钻爆法施工技术在隧道工程中的应用

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。

在实施光面爆破的情况下,它一般是按照掏槽炮孔、掘进炮孔、周边炮孔、底边炮孔的顺序,由内向外辐射进行的。

预裂爆破同光面爆破的区别仅在于周边炮孔需要最先起爆。

相邻炮孔起爆的时差应大于所用雷管延时精度的绝对值之和,以确保相邻炮孔之间起爆顺序正确无误。

为保证全部炮孔按照设计程序发挥各自的破岩作用,整个隧道开挖断面上炮孔的起爆网路连结需采用分簇、分级并联的方式,终端集中起爆。

4 关键技术
4.1 掏槽爆破技术
掏槽爆破的效果决定了隧道掘进循环进尺的多少。

这里仅就隧道爆破目前常用的直孔掏槽和“V”形孔掏槽的技术要点作些介绍。

4.1.1 直孔掏槽
在使用多臂液压凿岩台车进行钻孔作业的情况下,一般采取直孔掏槽的方法。

其优点是钻孔作业时钻臂之间互相干扰小,爆破掘进循环进尺较大。

其难点是孔眼位置和方向的精度要求较高,深孔爆破对炸药的品质、装药结构和起爆方式有所讲究,以克服孔眼爆破中所谓的“隧道效应”。

直孔掏槽分为有中空眼和无中空眼2种,多臂液压凿岩台车都具备有扩孔装置,便于较大直径中空眼的实施。

中空眼以1~3个为宜。

直孔掏槽的位置处于隧道开挖断面垂直中线的一侧,按每爆破循环左右交替布置,尽可能地避开前次掏槽爆破的位置,以保证成孔质量(见图2)。

图2 全断面爆破开挖、直孔掏槽示意图（单位:cm) 注：孔深31m 炮孔围绕中空眼由密到疏布置,炮孔间距0. 2~0. 4 m。

掏槽面积约是爆破开挖断面面积的1. 5% ~2%。

掏槽炮孔的线装药密度在硬岩中一般为1. 2~1. 8 kg/m。

为克服炮孔底部炸药在炮轰作用下被“压死”而拒爆,常采取双雷管反向起爆的措施。

4.1.2 “V”形孔掏槽
使用手持风钻在台架上进行钻孔作业时,常使用“V”形孔掏槽方式。

其优点是容易掌握,掏槽效果有保证。

其缺点是钻孔时邻钻之间互相干扰大、效率低,钻孔深度利用率进尺循环。

“V”形孔为多重布置,左右对称,上下平行排列。

掏槽位置一般在开挖断面垂直中央线上(见图3)。

受孔眼斜度限制,一般情况下,只适合2. 5m以下的短
“V”形掏槽炮孔的线装药密度在硬岩中一般为0.9~1. 2 kg/m,连续装药,雷管在炮孔内正反向起爆均可。

图3上半断面爆破开挖，V形掏槽示意图（单位：mm)
4.2 周边光面爆破技术
隧道周边光面爆破的效果不单是隧道开挖面外观的好坏,它还关系到隧道围岩的持久稳定,关系到工程成本和经济效益,也会对衬砌背后防水系统敷设的质量产生较大的影响。

所以,光面爆破技术在隧道掘进中的运用十分重要。

4.2.1周边炮孔的最小抵抗线就是隧道爆破设计中预留光面层的厚度。

一般为周边炮孔间距的1. 0~1. 2倍。

周边炮孔间距的大小应根据岩性和岩层产状来决定,一般为0. 5~0. 6 m。

为保证光面爆破的质量,在硬岩中周边炮孔的间距和平层中隧道拱部周边炮孔的间距应适当缩小。

光面爆破技术的实施与所使用的钻岩设备性能有关,炮孔间距太小势必增加钻岩工作量,延长爆破作业时间。

周边炮孔的位置、方向和外插角对隧道光面爆破的效果影响最大。

为减少超挖,炮孔开位可以从设计开挖轮廓线沿法线方向缩进3~5 cm;炮孔方向偏差应控制在2°内;外插角2°~3°为宜。

原进口四臂液压凿岩台车钻臂外插角(Look cut)设计为4°,显然偏大,可能是受钻臂构造的影响。

4.2.2 周边炮孔的炸药用量按光面爆破的用药当量选择,其线装药密度一般为0. 2~0. 3 kg/m,在此基础上根据炮孔位置所处岩层的产状、岩性和岩体的完整程度进行适当地调整。

在缺少隧道光面爆破专用小药卷的情况下,现场上采用标准岩石炸药药卷进行装药起爆雷管同导爆索在炮孔内相连结。

用于隧道光面爆破的雷管段数应大于相邻掘进炮孔雷管段数2段为好,以确保光面层最小抵抗线方向临空面的形成,减少光面爆破阻力,提高光面爆破效果。

隧道拱部及边墙的周边炮孔用药量应折减使用导爆索的炸药当量。

4.3 底边及“翻渣”爆破技术
因为受到地层“夹持”的作用和隧道底部积水的影响,隧道底边爆破较为困难。

然而底边爆破效果的好坏对隧道掘进循环周期影响很大。

如果出现拒爆或大面积欠挖的情况,尚需二次爆破清除欠挖部分,费时、费力、加大隧道开挖成本,且威胁到施工安全。

所以,重视隧道底边爆破技术就显得十分必要。

4.3.1 隧道底边炮孔距开挖断面最下一排掘进炮孔在硬岩中不宜超过0. 7 m。

其位置和方向同其它周边炮孔,但是孔间距要适当缩小,在硬岩中一般为0. 5~0. 6m。

尤其在开挖断面两侧底角处,相邻孔间距应控制在0. 4~0. 5 m。

4.3.2 隧道底边炮孔装药应比照同断面掘进孔的用药量和装药结构进行。

其线装药密度在硬岩中一般为0. 6~0. 7 kg/m。

4.3.3 隧道底边炮孔一般是最后起爆的。

如果受雷管段数的限制,也可以早于拱部和边墙的周边孔起爆。

但是,隧道开挖断面两侧底角及相邻的炮孔应当最后起爆,以起到“翻渣”的作用,使得石渣向隧道开挖工作面中间部位集中,既能为处理新暴露的岩面提供作业高度,又便于装渣工作顺利进行,以提高出渣效率。

4.3.4 隧道开挖断面下部若有积水,底边炮孔装填炸药前应予疏浚抽排,并使用高压风吹孔清理,以保证装药能顺利进行。

如果遇到隧道涌水量太大、抽排不及时的情形,底边爆破则应按水下爆破进行施工,即使用抗水药卷,对起爆药卷采取严格的防水包装。

此外,底结构的加工,即将标准药卷固定在竹片上的办法,标准药卷之间要靠绑定在竹片上的导爆索来传爆(见图4)。

边炮孔装药后应立即起爆,最迟不超过4 h。

图4周边眼装药结构示意图
4.4 控制爆破技术
隧道爆破控制由洞内和洞外两部分组成。

4.4.1 隧道施工是多道工序流程、多个作业循环、多条运输线交合而成的系统工程。

因此,各种作业和各个工序之间接口多,干扰大。

尤其爆破作业对隧道内其它作业人员、机械设备和后部工序的影响是很大的所以隧道施工本身就要求必须控制爆破的规模,将爆破生成的振动、冲击和飞石限定在规则允许的范围内。

隧道爆破时,人员和移动设备可以按规定撤至安全地带,而衬砌作业的位置是相对固定的,浇灌在模板中的混凝土在未达到规范要求的强度之前,超限度的振动对其后期强度的影
响是不能忽视的。

有时,可能会发生因为强烈振动而造成的衬砌结构裂纹。

一般要求衬砌模板处振动速度不超过2 cm/s,据此来计算爆破开挖工作面的炸药用量。

爆破生成的空气冲击波会造成衬砌模板移位,挂贴的防水板脱落,固定设备上的玻璃及精密仪器损坏以上位置所能承受的冲击压力应控制在2×103P以内。

4.4.2 如果隧道爆破影响到附近建筑物和需要保护的设施及文物的安全时,控制爆破的规模和采取减少爆破危害的措施就显得格外重要。

隧道爆破设计之前要对周边环境做好充分的调查,确定需要保护的对象和安全级别;在爆破设计中要周密考虑,精确计算,多方验证;在爆破实施过程中必须严格按照设计和规定来进行操作,并做好保护对象的防护和加固措施,经过验收合格后才允许起爆;在现场相关地点要布置好爆破振动、冲击和噪声等监测系统,并做好监测记录。

4.5 隧道通过煤层及瓦斯地段的爆破技术
隧道通过煤层及瓦斯地段,应按照《煤矿安全规程》中有关条款进行施工操作。

其爆破器材的选用、起爆网路的设置和起爆方式必须符合规程中的要求。

4.5.1 首先,在隧道开挖前要尽可能地弄清煤层和瓦斯地段的准确位置。

然后根据所处具体情况对隧道爆破做出个别设计。

4.5.2 为避免爆燃的严重后果,《煤矿安全规程》中规定:“在有沼气或煤尘爆炸危险的煤层中,采掘工作面都必须使取得产品许可证的煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管。

使用煤矿许用毫秒延期电雷管时,最后一段的延期时间不得超过130 ms”。

这个规定对于开挖断面超过10 m2的隧道来讲,就意味着必须进行分部开挖,将每部开挖断面的爆破时差控制在130 ms 以内,且每一次装药必须全部一次起爆。

4.5.3 《煤矿安全规程》还要求所有炮孔都必须采用正向起爆,严禁反向起爆。

这样也就增加了因“隧道效应”孔眼中部分炸药产生拒爆的可能性。

因此掘进循环进尺要受到严格的限制。

4.5.4要特别强调炮孔中必须堵塞跑泥的规定;进行爆破作业时在工作面20 m的范围内任何位置瓦斯浓度不得超过1%;在有煤尘爆炸危险的地段,起爆之前工作面20m的范围内要求洒水降尘;起爆必须使用矿用防爆型的放炮器。

5 技术发展
工程爆破作为一门特殊的科学技术方法,对经济建设服务有着突出的贡献,从而得到人们的重视,研究、开发工程爆破技术使其运用得更加广泛、更加有效、更加安全和更加经济是广大爆破工作者的美好宿愿和努力方向。

隧道爆破技术作为工程爆破的一个分支,也要有更大的发展才能满足日益增长着的隧道及地下工程建设形势,所以任重而道远。

纵观当代科学技术的进步,对照我国隧道爆破技术的现状,它应该朝着机械化、自动化、数字化和专业化的方向发展,其主要内容有以下几个方面:
5.1 爆破器材
5.1.1 炸药的改进对隧道爆破来说有2个方面:一是品质,二是包装。

由于隧道内施工通风比较困难,通风成本较大,所以研制、使用无毒害或低毒害的炸药可以降低爆破后有害气体对施工人员的伤害,并降低通风费用。

就炸药爆炸后的残留物质而言,随着隧道内的废水流出洞外,必须经过净化处理才能排入河流。

因此使用无毒害或低毒害的炸药对环境保护是必要的。