20隧道钻爆法开挖设计与施工技术

3-1-20 隧道钻爆法开挖设计与施工技术1 前言1.1 概述钻爆法是工程活动中石方开挖的传统方式，在明山及地下工程施工中广泛使用。

在隧道施工中，钻爆法具有施工组织简单、容易掌握，对地质条件适应性强，开挖成本低的特点。

尽管掘进机在许多国家已被广泛使用，但从长远来看，钻爆法仍将是修建岩石隧道的主要方法。

采用钻爆法开挖隧道，其施工进度、工程质量都与爆破技术密切相关。

提高爆破循环进尺、降低爆破成本，减少对围岩的扰动是隧道爆破的重点。

隧道爆破是单自由面条件下的岩石爆破，关键技术是掏槽以形成掘进方向的爆破临空面，从而提高爆破循环进尺和炮孔利用率。

对工程质量而言，尽量减少对围岩的扰动是十分重要的，因此隧道周边的光面爆破是隧道爆破的另一个关键点。

成功的隧道爆破应该做到：爆破进尺达到预期效果，掌子面平整，岩碴块度适宜装运，周边轮廓平顺，超欠挖符合要求，围岩稳定。

1.2 适用范围适用于钻爆法施工的隧道开挖。

2 施工工艺2.1 钻爆法开挖工艺流程钻爆法开挖工艺流程见图2-1。

2.2 爆破设计在钻爆方案设计时通常按图2-2程序进行。

图2-2 爆破设计程序图2.2.1 全断面或上半断面掘进爆破设计隧道爆破开挖根据其断面大小、地质情况，分为全断面一次开挖成型及分部开挖成型。

无论采用何种方式，最先爆破开挖的部份都必须进行掏槽爆破，这是隧道爆破的关键。

掏槽对钻爆技术要求较高，炮孔数较多，炸药消耗也较大。

循环进尺控制：一般来说，Ⅴ级围岩循环进尺控制在0.8～1.0m、Ⅳ级围岩循环进尺控制在1.5～2.0m；Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面爆破，炮孔深度以不超过4.0m为宜，手持风钻不宜超过3.5m，液压台车不宜大于4.5m。

隧道爆破炮孔（眼）一般分为：掏槽孔（眼），掘进孔（眼），周边孔（眼）。

图2-1 掘进流程框图⑴掏槽眼设计掏槽方式通常分为直眼掏槽和斜眼掏槽两类。

掏槽方式的选定需要考虑以下几方面条件：开挖断面的几何尺寸，地质条件，设备情况，钻眼爆破水平，对开挖的技术要求等。

一般来说，手持凿岩机施工常采用斜眼掏槽，凿岩台车施工一般采用直眼掏槽。

两种方式的适用条件对比见表2-1。

表2-1 直眼掏槽与斜眼掏槽对照表1) 直眼掏槽直眼掏槽是借助于不装药空孔作为临空面，掏槽各装药孔向空孔按一定起爆顺序爆破而逐渐形成槽腔，其后掘进孔再向槽腔按一定顺序爆破。

直眼掏槽一般有以下几种形式：龟裂直眼掏槽，五眼梅花小直径中空直眼掏槽，螺旋形掏槽，菱形掏槽，无空眼直眼掏槽以及大直径中空直眼掏槽等。

大直径中空直眼掏槽一般在采用凿岩台车等重型设备钻眼时使用，通过较大直径的中空眼，逐渐扩大形成槽腔。

常用的有单螺旋掏槽，双螺旋掏槽，对称掏槽等几种形式，如图2-3所示。

图2-3 大直径中空直眼掏槽布置形式示意图为避免掌子面因掏槽区过度破碎带来卡钻事故，前后两茬炮的掏槽孔采取绕中线左右交错布置，整个掏槽孔位置布置在掌子面中线一侧略偏下部位。

大直径中空直眼掏槽中心空孔根据岩石的可爆性及孔深等要求，一般设置2～4个，其孔径不小于64mm，装药孔到空孔间距一般控制在1.5～2倍孔径。

根据经验常按表2-2进行设计。

表2-2 中空大直径直眼掏槽爆破参数表2) 斜眼掏槽斜眼掏槽有单向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽等形式，目前常用的是水平楔形掏槽。

水平楔形掏槽通常是利用多对斜向炮孔同时对称爆破而形成楔形临空面，之后各孔向该临空面爆破。

如果爆破进尺要求较大，在断面允许的情况下，可以采用多重楔形掏槽。

楔形掏槽参数与炮孔夹角、间距及掏槽眼的对数相关，根据经验常按表2-3进行选择。

表2-3 楔形掏槽参数表⑵掘进孔设计参数Ⅱ、Ⅲ级围岩的掘进孔间距通常控制在a=0.6～1.0m，岩石爆破移动方向间距不大于0.8m；垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.2m，通常在0.8～1.2m取值。

Ⅳ、Ⅴ级围岩的掘进孔间距通常控制在a=0.8～1.4m，岩石爆破移动方向间距不大于1.0m；垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.4m，通常在1.0～1.2m取值。

⑶周边孔设计参数一般情况下，周边孔间距E=0.45～0.65m。

在软弱破碎围岩洞段施工时，结合围岩构造发育情况对周边孔作合理布置，通常要求孔位内移5～10cm，间距按40cm左右考虑。

对均质、可爆性好的围岩可放宽至70cm，通常中硬及以上岩石取55～60cm，软岩45～50cm。

炮孔密集数m=W/E=0.5～1.0，通常按m=0.8取值来确定光爆层的厚度，软岩m=0.5～0.7，完整岩石m=0.8。

周边孔的外斜角度不大于30，且外斜值不大于20cm，计算最小抵抗线要计入该影响值。

⑷爆破网路设计1) 爆破网路设计原理网路。

导爆管雷管网路根据掏槽类型、断面大小、振动要求，常使用多段位的非电雷管。

目前国产有毫秒级、半秒级及秒级以及高精度多段位雷管。

但随着生产技术的发展，非电雷管段别已发展到60个段别以上，实际使用时可根据实际情况选用。

建议一般隧道爆破使用第一系的ms1～25段即可，在瓦斯隧道中爆破，雷管总延时不超过130ms，且只能使用电雷管。

当采用普通非电雷管时，选用毫秒与半秒差雷管相结合，有条件时与厂家联系定做高精度雷管，时差满足减振要求，即段间时差与合理微差时间相一致的原则。

全断面起爆网路设计时，雷管除ms2段可不选用外，一般均可连段使用雷管。

在对振动控制要求较严格的地段，可根据要求选择是否跳段使用雷管。

对要求进行弱爆破的地段，根据现场监测记录曲线，合理选择孔间时差满足大于或等于主振周期的3倍及以上。

在无监测仪器的情况下，根据地质、环境、允许振速的要求、炮孔所在部位等情况按（60～110）ms选取。

软弱围岩、孔深＞1m可在（90～110）ms取值，中硬以上围岩、浅埋隧道、浅孔＜1m时在（60～90）ms取值。

全断面掘进的Ⅱ、Ⅲ级围岩非电雷管连段设置即可。

无论何种条件，首先起爆的第一个孔与第二起爆孔之时差至少要大于75ms，光爆孔与内圈孔时差不小于150ms。

4) 网路的击发网路击发可使用8#工业火雷管、击发枪击发导爆管雷管、导爆索击发导爆管、电雷管击发导爆管，但归根到底都为雷管击发。

隧道常使用8#工业火雷管击发，但在瓦斯隧道的爆破施工中必须使用电雷管击发网路，严禁使用其它击发方式。

⑸装药设计1) 装药几何参数①药卷直径：常选择φ25、φ32、φ35、φ40四种规格，具体选用根据钻孔直径与孔深确定。

②装药密度：ρ=0.9～1.2g/cm3。

③周边孔选用低爆速炸药，药卷直径为φ25，ρ＜1.0g/cm3。

水平炮孔的间距a=1.2～1.5m、最小抵抗线W=1～1.2m；中间各孔间距原则上控制在1～1.2m、排间距控制在0.8～1.0m；底板孔间距不大于1.0m。

下部周边孔严格按光爆孔布置，但因不同于全断面爆破，因此周边孔间距可适当比全断面爆破布孔时的边墙布孔略大，但一般不超过60cm。

炮孔深度控制在3～4m，若钻孔精度有保证，则可放宽到5m。

⑵装药参数设计单孔装药量按体积法进行计算，炸药单耗控制在0.5～0.8kg/m3；周边单孔平均线装药控制在0.07～0.25kg/m。

药圈规格、装药方式同上部开挖。

⑶网路设计总体上按梯形起爆顺序进行网路布置，但周边应该分组同段安排起爆，以利提高光面爆破质量。

2.3 钻爆法施工技术2.3.1 钻孔施工技术⑴凿岩台车1) 台车类型及钻孔操作目前，台车已经从普通台车发展到半电脑台车和全电脑台车。

普通台车全靠司机操作，但这类台车设置了简易的控制钻孔精度的各种操作手柄，可凭司机的经验进行操作；半电脑台车能够借助参考系实现自动定位和在人工控制下实现按设计图进行钻孔操作，同时在电脑失去作用时，可按普通台车进行操作；全电脑台车在原理上比半电脑台车更好，几乎完全借助于参考系进行自动钻孔，但隧道的环境（比如潮湿环境的影响）限制往往不能如愿，一旦电脑失去作用后，仅一个操作台控制各臂，在这种情况下使用得不偿失。

装有电脑操作系统的台车可以解决钻孔精度问题，当操作者水平达不到要求时，建议选择；如果钻孔经验丰富，不缺操作人员，则可选择普通台车。

两类电脑台车完全可以实现钻孔的各种操作要求，严格按图钻孔施工。

普通台车常因钻孔精度达不到要求而导致过量超挖，甚者平均径向超挖达到30～50cm，若用砼回填，其带来的成本增大不可小视。

台车钻孔的速度及精度与台车的设计及台车司机的操作技能直接相关，其精度及钻孔速度远高于手持风钻钻孔。

但不管如何，在钻孔精度的控制上，人工手持风钻和台车的操作要领是一样的，即钻孔必须做到“准、平、直、齐”：准—开孔准确、直—炮孔垂直掌子面、平—各炮孔相互平行、齐—炮孔根部位于同一铅垂面上。

2) 设备维修保养台车维修与保养是个极其重要的环节。

必须设随机保养司机，加强日常维护与保养，并根据其运行状况，定期进行维修，以提高台车的完好率与使用率。

⑵支腿式凿岩机（风钻）支腿式凿岩机由人工控制，使用比较灵活，可同时使用多台以提高工作效率。

但其工作环境远比台车差，尤其是噪音、掌子面水雾等。

但因其使用技术容易掌握，成本低，配件多为国产，供应有保障，维修方便，辅助工作简单，因此比较常用。

手持风钻打眼一般利用作业台架操作，通常采用斜眼掏槽爆破，因此配置长短钻杆完成掏槽眼的钻孔。

要保证钻孔精度，可设置专门的领钎工指挥钻孔，原则上单台钻安排一个人持钻，在同层平台上多安排一个人指挥钻孔和帮助在开孔时扶钎。

2.3.2 爆破施工技术⑴布孔要求1) 中心掏槽孔布孔误差不大于±3cm。

2) 其余各孔不大于±5cm。

若遇挂眼困难，炮孔位置可适当调整，但必须保证调整后，相邻各孔间距均匀布置，注意掏槽孔需整体移动，孔间调整范围不得大于其误差值；3) 布孔①人工事先按爆破图，用红油漆将炮孔布置在齐头上，布孔满足精度要求。

②或者按照爆破设计图，输入测点坐标，利用TAPS自动布孔或其他方式完成自动布孔。

③可以采用激光指向仪，控制周边轮廓（3～5台）或中线。

⑵钻孔要求钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素并满足以下精度要求：①挂眼（开门）误差：掏扩槽孔不大于±3cm，其余各孔不大于±5cm；②钻孔不平行误差：掏槽孔不大于±3cm/m，其余各孔不大于±5cm/m；③各炮孔底部参差误差均不大于炮孔深度的10%。

⑶装药要求①按设计的装药量装药，当掌子面凹凸不平，其各孔装药量可随炮孔深浅变化作相应调整；当实际炮孔所处位置有软层或裂隙通过，应取消该孔装药并适当减少相邻内圈孔的用药量。

②起爆药包1#孔正向设置，其于各孔宜反向设置。

③炸药装填必须按安全规程执行，不得硬捅、硬捣。

⑷炮孔堵塞要求①预制炮泥，每条长10～15cm。

②各孔堵塞长度周边不小于30cm，其余各孔不小于20cm。