钻爆法施工技术在隧道工程中的应用

摘要：主要从隧道钻爆法施工常用配套设备、工序流程、技术特点、关键技术和持续发展等方面来表述钻爆法施工技术在隧道工程中的应用。

关键词:隧道工程;钻爆法;施工工序流程；施工技术0 引言由于隧道掘进钻爆法施工(以下简称“隧道爆破)具有经济、高效及对地质适应能力强的明显优势,所以至今仍是我国隧道掘进施工中的最重要和最常用的技术手段。

我国已建成的各类隧道、隧洞计约万座,总延长约7 000 km,其中90%以上是用隧道爆破的方法完成掘进施工的。

可以说,在我国百年以来的隧道建设发展历史中,有很大的篇章就是隧道爆破技术的发展历史。

尤其是最近的二三十年,隧道爆破技术有着“革命性”的变化,为国家基本建设事业立下了不朽的功勋,很值得我们回顾和总结。

通过回顾和总结,能够进一步提高我们传承和发展隧道爆破技术的信心、力量和智慧。

隧道爆破技术虽然已经相当成熟,早为许多人所掌握,但是,如果认真地审视和评价我们现有的技术水平,就会发现隧道爆破技术发展的空间仍然很大,其发展的前途依然光明。

本文试从隧道钻爆法施工常用配套设备、工序流程、技术特点、关键技术和持续发展等方面来表述钻爆法施工技术在隧道工程中的应用。

1我国钻爆法施工常用配套设备为了快速、安全掘进隧洞，国外钻爆法施工通常采用凿岩台车钻孔、锚杆台车安装锚杆、混凝土喷射台车喷锚支护，衬砌台车二次成型衬砌。

这也是国内钻爆法设备的应用发展方向。

下面对此类主要施工设备应用探讨如下：1.1 凿岩台车凿岩台车是钻孔爆破开挖的关键攻坚设备，它机械化程度高、钻进速度快，不仅用于隧洞的凿岩开挖，而且广泛用于钻孔、喷锚支护、灌浆加固中。

现在国内工地上的液压凿岩台车绝大部分从国外进口，主要制造商包括瑞典的Atlas、Sandvik,挪威的AMV公司等。

由于增加了车载电脑，使凿岩台车具有很高的人机对话功能，能在凿岩过程中自动修整凿石参数和自动纪录钻孔数据，可以对岩层进行分析，从而及时调整爆破参数1.2 锚杆台车锚杆台车主要完成隧洞的锚杆安装，加固洞室顶拱与边壁的岩石。

锚杆台车是当今先进的锚杆施工机具，钻孔、安装锚杆、注浆，甚至摘取锚杆各工序均由自行台车上的遥控机械手（液压支臂）进行。

工作高度可达10余米，装设一根锚杆耗时约2～7 min,每班可装100余根。

目前国内工地上使用的有瑞典的Atlas、芬兰的Tamrock等锚杆台车产品。

1.3 喷射台车喷射台车是隧洞喷射混凝土支护的核心设备，它将喷射混凝土技术和注浆锚杆结合起来，依靠锚杆、钢丝网和喷射混凝土共同负荷来提高隧道、基坑、边坡岩体的结构强度，增强岩体的整体稳定性。

喷射台车利用压缩空气或其他动力，按一定配比拌制混凝土沿管路输送至喷头，以较高速度垂直喷射于受喷面，依赖喷射过程中水泥与骨料的连续撞击、压密而形成的一种混凝土。

喷射台车是一种新型喷射支护施工设备。

现在主要生产混凝土喷射台车的厂家是：瑞典斯塔比莱托（Stabilator）、瑞士的Meyco potenza、瑞士阿利瓦（Aliva）、法国诺麦特（Normet）公司、德国普茨迈斯特（Putzmeister）公司及日本三井三池公司等。

1.4 隧道挖装机装碴运输工序是钻爆法隧洞施工中占用工期最长的工序，对整个钻爆工程进度有直接影响，为了保证施工进度，施工单位在出碴工序都配有较多的机械化出碴设备，对于单线隧道，由于空间小，隧道挖装机的快速、高效得到充分的展示，是单线隧道快速施工的必配设备。

目前国内市场以Terex旗下的Schaeff隧道挖装机运用最为广泛。

1.5 衬砌台车衬砌台车是二次混凝土衬砌作业的成型设备，可保证隧道边开挖、边衬砌，确保提高衬砌速度、降低劳动强度。

衬砌台车整机行走采用电机-机械驱动，模板采用全液压操纵，利用液压缸支（收）模机械锁定，混凝土全部采用混凝土泵车灌注。

在台车架上部和模板之间留有空间供安装隧道通风管道用。

对于有瓦斯的隧道衬砌，产品电气系统按照瓦斯隧道防爆规范要求进行设计和安装，确保使用安全。

2隧道钻爆法施工工序流程2.1施工工序流程图钻爆法隧道施工工序流程图见下图1。

图1.隧道钻爆法施工作业流程图2.2施工工序说明岩石爆破、岩石开挖是钻爆工法的第一道施工工序，也是最基本最重要的施工工序。

岩石破碎方法一是使用炸药的爆破方法，另一种是使用机械的切削掘进的方法。

选择爆破的方法还是选择机械开挖的方法，应该根据地质条件而决定。

既要保证被开挖空间岩石的稳定，又要减少对被开挖空间岩石的扰动。

爆破岩石首先需要对岩石进行钻孔。

钻孔所使用的机械有空气式凿岩机和液压式凿岩机。

由于液压式凿岩机的工作效率比空气式凿岩机高，特别是钻孔时液压式凿岩机所产生的粉尘少，故而得以普及。

液压式凿岩机与凿岩台车组合不但机动性强，同时一台凿岩台车上不但可装设一台凿岩机，同时可装设伸缩臂式吊篮，大幅度提高了作业效率和使用范围。

岩石破碎后的清理又称出渣和运输，其目的是迅速将开挖的碎石装车运出洞外。

出渣和运输是由一系列的机械编织组合而成的施工环节。

该环节几乎占全部开挖作业时间的一半以上，它控制着隧道的施工进度。

正确的选择出渣和运输方案是加快隧道施工速度的关键。

隧道施工洞内的清理出渣机械最初多使用立爪式装渣机和翻斗式装渣机。

这两种机械的优点是结构简单、造价低、动力装置采用电力驱动，因此不会造成对洞内空气的污染。

缺点是作业效率低，作业装置只能进行装渣作业，而对洞内碎石的清理较为困难。

蟹爪式装渣机也曾被用于隧道的出渣作业。

目前这三种机型在隧道内使用的都比较少了，主要原因是工作效率低。

在一些大断面隧道施工中，装渣多使用短臂式正铲挖掘机和轮式装载机。

这两种机型最大的优点是机动性强，作业效率高。

但因为是内燃机驱动，燃油废气会污染洞内的空气，对人体造成危害，对洞内的环境造成污染。

特别是轮胎磨损严重，适用各种工法的能力较差。

近年来爆破后碎石的装渣清理作业出现了电动式挖装机。

由于该机的出现不但提高了施工效率，同时也创造了良好的施工作业环境。

电动式挖装机是由液压反铲挖掘机的工作装置和输送带有机的结合为一体的新型隧道施工机械。

爆破后的碎石需要向洞外搬运，其搬运的形式分为有轨运输和无轨运输。

有轨运输在洞内铺设轻轨线路，用轨道式运输车辆出渣。

无轨运输多采用自卸卡车。

有轨运输的优点是经济效果显著，缺点是轨道铺设较复杂，维修工作量大，调车作业复杂。

无轨运输的优点是机动性强，运输速度快，管理工作简单，缺点是内燃机在洞内排放大量油气混合物，对环境、人体造成污染。

近年来隧道内出渣作业出现了自行伸长式皮带输送机。

使用这类机械的最大优点是减少或消除了洞内空气的污染，减少了振动、噪声、保障了施工人员的安全，但增加了工程费用。

挖掘后的隧道需要实施支护，其目的是向被开挖的空间的周边提供抗力，控制或减少空间岩体的变形。

支护技术分为两类，即初期支护和二次支护。

在开挖岩体时，由于爆破对岩体所产生的拉力、振动、冲击、或使用机械进行切削时对岩体所产生的振动，挠动等现象所引起被开挖空间周边的岩石产生不稳定现象，如变形等。

为了增加被开挖空间周边岩石的稳定性和安全施工所实施的支护加固称作初期支护。

初期支护的方法，一般多采用锚杆、喷射混凝土、钢架、钢筋网等。

初期支护实施后即成为永久性承载结构的一部分。

在地质条件较恶劣的地带建造隧道时，开挖面掌子面不能自稳时，多采用预加固和预支护的施工方法，以控制和减少被开挖空间周边的变形、坍塌，这称之为超前支护。

超前支护通常使用的施工方法是打入锚杆，钢管或注入锚固剂、砂浆等。

二次支护多称二次衬砌，它是在被开挖空间所实施的一次支护基本上稳定后，为了隧道空间永久性的稳定和安全以外美化外观而实施的支护。

二次衬砌多采用模板的形式，然后向模板与被开挖空间周边的缝隙灌注混凝土。

为保证衬砌的质量，衬砌的施工顺序为自下而上进行连续灌注。

3技术特点隧道爆破是沿着隧道设计轴线的方向,按照预定的开挖断面尺寸,循环进行钻岩、装药、连接、起爆和清渣的作业过程。

因此隧道爆破既符合所有工程爆破的共同规律,但又有其独特的技术方面。

3.1 隧道爆破宜采用工程类比的技术方法隧道爆破在地下进行,爆破介质是岩土,其爆破效果受岩层产状、结构、岩石物理力学性质和水文地质的影响极大。

有时还要受到地形、地貌、和周边环境条件的制约。

在一般情况下,其单位爆破用药量应该是由岩石坚硬程度Rc、岩石完整性指数Kv、岩层产状影响ASD和爆破作用指数n等多种因素共同决定的复杂函数。

q=f{Rc,Kv,A SD,n}但是,由于岩层厚度分布不均,岩石力学参数的不连续性以及地质构造形态和地层应力的影响,实际情况远要比理想化的数理模型复杂的多。

所以,隧道爆破技术问题的解决多是采用工程类比的方法。

3.2 隧道爆破具有孔眼爆破的基本特性在20世纪80年代以前,隧道爆破孔眼的深度一般在3m以内,炮孔直径在40 mm以内,属于浅孔爆破的范围。

之后,采用多臂液压凿岩台车钻孔,出现了5 m左右的炮孔深度,炮孔直径接近50 mm,称之为“深孔爆破”。

由于孔眼内爆炸过程中先后生成的爆轰波和药体之间的相互作用,炸药在细长的孔道里爆炸会产生所谓的“隧道效应”,即有可能出现后部药卷熄爆或被“压死”拒爆,对爆破效果影响很大。

相应地深孔爆破的“隧道效应”会更加突出。

因此隧道爆破对炸药的品质、装药结构和起爆方式有特定的技术要求,特别是深孔爆破更需如此。

3.3 克服隧道断面边角处地层对爆破的“夹持”作用处于隧道断面周边的炮孔,其爆破效果要受到地层夹持的影响。

因此隧道爆破在实际操作中会对周边炮孔的方向和位置在断面设计轮廓线附近进行适当地调整。

隧道爆破设计中叫做周边孔的“外插角”。

如不这样处置,隧道开挖断面会在地层夹持的影响下,逐步缩小,形成“锅底”状。

所以隧道光面爆破要受到周边孔外插角的制约。

从隧道开挖横断面来看,炮孔的位置和外插角是隧道光面爆破外观和超、欠挖最重要的影响因素。

沿着与隧道纵轴线平行的周边来看,外插角会造成隧道开挖面呈“锯齿”状起伏变化。

3.4 隧道爆破是多种爆破技术在同一开挖断面上的集成在隧道开挖的同一断面上,钻爆操作可分为掏槽炮孔、掘进炮孔、周边炮孔和底边炮孔4个部分有序进行。

每个部分在隧道爆破掘进中的功用不同,爆破设计的参数也不同。

如掏槽炮孔属于粉碎及挤压爆破,需要集中爆能在岩层中开辟出新的临空面;掘进炮孔属于抛掷爆破,将岩石从母体上逐层剥离,并形成需要的块度和理想的岩堆;周边炮孔要达到光面爆破或预裂爆破的效果;底边炮孔不仅要克服隧道底角地层的夹持阻力,还要有“翻渣”的作用,使得清渣作业能够顺利进行。

有时,底边炮孔处于隧道断面下方的积水之中,还要考虑到爆破器材会受到积水浸泡的影响。

3.5 隧道爆破的起爆顺序和爆破网路由于隧道爆破要在限定的断面范围内按照合理的程序实现上述不同功用的破岩作业,所以隧道爆破设计对各个炮孔的起爆顺序和时差的要求相当严格。