光面爆破技术在隧道施工中的应用

（朝阳市引白入朝供水工程建设管理局，辽宁朝阳122000）

光面爆破技术在隧道施工中的应用

包宇

（朝阳市引白入朝供水工程建设管理局，辽宁朝阳122000）

光面爆破技术自20世纪70年代以来在我国得到广泛应用，其技术理论也在大量工程实践中日益成熟。本文通过对辽宁省某工程实例进行分析计算，研究光面爆破技术在应用于工程实践时其技术参数如何确定，并论述了各参数对爆破效果产生的影响。

光面爆破；技术参数；效果；隧道施工

自1970年以来，光面爆破技术在我国在矿山、水利、地下工程中得到了广泛应用，至今已成为控制开挖轮廓线的主要爆破方法之一，尤其在光面爆破与锚喷支护相结合后，已成为井巷工程中一项重大技术改进。我国目前对光面爆破技术的研究也都是基于工程实际经验，下面以辽宁省某重点输水工程为例，工程沿线大量应用光面爆破法，除使用常规光面爆破以外，还根据各地不同的地质情况，尤其针对围岩强度较弱的软岩地区，摸索出半卷装药等装药方法，提高了光爆质量，对控制超、欠挖起到了重要作用。

1 光面爆破原理

光面爆破，是沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，以形成平整轮廓面的一种爆破作业。其实质是沿开挖轮廓线布置间距减小的平行炮眼，在光面炮眼中进行减少药量的不耦合装药，选择合理的光爆参数后起爆，爆破时沿炮眼的中心联接线破裂成平整的光面。

由于采用不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低[1]。此时药包的爆破作用为准静压作用。当炮孔压力值低于岩石动抗压强度时，在炮眼壁上就不致造成“压碎”破坏。这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能引起少量的径向细微裂隙。

2 影响光爆效果的主要参数

我国隧洞爆破施工中常用的爆破方式包括毫秒爆破、预裂爆破、光面爆破等等，毫秒爆破可更好地补充破碎作用，并可减弱炮震影响，但网路设计较复杂，需使用特定的毫秒延期雷管及导爆材料；预裂爆破与光面爆破都旨在爆破形成相对较平整的轮廓面，其中预裂爆破在开挖边界布置密集炮孔，在主爆区之前起爆，在主爆区与保留区之间形成预留缝，继而减弱主爆区对保留岩体的破坏；光面爆破则以首先爆破主爆区、再爆破周边孔的方式达到形成平整轮廓面的目的。光面爆破洞室成形规整、光滑，炮震扰动范围小，可有效地减少应力集中引起的塌方，一般只做5～15cm的喷射混凝土支护，与普通爆破后的混凝土衬砌相比，既可相应增大洞室使用面积，也可提高施工速度，对岩性不良地段，效果更为显著。此外，光面爆破还可比普通爆破方法节省炸药15%左右，眼孔利用率高10%左右[4]。

由于光面爆破具备以上优点，故而成为我国隧洞爆破施工中最常用的爆破方法之一，使光面爆破发挥最优爆破效果的关键，在于合理确定爆破参数，主要爆破参数有：最小抵抗线、炮孔密集系数、不耦合系数、线装药密度、孔距和起爆时差等[2]。本论文以辽宁省某重点输水工程为例，分析论证光面爆破在新奥法施工中如何确定光面爆破参数。

3 实际应用

3.1 工程基本情况

该工程位于辽宁省境内，主体工程为有压引水隧洞，开挖断面为圆拱斜墙，洞径5m×5m。隧洞围岩主要为侏罗系髫髻山组玄武岩、安山质角砾熔岩和白垩系义县组玄武岩，岩石以弱风化～微风化为主，均属中硬岩，未见较大断裂构造穿越洞线。地下水类型主要为基岩裂隙水，洞室开挖地下水以渗水～滴水为主，局部线流。围岩单轴饱和抗压强度在30～60MPa之间，以Ⅲ类或Ⅳ类围岩为主。光面爆破施工首先要在分析确定围岩性质，并在其基础上根据实际施工经验确定基本参数，表1为该工程Ⅲ类围岩光面爆破采用的基本参数。

表1 基本参数表

3.2 最小抵抗线

周边炮孔与最外层主爆孔之间的一圈岩石层成为光爆层，光面层厚度或周边眼（光爆孔）到邻近辅助眼间的距离，即是光面眼（光爆孔）起爆时的最小抵抗线。最小抵抗线可采用经验公式（1）来计算：

式中：W——光爆层厚度，即最小抵抗线；qb——炮眼内的装药量；S——炮眼间距；Lb——炮眼长度；q——爆破系数，相当于炸药单耗值，取1.2kg/m3。

实践中最小抵抗线不应小于光面眼间距，一般可取W=（10～20）d计算，d为炮孔孔径，该工程中Ⅲ类围岩光爆层厚度取W=0.6～0.7m，即W≈16d，同理Ⅳ类0.65m，Ⅴ类0.6m。

3.2.1 单孔装药量及线装药密度

线装药密度是指单位长度炮孔内的装药量，又称装药集中度。单孔装药量计算公式可由公式1变形得

式中：E——炮孔间距。

则线装药密度q0=qb/Lb=EWq。

本文所例工程爆破采用环向不耦合连续装药，带入已知参数可得，Ⅲ类围岩qb≈1.2kg，q0≈0.4kg/m，同理可计算Ⅳ类及Ⅴ类围岩单孔装药量及线装药密度，计算结果略。

3.2.2 周边孔间距E及炮孔数量

周边孔布置在距开挖断面边缘0.05m处，光爆孔的孔底朝隧洞开挖轮廓线方向倾斜3°～5°。周边孔间距E可采用公式E=（10～20）d，根据该工程地区围岩强度，Ⅲ类围岩可取E≈12d，该工程钻孔机选用常用的YT28型风枪钻孔，炮孔直径为42mm，故Ⅲ类围岩孔间距约为12×42mm≈0.50 m，Ⅳ类围岩可同Ⅲ类，Ⅴ类围岩间距可取10.5倍孔炮孔直径，即取0.45m。

炮孔数量取决于掘进断面积、岩石性能和炸药性能。孔数过少将造成大块增多，周壁不平整，甚至会出现炸不开的情况；相反，孔数过多将使凿岩工作量增大。该工程开挖断面5m×5m，根据所选用孔间距，可计算得分围岩类别布置炮孔数：Ⅲ、Ⅳ类围岩70～75个，Ⅴ类围岩80个。

3.3 炮孔密集系数

K为周边孔（光爆孔）的密集系数，可用K＝E/ W来表示。K值过大时，爆破后可能在光爆孔间留下岩埂，造成欠挖，达不到光面爆破效果；反之则会在新壁面造成凹坑，可能出现超挖。实践操作多具有小孔距、大抵抗线的特点，即最小抵抗线大于孔距，尤其在坚硬岩石中密集系数皆小于1。这样，可使反射拉伸波从最小抵抗线方向折回之前造成贯穿裂缝，隔断反射拉伸波向围岩传播的可能，减少围岩破坏。密集系数K取值为0.71～0.75m。

3.4 不耦合系数

不耦合系数K′，是指炮孔直径与药包直径之比（环向空气间隔装药时）。光面爆破采用药包直径小于炮孔直径的方法，因而一般情况下不耦合系数K′＞1，其取值介于1.1~3.0之间。

3.5 爆破安全距离计算

爆破安全距离应按爆破有害效应如地震波、冲击波、个别飞散物分别核算，并取最大值。

3.5.1 爆破振动安全允许距离

爆破振动安全允许距离可按下式计算：

式中：R——爆破振动安全允许距离，m；Q——炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量，kg；V——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；K，a——与爆破设计点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，中硬岩石K取150～250，a取1.5～1.8。

根据该工程爆破设计，洞挖工程最大一段起爆药量16kg，K值取200，a值取1.5，一般砖房、砌体安全允许振速取3cm/s，计算得：洞挖工程爆破振动安全距离R=41.43m。

3.5.2 爆破冲击波安全允许距离

冲击波对人员安全距离Rr=1/2KrQ=5×48×1/ 2=34.6m（Kr=1～5，Q为最大装药量）。

冲击波对建筑物的安全距离R物=K物Q1/3= 10×481/3=36.34m（K物=5～10，Q1为最大装药量）。

根据以上计算知，所采取爆破方案产生的冲击波在规定的爆破安全距离200m以内。

根据以上计算爆破个别飞石对人员的安全距离设定为300m，对非机动设备的安全距离设定为100m。

4 结语

采用传统爆破方法，碎石中会出现炮眼利用率低，围岩稳定性差，超欠挖等问题[3]，在隧道施工中采用光面爆破技术，爆破后可在隧道周边形成一个光滑平整的边壁，使隧道断面既符合设计轮廓要求[4]，又使隧道围岩不产生损伤，从而保持围岩的完整性和自身承载能力，同时避免了隧道施工时欠挖和超挖现象的产生，减少了欠挖处理的时间和超挖所需的填料，达到加快进度、降低成本、保证质量的工程要求，更重要的是采用光面爆破技术可防止爆破对隧道围岩的强烈扰动，以保持隧道围岩的稳定性[5]。

在实际施工过程中，还有很多诸如起爆时间差等因素会影响到光爆的效果，钻孔、装药工人在实际施工中也存在很多如钻孔位置不佳、装药角度不便等外在因素会对光爆效果产生影响，只有在实践中不断积累经验，加之与光面爆破技术理论的结合，才能保障光面爆破的质量，进而保证整个隧洞施工安全顺利的进行。

［1］黄红波.光面爆破技术在巷道掘进中的应用［J］.有色矿冶，2012，28（04）：7.

［2］尚玉峰.影响光面爆破效果的因素分析［J］.南方科技，2008（06）：53.

［3］尚玉峰.控制爆破技术研究及发展建议［J］.四川冶金，2009，31（06）：59.

［4］崔庆龙，任姗姗，等.光面爆破技术及其应用［J］.科技向导，2010（06）：10.

［5］顾义磊，李晓红，等.隧道光面爆破合理爆破参数的确定［N］.重庆大学学报，2005，28（03）：95.

TV542；TV672+.1；U455

B

1002－0624（2017）07－0027－03

2017-03-04