光面爆破技术在熊冲隧道的研究与应用

杜国辉 张欣 苏木林 张一兵

摘要：熊冲隧道属于梧州市环城高速建设隧道之一，开挖掘进爆破工艺为光面爆破。隧道全长1500m左右，设计遂址区位于岩层断层区段，岩体比较破碎节理裂隙发育，受围岩岩性影响，爆破效果并不理想。为了优化爆破孔网参数，提高生产效率及经济效益，在现场做多次对比试验，对破碎性围岩隧道光面爆破技术进行试验研究。爆破后超欠挖控制在10～20cm以内，半孔率达到68%以上，试验效果显著。分析试验数据取得了合理的孔網参数，合理周边孔距为50～55cm。

Abstract： Xiong-Chong tunnel belongs to Wuzhou city high speed construction of tunnel. The blasting process is smooth blasting. The length of the tunnel is about 1500m. Affected by surrounding rock lithology， the blasting effect is not ideal. In order to optimize the parameters of blasting hole net， improve production efficiency and economic benefits， several contrast tests are done on the spot， and experimental study on broken rock tunnel smooth blasting technology is carried out. The control of over and under excavation after blasting is within 10 ～ 20cm. The half hole rate is more than 68%. The effect is remarkable. Through analysis of the test data， reasonable hole net parameter is obtained. The reasonable perimeter distance is 50～55cm.

关键词：光面爆破；半孔率；节理裂隙

Key words： smooth blasting；half-hole rate；joint fissure

中图分类号：U455.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0135-03

0 引言

光面爆破技术被广泛应用于路桥工程及基础设施建设工程中。在人口密度大的南方城市此类工程偏多，受南方地区丘陵地貌影响，公路工程的建设往往要修建隧道。由于隧道工程在整个项目中占的产值百分比往往偏高，隧道工程的质量好坏对整个工程影响很大。采用光面爆破技术对隧道围岩进行开挖，可以大幅度减小爆破对围岩的扰动，保证隧道围岩的完整性和承载能力，并形成光滑的轮廓面，符合岩石力学理论新奥法的要求。达到即保证施工进度，改善作业环境，又保证施工质量，并节约成本的目的[1]。熊冲隧道围岩情况复杂，需要通过现场试验来指导爆破施工。

根据施工经验，光面爆破一般采用两种方式，即预留光爆层法和全断面开挖法，全断面开挖法一般用于断面积较小的中小型隧道的开挖，预留光爆层法则一般用于大断面隧道开挖[2]。熊冲隧道采用全断面开挖法，周边眼采用光面爆破技术，严格控制爆破作业对隧道围岩的扰动，控制爆破超欠挖，形成光滑的隧道轮廓。针对不同的围岩情况，通过改变孔网参数来反复试验，优化钻爆参数。

1 工程概况

熊冲隧道属于梧州市环城公路No3工程项目需要修建隧道之一，熊冲隧道右洞设计长度1536m，左洞设计长度1495m。隧道位于城郊，离村庄有一段距离，周围无需要保护的建筑物。遂址区属丘陵地貌，地形起伏较大，沿隧道走向地表由残积层覆盖，隧址下伏基岩为寒武系上亚群中组砂岩，强风化层中节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂及镶嵌碎裂结构，节理呈不规则状交错分布，存在断层或断层影响破碎带，裂隙集中发育，对爆破作业有影响，需要通过试验探索合理的孔网参数，用数据指导爆破开挖施工，熊冲隧道破碎带情况如表1所示。

从熊冲隧道围岩断层情况来看，围岩节理裂隙整体情况为较发育，节理密度大，破碎程度高，抗震能力弱，爆破作业易对围岩产生扰动。

2 隧道光面爆破技术的应用与优化

2.1 周边眼爆破时的破岩机制

光面爆破是一种广泛用于隧道开挖的控制爆破技术，为了减少爆破对隧道的围岩的影响，在周边眼处采用低威力低爆速的小药卷炸药，严格控制周边眼之间起爆时间，区别于漏斗爆破的破坏形式，在周边眼爆破时保证应力波主要作用于周边炮孔之间，此时爆炸应力波叠加达到峰值，应力波进行叠加造成对岩石的破坏作用，使炸药的爆炸能量大部分集中作用与炮孔之间的围岩，因而有利于爆破后隧道的成型，形成光滑的轮廓线。

2.2 隧道爆破技术选择

根据熊冲隧道围岩的特点，结合施工目标的需求，即要达到设计高程，又要保证隧道整体轮廓的平整。隧道的开挖爆破采用上下台阶法进行爆破施工，以弱爆破、短进尺的原则指导爆破施工，周边眼按光面爆破技术要求选择参数。

施工目标要求：

①爆破后半孔率达到50%以上，隧道轮廓线基本光滑，超欠挖控制在一定范围内。

②对围岩的扰动小，爆破后续施工环节安全。

③经济效益明显，能如期完成工程任务。

2.3 掌子面炮孔布置

掏槽孔分布于掌子面的中央，为楔形掏槽，在爆破时将开挖面中心的岩石抛出，为辅助孔形成自由面，一般装药量较大；辅助孔分布于周边孔和掏槽孔之间，在掏槽孔爆破后，辅助孔爆破，将更多岩石崩落下来；周边孔分布于隧道轮廓线上，采用较小孔距，少量炸药进行爆破，以控制超欠挖；底孔则用于将隧道底部岩石抛出，一般孔距和装药量较大。钻孔器械采用风动凿岩机，采用φ40的钻杆，钻杆长度为5m。如图1所示。

2.4 装药量选取

2.4.1 炮孔装药量计算

应用于隧道爆破的炸药为φ32岩石乳化炸药，为了达到良好的爆破效果，采用合理的装是十分关键的[3]爆破一次总装药量计算：Q=K·s·L·η，kg；

式中：Q——爆破一次总装药量（kg）；

K——爆破每岩石所需炸药消耗量（kg/m3）；

L——炮眼深度，m；

s——隧道断面积，m2；

η——炮眼利用率，η=0.8-0.95。

2.4.2 掏槽孔、辅助孔、底孔装药量的确定

掌子面炮孔装药量与炮孔深度、孔距等因素有关，其装药量的确定依靠经验公式确定，如下式所示：

2.4.3 周边孔装药量计算

周边孔采用光面爆破技术，以多打孔少装药为原则进行炮孔装药量设计，每孔装药量计算公式为：Q孔=q线·L

其中：q线为光爆孔线装药密度；L为周边孔深度。

2.5 孔网参数选取

2.5.1 炮孔间距

掌子面炮孔数量的选取主要按照经验公式选取：N=K（f·s）/2，依据设计的炮孔数量设计掏槽孔、辅助孔和底孔的间距和排距，熊冲隧道炮孔参数如表2所示。

光爆层指周边眼到最近一圈辅助眼的距离，即周边眼的最小抵抗线W，它对爆破效果有较大的影响，选择合理的光爆层厚度，可以控制超欠挖，提高光爆效果。光爆层厚度的选择与岩石性质与地质构造有关，根据工程经验，围岩松软和节理裂隙较多的围岩隧道，光爆层厚度选取较大值，围岩坚固的则选取小一些。周边眼距与光爆层厚度的比值m[3]（炮孔密集系数），计算公式如下：

m=（1）

2.5.2 炮孔排距

隧道掘进爆破属于抛掷爆破，起爆后掏槽孔最先起爆，产生自由面，为其余炮孔的起爆创造条件，随后逐排炮孔先后起爆，炮孔排距略小于炮孔间距。

2.6 装药结构及起爆顺序

为了减少爆破对围岩的扰动，周边眼采用分散装药的装药结构，试验将周边眼内药卷分为3部分。各部分药卷及各个炮孔（周边眼）之间用导爆索连接。

雷管选用Ms1、3、5、7、9、11、13段导爆管雷管进行起爆，炮孔起爆先后顺序为：掏槽眼、辅助眼、周边眼和底眼。并合理的选择雷管延期间隔，为获得较好的光爆效果，软岩一般采用100～200ms，硬岩100ms[4]，炮孔起爆顺序及网路图如图2所示。

3 爆破效果分析

结合熊冲隧道围岩的地质条件，采用上述参数进行爆破试验，隧道拱顶的20个左右周边孔敷设导爆索，采用光面爆破技术，并根据实际情况进行必要调整，来控制隧道轮廓的超欠挖，取得了良好的试验效果，部分试验结果参数见表3。爆破效果图见图3。

第2组试验半孔率为78%，平均超欠挖为11～15cm，达到了良好的试验效果，孔距50～55cm为合理周边孔距；从试验结果可以看出，在一定范围内减小周边眼间距、减少单孔装药量能提高爆破效果，爆破后隧道轮廓较平整，超欠挖量≤20cm；炮眼利用率高，炮眼残留率约为70%～80%，达到光面爆破的要求。

4 结论

在熊冲隧道应用光面爆破技术，根据隧道围岩节理裂隙发育特点，加密周边眼，减少装药量并优化装药结构等试验参数进行试验，并取得了成功，有效的提高了施工质量，经济效益明显，形成了一套合理的孔网参数。通过改善爆破方法降低了因爆破而产生的对围岩的扰动，提高了稳定性和安全性，达到安全施工的目标。另外注意提高钻孔质量，填塞质量等，对爆破效果的好坏也具有影响，因为钻孔质量的好坏决定着光面爆破的效果[5]，填塞炮泥可以增加炸药爆炸时爆生气体对孔壁的作用时间。本隧道的光面爆破试验取得的成果，为国内类似隧道开挖工程提供参考。

①在隧道掘进初期，使用一般控制爆破方法进行施工，爆破后超欠挖大，大大增加二衬喷浆工作量，据前期统计因爆破引起的超欠挖造成二衬喷浆量将近翻倍。与一般控制爆破方法相比，采用光面爆破的方法进行隧道开挖具有更好的经济效益，降低了成本，在改变孔距、装药量的基础上试验将爆破效果得到进一步的优化。

②通过改善爆破方法降低了因爆破而产生的对围岩的扰动，提高了稳定性和安全性，达到安全施工的目标。将超欠挖控制在较小范围内，提高了工程质量，保证了施工进度。

③注意提高钻孔质量，填塞质量等，钻孔质量的好坏决定着光面爆破的效果，填塞炮泥可以增加炸药爆炸时爆生气体对孔壁的作用时间，强化现场管理和验收。

参考文献：

[1]潘明亮，段宝福.大断面隧道光面爆破技术的改进与应用[J].有色金属（矿山部分）2011，63（2）：69-73.

[2]姜德义，李付胜，滕宏伟，任松.城市大跨度公路隧道光面爆破设计与优化[J].重庆大学学报，2008，31（11）：1291-1295.

[3]顧义磊，李晓红，杜云贵，王心飞.隧道光面爆破合理爆破参数的确定[J].重庆大学学报（自然科学版）2005，28（3）：96-97.

[4]黄宝龙，单仁亮，殷凯，张亮光面爆破技术在软弱围岩隧道掘进中的应用研究[J]中外公路2010，30（6）：176-178.

[5]段宝福，董道海.武广专线大瑶山隧道光面爆破施工技术[J]工程爆破，2008，14（2）：39-41.