光面爆破技术在新武家庄隧道掘进中的应用

邵晓宁，张道振

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001;2.浙江民能爆破工程咨询有限公司，杭州 310012)

光面爆破技术是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术［1］，由于爆破后形成的轮廓规则，对围岩扰动轻，超欠挖量少，在隧道掘进中被大量使用。广大爆破工程技术者在长期工程实践中，总结出了很多光面爆破设计参数的半经验半理论公式和方法［2-3］，这些研究成果对于指导工程实践起到了很好的效果。目前对大断面软岩隧道掘进中光面爆破参数的研究成果不多，有必要加强这方面工作。

1 工程概况

新武家庄隧道全长258 m。起止点里程D1K1 069+557—D1K1 069+815，隧道按160 km/h客货共线双线隧道设计，并预留200 km/h客货共线条件。隧道最大埋深约为23 m。隧道断面宽1 380 cm，高1 197 cm，断面形状如图1所示。隧道进口处围岩为泥岩、泥灰岩，夹少量泥质粉砂岩，稳定性较差。隧道测绘范围内未见泉点出露，沟谷均干涸，地下水不发育。隧道位于既有武家庄隧道左侧，进口左线距离既有线路中线约25 m。施工过程中需考虑对既有线路的影响。

图1 隧道开挖断面示意(单位:cm)

2 施工方案确定

地质勘探工作表明该隧道进口地处Ⅴ级围岩，进口的稳定性较差，容易坍塌。根据工程的特点和铁路隧道施工的要求，为保证施工的安全，采用小短距分部开挖技术进行爆破开挖［4］，周边眼采用光面爆破技术控制开挖轮廓。开挖进尺以支护的2榀为单位，实际取每次掘进进尺为100 cm。

2.1 施工工艺

对传统的三台阶七部开挖法进行改进，由于采用了小短距台阶方式，取消了预留核心土的步骤。变为三台阶六部开挖。先超前开挖上台阶，中台阶和下台阶采用左右交错开挖的方法，最后开挖仰拱。考虑具体施工条件，台阶爆破炮孔布置成水平孔，仰拱采用垂直孔。具体开挖步骤参见图1。

2.2 爆破参数设计

2.2.1 孔径d

根据选用的凿岩工具为手持式风钻YT28，钻头直径42 mm，炮孔直径为d=42 mm。选用的药卷为普通2号岩石炸药，φ32 mm。

2.2.2 开挖进尺L和炮眼深度l0

根据预定的开挖进尺L=100 cm，取炮孔深度l0=110 cm，炮孔利用率取0.9。

2.2.3 掏槽方式及参数

由于开挖断面比较大，围岩属于软弱围岩，在保证效果的前提下应尽量减少炮孔数目。决定采用垂直楔形掏槽。如何设计合理布置掏槽眼及数目，不仅会对掏槽效果有影响，而且还会影响整个掘进进尺和光面爆破的效果。

1)掏槽眼眼口距a1。根据几何关系掏槽眼眼口距与掏槽眼深度可以用式(1)计算［5］

式中，a1为掏槽眼眼口距(cm);l0为炮眼深度(cm);α为炮眼倾斜度数(°);a0为掏槽眼眼底距(cm)，b=15～20 cm。

眼底距离的选择一般在10～30 cm左右，岩石硬度较大时取小值，硬度较小时取大值。考虑进尺较短，采用传统的方法，孔口距会偏小，带来的问题是掏槽眼数目偏多。设计中对掏槽参数进行了优化。眼底距放大到40 cm，炮眼的倾斜角也采用了中等稳固岩石常用的65°角，代入式(1)计算后为

2)掏槽眼对数和数目。楔形掏槽的炮眼对数依围岩的类别而定，布置的原则应是较少的掏槽眼达到较好的效果。对于软弱围岩，一般2对4个炮眼就可以掏出较大的自由面，取得较好的掏槽效果。

3)光爆层厚度 B。光爆层就是周边眼最小抵抗线，光爆层厚度与开挖的隧道断面大小和岩石的性质有关，一般取50～80 cm［6］。该隧道开挖断面大，岩石夹制力小，又是软弱围岩，取较大值75 cm。

4)周边眼布置及参数。对于一般的铁路隧道爆破周边眼的间距E一般为(8～18)d［7］，理论和实践均证明光面爆破炮眼间距E与最小抵抗线W之比取0.8时可以取得较好的爆破效果［8］，即

由公式(2)计算可得E=m×W=0.8×75 cm=62 cm。

以上理论计算表明，在一般隧道掘进中采用这种周边眼布置方式可以取得较好的光面效果。对于软弱围岩是否适用还有待工程实践检验。参照上述结论进行周边眼布置爆破后，发现靠近周边眼的地方超挖现象非常突出。本着“多打眼，少装药”的原则，及时对周边眼进行了调整，把周边眼距离缩短到40 cm，同时对装药结构也进行了改进。

5)掘进眼布置及参数。掘进眼的眼距通常应大于抵抗线，小于炮眼的深度，根据相关经验炮眼间距a与抵抗线 W 之间有［8-10］:

根据式(3)确定掘进眼的眼距在70～90 cm左右，布置时为保证爆破效果可以以小抵抗线，大眼距为基本原则。台阶左右交错开挖时，应考虑自由面的影响，右台阶的参数比左台阶约增加10%。

6)炸药单耗q。隧道爆破中实际采用的q值通常在0.7～2.5 kg/m3之间，对于大断面的软岩隧道，应该降低。参照工程类似经验数据取q=0.6 kg/m3。

7)理论总装药量Q。隧道掘进爆破中，在一定的进尺前提下，爆破的总装药量与掘进进尺成正比。

8)理论单眼装药量Q0及眼数N。根据经验公式炮眼单眼装药量在软岩隧道掘进中取0.25 kg比较合适，断面炮眼的数目N可以利用公式(4)进行计算

9)装药结构。传统的光面爆破装药结构是把炸药以一定间隔绑在竹片上，再用胶带将导爆索与炸药绑紧。这种装药方式不仅装药结构复杂，而且费时费力。进行周边眼眼距设计时缩短了眼距，装药时采用了隔眼装药技术，两个装药眼之间的空眼起到了定向作用，装药方式和结构与掘进眼相同。炮孔布置如图2所示。

图2 炮孔布置示意(单位:cm)

10)起爆网路。爆破网路采用一手抓的方式进行网路连接，每个炮孔的雷管均反向装于眼底的药包中。炮眼布置和起爆顺序见图2。

3 爆破效果

采用上述光面爆破参数进行施工后，取得了较好的效果。隧道的轮廓线控制得很好，基本上超欠挖很少，围岩的稳定性也较好，没有发生坍塌现象，加快了掘进进度，节约了支护成本。

4 结语

1)软岩隧道掏槽方式和参数。大断面隧道常用多级楔形掏槽来保证掏槽效果，对于采用小净距掘进的软岩隧道应结合软岩岩体特征，采用单级掏槽方式，只要选择合理的掏槽参数，同样可以达到理想的掏槽效果。合理的掏槽方式应是在保证掏槽效果的前提下，以最小的炮眼数目实现。

2)光面参数的选择。进行光面爆破设计，要想取得理想的光面效果，光面参数的选择显得非常重要。考虑软岩的特点，在这种岩体中钻孔比较容易，通过减小孔距，增加光爆圈的厚度来进行炮孔布置。

3)装药结构的改变。传统的光面爆破采用间隔装药或者不耦合装药来达到降低线装药密度的效果，这种方法费时费力，利用软岩岩体特征，适当缩小孔距，采用间隔装药，不改变装药结构，同样可以达到减弱装药的目的。中间的空孔为起爆孔提供了自由面和定向的作用。形成的轮廓线比较平整。

［1］庙延钢，王文忠，王成龙.工程爆破与安全［M］.昆明:云南科技出版社，2005.

［2］颜长明，毛静民，张吉祥，等.将军山隧道光面爆破技术与参数的选择［J］.武汉工程职业技术学院学报，2010，22(3):29-32.

［3］李剑峰.软岩巷道实现光面爆破［J］.工程爆破，2010，16(2):97-98.

［4］王雪琴，张春钢.超大断面隧道分部开挖施工技术［J］.铁道建筑，2009(8):58-60.

［5］齐景嶽，刘正雄，张儒林，等.隧道爆破现代技术［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［6］翁春林，叶加冕.工程爆破［M］.北京:冶金工业出版社，2006.

［7］刘殿中.工程爆破实用手册［M］.北京:冶金工业出版社，1999.

［8］刘运通，高文学，刘宏刚.现代公路工程爆破［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［9］郭峰，艾进孝，邓彭根.麻岭隧道Ⅲ类围岩光面爆破开挖技术［J］.铁道建筑，2005(增):34-37.

［10］伏俊峰.全断面深孔光面爆破技术在窑坑隧洞中的应用［J］.铁道建筑，2005(增):41-43.