光面爆破技術(shù)及其在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用

曹 琴，吳 戰(zhàn)，田新邦，葉 新

（1.西南科技大學(xué) 交通工程系，四川 綿陽621010；2.山東東泰工程咨詢有限公司，山東 淄博256410）

隧道光面爆破是支撐新奧法原理的重要技術(shù)之一，它通過正確選擇爆破參數(shù)和合理的施工方法，在隧道開挖輪廓線上布置密集炮孔，采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆孔起爆之后起爆，以形成平整輪廓的控制爆破技術(shù)。光面爆破的目的在于控制爆破作用范圍和方向，盡量減少爆破作用對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減少超欠挖，使爆破后的隧道圍巖壁面平整、光滑，滿足隧道設(shè)計(jì)要求。隧道光面爆破可分為全斷面一次爆破和預(yù)留光爆層爆破兩種情況。通常當(dāng)開挖斷面較大時(shí)多采用預(yù)留光爆層爆破法，而全斷面光面爆破方法能夠有效控制光爆孔爆破作用，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)范圍，有利于保持圍巖穩(wěn)定和施工安全，又能減少超欠挖，提高施工質(zhì)量。因此，全斷面光面爆破技術(shù)在隧道、地鐵等開挖過程中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

研究首先闡述光面爆破技術(shù)原理及其參數(shù)設(shè)計(jì)，隨之將其應(yīng)用于大坪尾隧道掘進(jìn)工程中，并分析爆破效果，提出保證光面爆破效果的技術(shù)措施。

1 光面爆破機(jī)理

光面爆破技術(shù)通過合理選擇爆破參數(shù)、提高鉆孔精度、采用合理裝藥結(jié)構(gòu)、改變布孔形式等方法，使爆破后的隧道形成平整、光滑的壁面，以減少超欠挖，最大限度保持圍巖自身強(qiáng)度，從而可以提高隧道的安全穩(wěn)定性。光爆爆破的原則是在隧道開挖輪廓上多打眼、少裝藥，并且在主爆起爆之后起爆，以保證光爆孔起爆后能夠沿著其炮孔連心線貫通并形成規(guī)整、光滑的壁面，僅有光爆層尚未起爆時(shí)的炮孔布置和光爆層情況如圖1所示。

圖1 光爆層炮孔布置及其片落機(jī)理

光面爆破力學(xué)前提條件是降低炮孔壁上的壓力峰值，使光爆孔裝藥起爆后在孔壁上產(chǎn)生的爆轟壓力低于巖石的抗壓強(qiáng)度，而由此產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力要超過巖體的抗拉強(qiáng)度。為此，要使光爆孔形成不破壞孔壁而又能沿著預(yù)定方向形成貫通裂隙，則炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力必須滿足如下三個(gè)力學(xué)條件

式中:σ壓為單個(gè)炮孔裝藥爆炸產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，σ動(dòng)壓為巖石的動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度，σ拉為單個(gè)炮孔裝藥爆炸產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力，σ動(dòng)拉為巖石的動(dòng)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度，σ合壓為相鄰炮孔在炮孔連心線上產(chǎn)生的合拉應(yīng)力。

為了滿足此力學(xué)條件，通常光面爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，從而可以大大降低孔壁最大切向應(yīng)力，同時(shí)可以通過裝藥量控制使在相鄰炮孔連心線垂直方向上的合拉應(yīng)力得到加強(qiáng)，使之大于巖石的動(dòng)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度，在沿炮孔連心線方向產(chǎn)生裂縫。與此同時(shí)，在爆轟氣體膨脹壓力作用下進(jìn)一步加強(qiáng)而形成貫通裂縫，確保壁面規(guī)整與光滑，如圖2所示。

圖2 相鄰炮孔同時(shí)起爆形成的貫通裂隙

由此可見，只要光爆孔孔距E和裝藥量合適，即能滿足此力學(xué)條件而在兩孔之間產(chǎn)生平整拉斷裂隙面。此外，還應(yīng)選取合理的最小抵抗線W，保證光爆孔有合適的側(cè)向自由面，當(dāng)爆炸應(yīng)力波到達(dá)此自由面時(shí)將產(chǎn)生反射拉伸應(yīng)力波，使光爆層產(chǎn)生裂隙并片落。因?yàn)閃一般大于E，首先使相鄰炮孔應(yīng)力波峰值疊加，而側(cè)向自由面的存在使光爆層在爆炸應(yīng)力波與爆轟氣體的共同作用下從原巖同時(shí)爆落而獲得規(guī)整的隧道壁面。

因此，當(dāng)光爆孔同時(shí)起爆時(shí)，由于應(yīng)力波疊加和爆生氣體準(zhǔn)靜壓力的共同作用，炮眼連心線上切向拉應(yīng)力超過巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度而首先產(chǎn)生貫通裂縫并片落而向自由面方向移動(dòng)，也抑制了孔壁上其它方向裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)可以達(dá)到圍巖不受擾動(dòng)的目的。

2 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

影響隧道光面爆破效果的主要參數(shù)包括炮孔間距（E）、炮孔密集系數(shù)（m）、線裝藥密度（q）、最小抵抗線（W）、不耦合系數(shù)（D），而它們之間又是相互聯(lián)系的。所以，合理確定光爆參數(shù)，特別是選擇E和W的值，使其處在某一正確、協(xié)調(diào)的范圍內(nèi)，才能達(dá)到理想的光爆效果。

2.1 炮眼直徑

炮眼直徑的確定直接關(guān)系到施工的效率和成本，應(yīng)綜合考慮巖石特性、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備情況及工程具體要求進(jìn)行選擇。

一般情況下，主要應(yīng)依據(jù)爆破的現(xiàn)場(chǎng)和鉆工機(jī)具確定。如在地下小斷面的巷道實(shí)施光面爆破時(shí)，孔徑取32～45mm；而在露天情況下實(shí)施光面爆破時(shí)，孔徑則可取大些。

2.2 炮眼間距

孔距的取值主要受到所選用炸藥的性質(zhì)、不耦合系數(shù)和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的影響。根據(jù)光面爆破機(jī)理分析，光面爆破的實(shí)質(zhì)是使炮眼之間產(chǎn)生貫通裂隙，以形成平整的巖壁斷裂面，可利用理論公式近似地計(jì)算光爆孔孔距

式中:Kp為與巖石普氏系數(shù)f有關(guān)的巖石抗屈服系數(shù)，一般地Kp＝0.04f；db為裝藥直徑（cm），對(duì)于不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，db為裝藥直徑，對(duì)于間隔裝藥結(jié)構(gòu)，折算為等效裝藥直徑de。Langefors給出的確定孔距的經(jīng)驗(yàn)公式為

2.3 最小抵抗線

對(duì)于光面爆破，其最小抵抗線也就是光爆層厚度。若已知單孔裝藥量，則最小抵抗線可由下式確定

式中:Cq為裝藥系數(shù)（kg／m3），對(duì)于f＝4～15的巖石，Cq＝0.2～0.5kg／m3；L為炮孔深度（m）；Q為單孔裝藥量（kg）。

2.4 炮孔密集系數(shù)

炮孔密集系數(shù)又稱為炮孔臨近系數(shù)，用于描述孔距與最小抵抗線之間的關(guān)系。光面爆破中的炮孔密集系數(shù)是光面爆破參數(shù)中一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，是指孔距E與最小抵抗線W的比值，即

在工程中，一般情況下m＝0.8～1.0。當(dāng)m＞1時(shí)，爆破后容易出現(xiàn)炮孔間裂隙而成偏斗爆破；當(dāng)m＝1時(shí)，爆破后光爆孔間容易形成比較好的貫通裂縫。文獻(xiàn)認(rèn)為，m的合理取值是0.7～1.3，最佳取值在0.8～1.13之間。從工程實(shí)踐出發(fā)，m的取值應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和開挖跨度等條件，通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)確定。

2.5 不偶合系數(shù)

不偶合系數(shù)K是指炮孔直徑與裝藥直徑之比，它反映了藥包與孔壁間的接觸情況。由于光面爆破所用藥包直徑小于炮孔直徑，所以不耦合系數(shù)K＞1。研究表明，不耦合系數(shù)與孔壁上的最大切向應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系。

2.6 線裝藥密度

線裝藥密度亦即裝藥集中度，是指單位長(zhǎng)度炮孔中的裝藥量，單位weg／m。根據(jù)光面爆破力學(xué)條件，光爆孔的裝藥量應(yīng)該是剛好能克服巖石的抵抗阻力以形成拉伸貫通裂隙，而不造成圍巖破碎或粉碎。對(duì)光面爆破有

式中:q0為線裝藥密度（kg／m）；d1為藥卷直徑（m）；Δ為炸藥密度（kg／m3）；K′為不耦合系數(shù)，采用環(huán)向不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，K′＝d2／d1；d2為炮孔直徑。當(dāng)采用不耦合、空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)于光爆孔直徑為35～45mm時(shí)，一般線裝藥密度為0.1～0.3kg／m，其中軟巖為0.07～0.12kg／m，中硬巖為0.1～0.15kg／m，硬巖為0.15～0.25kg／m。為克服巖石對(duì)孔底的夾制作用，孔底段應(yīng)加大線裝藥密度到2～5倍。

3 光面爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

泉州市大坪尾隧道設(shè)計(jì)采用分離式雙洞隧道，左線起訖樁號(hào)分別為ZK106＋650～ZK106＋945，隧道長(zhǎng)度295m，平曲線半徑為R＝1 205.81m，設(shè)計(jì)采用＋2.405%的單向縱坡。隧道右線起訖樁號(hào)分別為K106＋625～K106＋955，隧道長(zhǎng)度330m，位于直線上隧道縱坡采用2.362%的單向坡。該隧道為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80km／h，隧道行車道寬度為2m×3.75m，左側(cè)向?qū)挾葹?.5m，右側(cè)向?qū)挾葹?.75m，兩側(cè)檢修道寬為0.75m，隧道內(nèi)輪廓凈高7.0m。隧道處于構(gòu)造剝蝕中低山地貌單元，隧道軸線經(jīng)過地段最大高程約為709m線路，橫穿一南北走向的舌形小山脊，圍巖主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用機(jī)械開挖為主堅(jiān)硬部分輔以松動(dòng)爆破的掘進(jìn)方法，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖在采用全斷面光面爆破、上中下臺(tái)階分步開挖方法。Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖巖體為紫紅、紫灰夾灰黃色花崗巖，粗粒結(jié)構(gòu)，完整性較好且堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度為120MPa，抗拉強(qiáng)度為9.3MPa。爆破施工上臺(tái)階采用YT－28型鑿巖機(jī)鉆眼，臺(tái)階法下臺(tái)階采用鉆孔臺(tái)車鉆眼，孔徑為48mm，孔深為3.2m，炸藥為直徑為32mm的2#巖石硝銨炸藥，根據(jù)光面爆破設(shè)計(jì)結(jié)合爆破試驗(yàn)對(duì)爆破參數(shù)參數(shù)進(jìn)行修正。

3.2 光面爆破參數(shù)的確定

3.2.1 孔徑與孔深

依據(jù)爆破中各個(gè)炮孔的作用，可將隧道爆破炮孔分為光爆孔、光爆輔助孔、主爆孔和掏槽孔。根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃，炮孔深度為3.2m，炮孔直徑d＝48mm；掏槽孔超深為0.1m。

3.2.2 孔距

根據(jù)光面爆破機(jī)理，由巖石抗壓強(qiáng)度知巖石的普氏系數(shù)f＝12，所以巖石的抗屈服系數(shù)Kp＝0.04f＝0.48。由式（4）計(jì)算得光爆孔孔距為E＝52.125cm。由式（6）計(jì)算光爆孔孔距為E＝37.8～58.8cm。通過試爆孔距調(diào)整，實(shí)際取E＝50cm。

3.2.3 最小抵抗線

由式（7）計(jì)算得最小抵抗線范圍為0.8～1.56m。參考文獻(xiàn)和式（8），m＝0.7～1.2，因此W＝0.35～0.6。通過試爆確定W＝1.2E＝0.6m。

3.2.4 單孔裝藥量

由式（7）計(jì)算得出的線裝藥密度往往偏大，根據(jù)巖體力學(xué)性質(zhì)和試爆效果，線裝藥密度取q＝0.15～0.25（kg／m）比較合理，由此確定單孔藥量為0.5kg。

隧道全斷面法開挖光面爆破基本參數(shù)和藥量分配情況見表1，掘進(jìn)工作面上光爆孔布置如圖3所示。

表1 光面爆破炮孔藥量分配

圖3全斷面法光面爆破炮孔布置圖（單位：m）

3.3 光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)

隧道光面爆破中光爆孔通常采用不耦合、間隔裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)一般為1.5～2.0。受限于工地藥卷直徑和鉆孔設(shè)備配備，該光爆孔的不耦合系數(shù)為1.5，根據(jù)線裝藥量計(jì)算得出的藥量合計(jì)為3卷多藥包。其他炮孔均采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。為了保證光面爆破效果，光爆孔采用導(dǎo)爆索齊發(fā)爆破網(wǎng)路。光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

光面爆破網(wǎng)路采用由內(nèi)向外的多段微差爆破網(wǎng)路，光爆孔采用導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路，全斷面光面爆破網(wǎng)路起爆順序?yàn)?掏槽孔—輔助孔—底板孔—崩落孔—光爆孔。

圖4 光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)（單位：m）

3.4 光面爆破施工工藝

隧道掘進(jìn)光面爆破施工工藝環(huán)節(jié)主要有工作面上放樣布孔、鉆孔、炮孔檢驗(yàn)與清洗、炮孔裝藥、連接起爆網(wǎng)路、起爆、檢查爆破效果。具體光面爆破施工工藝過程如圖5所示。

圖5 光面爆破施工工藝

光面爆破的另一關(guān)鍵問題是掏槽孔與光爆孔的鉆孔準(zhǔn)確性。為了確保光面爆破效果，施工要求是:

1）掏槽孔方向應(yīng)盡量垂直于層理，其深度比其他眼加深10cm；

2）光爆孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開挖輪廓線布置，開眼位置在設(shè)計(jì)斷面輪廓線上的間距誤差不得大于5cm；光爆孔外斜率控制在5cm／m內(nèi)，孔底超出開挖斷面輪廓線控制在10cm內(nèi)，爆落孔至光爆孔的的抵抗線誤差控制在5cm內(nèi)，對(duì)于軟巖，光爆孔孔底應(yīng)落在設(shè)計(jì)輪廓線上。鉆孔結(jié)束，應(yīng)依據(jù)光面爆破設(shè)計(jì)圖紙逐一檢查成孔并做好記錄，對(duì)于不符合要求的炮孔應(yīng)調(diào)整或補(bǔ)孔。此外，輔助孔盡量均勻分布到工作面上。

4 結(jié)束語

光面爆破技術(shù)應(yīng)用于大坪尾隧道開挖工程中能夠保證開挖輪廓平整，縮短了隧道支護(hù)工期，孔痕率達(dá)到85%，有效解決了隧道掘進(jìn)中的超欠挖難題。實(shí)踐證明，光面爆破技術(shù)的成功應(yīng)用是確保隧道開挖安全施工與施工質(zhì)量的基本保證，節(jié)省了成本，加快了工期。在光面爆破施工中應(yīng)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)施工，做到精細(xì)爆破施工，根據(jù)開挖巖體實(shí)際情況，探索提高光面爆破質(zhì)量的技術(shù)措施。因此，提議采取如下施工技術(shù)措施:

1）強(qiáng)化爆破作業(yè)人員的崗前培訓(xùn)，使之熟練掌握光面爆破技術(shù)要領(lǐng)和施工方法，確保施工質(zhì)量；

2）優(yōu)先選用低爆速、低猛度、低密度、傳爆性能好及爆炸威力大的2號(hào)巖石硝銨炸藥；

3）光爆孔應(yīng)采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和間隔裝藥，所用藥卷直徑注意不應(yīng)小于該炸藥的臨界直徑，以保證穩(wěn)定傳爆；

4）光爆孔應(yīng)盡量采用齊發(fā)爆破；

5）嘗試炮泥加水袋填塞爆破技術(shù)。在炮孔填塞前，在炮孔中一定位置處放置預(yù)先制作的水袋，利用爆炸沖擊激起的靜水壓力破裂巖石但并不破碎巖石，在提高炸藥能量利用率和炮孔利用率的同時(shí)，更有利于改善光面爆破效果和爆破作業(yè)環(huán)境。該技術(shù)在重慶環(huán)線地鐵隧道爆破開挖中得到了成功應(yīng)用，并在類似工程中得以推廣使用。

［1］ 周傳波.深空爆破一次成井模擬優(yōu)化和應(yīng)用研究［D］.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2004.

［2］ 田會(huì)禮，張德琦，李戰(zhàn)軍.復(fù)式桶形掏槽在巖巷深孔爆破中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2005，52（4）:37－39.

［3］ 徐穎，方江華.光面爆破合理炮孔密集系數(shù)的研究［J］.工程爆破，1998，4（1）:25－29.

［4］ 吳亮，鐘冬望，蔡路軍.空氣間隔裝藥中光面爆破機(jī)理數(shù)值 分 析 ［J］.武 漢 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2009，16:77－81，149.

［5］ 顧義磊，李曉紅，杜云貴，等.隧道光面爆破合理爆破參數(shù)的確定［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，28（3）:95－97.

［6］ 高峰，王猛，胡蓉，等.隧道抗震仰拱形式優(yōu)化分析［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014，16（2）:71－75.

［7］ 薛曉威.隧道光面爆破施工控制要點(diǎn)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）:145－146.