500mm，孔底距离为400mm。掏槽眼的钻孔深度为2.2m。掏槽眼的炮孔布置如图2。
75cm
20cm
20cm
75cm
2.2m
图2掏槽孔布置图
②辅助眼的布置
掏槽眼，辅助眼，底板眼采用孔底集中装药结构，并采用炮泥全长堵塞。周边眼采用间隔装药结构，每个药卷插起爆雷管，并加强孔口堵塞。图3为各类炮眼装药结构图。
图3各类炮眼装药结构图
5）起爆顺序
本工程采用光面爆破技术，各炮孔起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼由里向外逐层起爆。
6）起爆网络的联结
起爆网络的联结采用导爆管—非电雷管的起爆网络。各炮孔采用非电毫秒雷管微差起爆技术，不但控制单段雷管的起爆药量，又能有效地控制每段雷管间的起爆时间，使爆破震动波不叠加。这样既能保证岩石破碎达到理想爆破效果，又能消除爆破震动的有害效应。为了保证后起爆的网络不被先起爆的炸断，多采用孔内微差的起爆网络。在掏槽眼、辅助眼、底眼及周边眼中，每相邻段别雷管间隔时差为不小于50ms，即每次爆破相邻两段别。装药量较大的起爆雷管采用国产系列（15段）非电毫秒雷管，这样可以使爆破震动速度降低30%；距离保护目标部分较近区域内，孔内采用ms-1、3、5、7、9－15段雷管延期，实现分部逐孔起爆，从而控制爆破震动。如图4。
5）确保工期。精心组织，精心施工，确保按期完工。
3爆破施工总体方案
本工程主要为隧道爆破。隧道爆破限于作业空间小，采用人工风枪钻孔开挖，钻孔直径φ40mm。掏槽眼、辅助眼的装药采用φ32mm的乳化炸药；周边眼采用光面爆破技术，不耦合装药，也可以采用φ32mm的药卷，但要加大药卷间的距离，以保持设计规定的线装药密度，每个药卷插起爆雷管。炮孔眼口采用砂与粘土拌制的炮泥堵塞。
2）二叠系下统茅口组(P1m)：灰色、灰黑色灰岩夹黑色片状泥灰岩或钙质页岩；茅口组岩性主要为浅海相灰岩，灰黑色燧石灰岩，夹薄层燧石，中厚层—块状，以中风化为主。
1.4工程要求
1）安全要求：爆破时，保证周围建构筑物及现场人员的安全。
2）工期要求：按建设方要求的工期完成全部爆破工程并验收合格。
3）质量要求：爆破粒径合格，便于铲装运输。
为了确保地面建筑物和地下构筑物的安全，防止隧道上方软岩因震动引起坍塌和洞内初期支护的震动破坏，必须严格控制爆破震动，使隧道爆破对地面建筑物及周围环境的影响控制在规范要求范围内。
1）炸药选型
理论和实践证明，炸药爆速对爆破质点震动速度有直接影响，爆速越高，爆破产生的震动越大。因此本工程选用爆速低的乳化炸药。
（3）由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸药能量的外泄，炸药能量充分利用在爆破岩石上，使得爆破效率提高，减少了炸药的消耗，提高了隧道开挖的经济效益。
3.2.2上坡地隧道水压爆破设计
水压爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方案基本相同，只是在装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。
（1）爆破器材
根据施工中常用的爆破器材、现场设备的选用，以及水压爆破的特殊要求，爆破器材选用直径为32的防水乳化炸药，并采用电雷管和导爆管雷管作为起爆器材。炮孔内所用水袋及堵塞材料都由专用机械加工而成，长度约为20cm。
隧道爆破要遵循以下原则。弱爆破，短进尺，强支护。弱爆破指爆破时必须采用毫秒延期控制爆破，控制爆破震动对围岩的扰动，确保围岩稳定。短进尺指每循环开挖深度要小，在确保施工安全的情况下，开挖深度选择在1～3m为宜。强支护指爆破后立即进行初期支护，确保后续循环作业的施工安全。
隧道光面爆破流程见图1。
图1隧道光面爆破施工工艺流程
（1）炸药在爆炸时产生的冲击波，在水中的衰减速度要远远小于在空气中衰减的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸药产生的冲击波通过水袋直接作用在岩石上，大大的减少了炸药能量的消耗，提高了炮眼利用率。
（2）炮眼中的水袋，在炸药爆炸的作用下，会产生“水楔”效应，有利于围岩的进一步破碎，减少爆破产生的大块率。堵塞水袋在爆炸的作用下会产生雾化作用，可以吸收粉尘，降低爆破后的粉尘浓度，减少了爆后对环境的污染。
3.1隧道爆破钻爆设计
隧道周围围岩情况复杂，须根据开挖后岩石出露情况采用合理的爆破开挖方案。
单线单洞隧道爆破采用全断面上下台阶法施工。上台阶开挖：采用短进尺弱爆破减震开挖，尽可能减少爆破对隧道的影响。掏槽眼设置在爆破掌子面的中部，爆破每循环进尺为2m（详见钻爆设计图）；全断面开挖：采用短进尺弱爆破减震开挖，爆破每循环进尺为2m（详见钻爆设计图）。
2编制依据及原则
2.1编制依据
1）国务院：《民用爆炸物品安全管理条例》(2006.9)
2）国家标准局：《爆破安全规程》(GB6722-2003)
3）建设部：《施工机械安全操作规程》
4）现场勘察资料
2.2编制原则
1）认真贯彻国家对工程建设的法律、法规要求，严格遵循技术标准、规范和甲方的有关规定。
2）充分理解设计意图，分析本工程的特点和难点，强化过程控制和工序管理。合理安排施工工序，确保工程顺利施工。
W=75cm，孔距E=（0.7～1.0）×W，取60cm，对于坚硬和破碎岩石取小E值，对于较软或完整性好的岩石取大E值。
④底板眼的布置
底板眼的眼底也须落在设计轮廓线以外5cm～10cm左右，并与辅助眼、周边眼的眼底落在同一垂直面上，而且采取较大的炸药单耗，有利于克服上覆石渣的压制并起到翻渣作用。
4）装药结构及堵塞
K———与爆破场所有关的系数；
a———与地质有关的系数；
参照爆破震动安全允许标准可以取V安全为10，并且K值为200，a为1.7，Q为199.32，则
R安全=（K/V安全）1/aQ1/3=（200/10）1/1.7×199.321/3=34m
右线距离电塔50m，在安全爆破安全范围。
3.3.2小近距隧道爆破时的震动保守防护措施
39
2
1.2
1
39
5
15
底板眼
18
2
1.2
0.5
9
合计
167
161.2
本表设计是依据类似围岩的经验取得，实际施工中应根据具体围岩情况逐步调整。
上下台阶法钻孔布局及起爆顺序见示意图5。
图5光面爆破设计图
3.2隧道水压爆破设计
3.2.1隧道水压爆破理论
隧道水压爆破是利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，十分有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。
在小近距隧道爆破时，由于双洞距离较近，为确保前洞推进并支护修筑以后，后洞爆破时不会给前洞造成震动危害，必须采取相应的减震及防护措施。
主要减震及防护措施如下：
1）将循环进尺降为1.0m，这时的单孔装药量降到了原来的55%。
2）把每段药量超过2.16kg的部分都再次分为2段，这样每一次齐爆的最大药量就只有2.16kg。
起爆
顺序
雷管
段别
炮眼名称
炮眼个数
孔深（m）
炸药单耗（kg/m3）
单孔药量（kg）
每段药量（kg）
中空眼
1
2.2
1
1
掏槽眼
4
2.2
1.5
1.75
7
2
3
扩槽眼
6
2
1.2
1.2
7.2
3
5
辅助眼
20
2
1.2
1
20
4
7
辅助眼
53
2
1.2
1
53
5
9
辅助眼
13
2
1.2
1
13
6
11
辅助眼
13
2
1.2
1
13
4
13
周边眼
1.3地层岩性
根据区域地质资料、野外地质调查并结合钻探、物探成果，隧道地层从上至下为：第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)、二叠系下统茅口组(P1m)。现分述如下：
1）第四系残坡积层(Q4el+dl)：以粘土夹含碎石土为主，夹角砾，棕褐色，褐色，可塑、松散，干强度中等，韧性中等，碎石含量55～60%，隧道出口处较厚平均约10.5m。
（2）炮泥制作
炮泥采用PNJ-A型炮泥机加工。这种专门为水压爆破研制的炮泥机，结构简单，操作方便，两个人每小时可制作约500根炮泥。
制作炮泥可就地取材，节约成本，按照土：砂：水=0.75:0.1:0.15的比例制作。制作好炮泥放置时间不宜太长，最好在使用前1～2小时制作好，炮泥应不软也不硬，软了捣固时容易挤压出炮眼口，硬了捣固时不易把炮泥捣固碎，堵塞不坚实。
3）爆破参数的确定
a孔径
由于钻孔机具选用凿岩机（风枪）钻孔，炮孔直径为40mm。
B炮眼深度
隧道及横通道掘进每循环进尺为2m，根据施工情况调整。
c炸药单耗k值的确定
参照有关工程实例，隧道爆破中实际采用的炸药平均单耗k值取0.8～1.5kg/m3之间，本工程根据不同岩性以及开挖部位不同选取不同的的k值，根据本工程实际单耗量取1.4kg/m3。
（3）装药结构
1）周边眼采用空气间隔、不耦合装药，采用导爆索起爆，将导爆索插入空底药卷内，炸药均匀分布装入炮孔内。为克服底部炮眼的阻力，一般将底部药量稍微加大。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水带，并在装药结束后再装入2节水袋，再进行堵塞。（如图6）。
图6周边眼装药结构示意图
2）掏槽眼、辅助眼、底边眼等采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷，聚能穴朝孔口方向。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水带，并在装药结束后再装入2节水袋，再进行堵塞。其结构如图7。
图4非电雷管的起爆网络图
7）以上爆破参数见装药分配表
表1隧道爆破参数及装药分配表
爆破参数
单位
数值
周边眼间距
cm
60
周边眼抵抗线
cm
75
掏槽Fra Baidu bibliotek间距
cm
75
掏槽眼抵抗线
cm
75
辅助眼间距
cm
80
辅助眼抵抗线
cm
80
底板眼间距
cm
75
底板眼抵抗线
cm
75
炸药单耗
kg/m3
0.8～1.5
表2隧道装药分配表（以孔深2m计）
1.2地形地貌
上坡地隧道从斜坡上部穿越山体，出口位于上坡地村附近，隧道穿越山体地属中低山区。山体雄浑，地形坡度相对较陡，一般25～45°。隧道进口段，斜坡坡度33°，见基岩出露，局部分布较薄的第四系松散堆积层，其上植被发育较好，以灌木为主；出口段地形坡度26°，但其后缘斜坡高陡，基岩裸露，可见表生溶蚀现象较发育，溶蚀裂隙及溶沟多发育，岩体较破碎。隧道出口大里程方向为上坡地村，地貌为较缓的岩溶槽谷，其地表覆盖层较厚。
由于辅助眼的作用是为了进一步扩大槽口体积和爆破量，为周边眼创造有利的爆破条件，所以辅助眼的布置应由内向外，逐层布置，逐层起爆，逐步接近开挖轮廓线。孔距E=（0.6～0.8）W；炸药单耗k值取较大值，并采用孔底连续装药结构。
③周边眼的布置
周边眼的布置一般沿设计轮廓线均匀布置，为了控制超欠挖以及便于下一次钻眼时好落钻孔眼，应将炮眼方向以3%～5%的斜率外插，对于中硬岩石及硬岩，眼底应落在设计轮廓线以外10cm～15cm。
3）安全第一。建立、健全安全管理责任制度，特别是落实好安全措施和防护，使所有施工活动处于安全受控状态，确保爆破对周围建（构）筑物不产生损害、确保工程施工中不发生任何安全事故。
4）质量第一。优化爆破施工方案，采取切实可行的技术措施；严格按质量保证管理体系的要求做好施工过程的质量控制和检查，以确保工程质量目标的实现。