II、III 围岩光面爆破技术研究及提升

王新军

（中铁十五局集团第五工程有限公司， 天津 300133）

1 工程概况

蒙华铁路MHTJ-29 标二工区起讫里程DK1627+467.08～DK1646+530，全长19.063km。管段内共有隧道18 座，总长13622m，占线路总长的71.5%。隧道穿越的地层主要以板岩、白云岩和花岗闪长岩为主，其中II、III 围岩地段共计5600m，光面爆破工作量较大，光面爆破效果提高将为项目带来巨大的经济效益。本文以张坊隧道出口为试验段，本试验段以花岗岩为主，岩石较硬，进行理论计算和现场调整，制定一套合理的爆破方案，不断优化。

2 光面爆破参数设计

2.1 制定炮眼间距

炮眼间距设计前提，最少爆破后能形成贯通裂缝，根据力学条件，必须使得炮孔间距E≤每单个炮孔爆生裂缝的长度a 的2 倍，约束关系式可描述为E≤2am+b (am 为裂缝的最终长度，b 为炸药直径，现场炸药直径32mm)，且按照理论公式近似地计算。

式（1） 中：Kp-岩石抗屈服系数，Kp=0.04f（岩石普氏系数），f=Rc（岩石的单向抗压强度） /10，张坊隧道出口光爆段岩石为花岗岩，较坚硬～坚硬，根据现场岩石饱和单轴抗压强度情况，可确定岩石的普氏系数f＝5～8，现场试验段为花岗岩中等硬岩f 可取5，所以岩石的抗屈服系数Kp＝0.04f＝0.2；b 为炸药直径（cm），现场施工采用32mm 炸药，确定孔距的经验公式为式（2） ：

E=（9～14） b，（b＜60mm）[2]（2）

由式（1） E＝54.2976Kp×b 计算得光爆孔孔距为E=34.7cm。由式（2） 计算周边眼孔距为E＝28.8～44.8cm。一般隧道适当减小炮眼间距或者预留不装药的空眼来作为导向裂隙，爆破效果都比较理想，所以张坊隧道出口现场按照炮眼间距E＝35cm 布置。

依据爆破中各个炮孔的作用，可将隧道爆破炮孔分为周边眼、辅助孔、掏槽眼。根据工程进度计划，炮孔深度为3.5m，现场钻头40cm，所以炮孔直径d＝40mm,现场掏槽眼4m。

2.2 确定最小抵抗线

最小抵抗线（岩石阻力最小的方向且装药量心到自由面最短距离） 直接影响光爆面平整度，当周边眼最小抵抗线W较大时，爆破后岩体碴块破碎的块度过大，有可能造成欠挖；最小抵抗线过小时，会造成开挖轮廓线外围岩的破坏与剥落，所以要合理确定最小抵抗线，减少超欠挖。

在施工中要尽量仔细观察地质情况，周边眼布置与结构面垂直时，其对光滑壁面的形成影响较小。当与结构面重合时，其反而有利于光滑壁面的形成。并且每排炮眼布置尽量满足梅花形布置，减少应力分散，避免围岩受力不均。

对于光面爆破，最小抵抗线是指岩石阻力最小的方向且装药量心到自由面最短距离。光面爆破中的炮孔密集系数是光面爆破参数中一个关键性参数，是指孔距E 与最小抵抗线W 的比值，即M=E/W。在工程中，一般情况下m＝0.8～1。当m＞1 时，爆破后容易出现炮孔间裂隙而成偏斗爆破；当m＝1时，爆破后光爆孔间容易形成比较好的贯通裂缝。m 的合理取值是0.7～1.13，最佳取值在0.8～1.13 之间。从工程实践出发，m 的取值根据岩石性质、地质构造和开挖进度等条件，现场花岗岩为中等硬岩，爆破试验确定m 取0.8。W=E/m=43.75，现场施工统一取45cm。

同时最小抵抗线可由理论公式（3）：

式（3） 中：ρ-装药系数为装药长度与炮眼长度之比，张坊隧道出口装药采用间隔装药，ρ=3/3.5=0.85；L-周边眼炮孔深度，m，现场根据钻杆长度及进度要求，施工炮孔深度为3.5m；Q-单孔周边眼装药量（kg）。

因此，W=W/ρEL=45cm，Q=wρρE=0.468kg。

现场根据施工方便，周边眼单孔炸药量Q=0.5kg。

2.3 优化装药方式

不偶合系数是指炮孔直径与装药直径之比40cm/3.2cm=1.25，它反映了药包与孔壁间的接触情况。经上面求得周边眼单孔炸药量0.5kg，现场炸药每根长度20cm，炸药量0.2kg。研究表明，空气耦合光面爆破效果优于水耦合爆破[1]，同时空气耦合采用间隔装药也有利用现场施工[3]，现场采用竹片进行间隔装药。

3 现场施工优化

3.1 爆破连接方式

为提高光面爆破效果，现场炸药采用导爆索连接，周边眼装药方式如图1 所示，隔孔采用雷管连接，雷管连接采用正向、反向交叉连接，如图2 所示。

图1 周边眼装药方式

图2 雷管采用正向、反向交叉连接

3.2 优化施工工艺

由于开挖台架影响，按照现场4m 钻杆施工，炮眼外插角无法达到设计标准，经过观察和实验，采用短钻杆套长钻杆施工，确保了每个炮孔外插角的准确度。

4 制定炮眼位置

按照理论数值制定炮眼布置图，同时现场跟班作业，及时调整炮眼不合理位置，综合考虑台架和施工条件影响，将炮眼布置图调整到最适合此段围岩爆破，如图3 和图4 所示。

图3 炮孔布置图（单位：cm）

图4 掏槽眼布置图（单位：cm）

5 光面爆破成果

5.1 减少喷射混凝土消耗

随着光面爆破效果的提高，最直接的变化就是喷射混凝土消耗量，统计了2016年11 月份到2017年6 月份喷射混凝土理论数量、实际消耗量及计算出超方率。如表1 所示。

表1 张坊隧道出口各月喷射混凝土超耗情况统计表（单位：m3）

根据表1 统计数据，可看出张坊隧道出口开始实施光面爆破之后，线性超欠挖得到明显改善，喷射混凝土的超方情况得到明显的遏制，超方率显著降低，光面爆破效果提高，喷射混凝土实际消耗数量接近理想设计值。

5.2 经济分析

自光面爆破开始实施以来，隧道超欠挖得到了有效的控制，喷射混凝土超方情况得到明显改观，以合理超方量为基准，经初步测算，自2017年3 月开始进行光面爆破试点开始，截止到2017年9 月30 日，张坊隧道出口在实施光面爆破阶段累计节约喷射混凝土约1000m3，按喷射混凝土成本价420 元/m3 计算，仅节省喷射混凝土这一项就节约成本42万元。再考虑喷射混凝土的时间减少，施工工效的提升，处理超欠挖的情况减少，施工进度的加快，综合考虑下来节省的费用相当可观，经济效益明显。

6 结语

张坊隧道出口光面爆破效果提高，直接提高了隧道施工进度，同时好的光面爆破施工，质量和安全也能得到保证，在经济和业主评价中，为企业创造了效益和荣誉。但是光面爆破设计不是一直不变的，需要现场技术人员根据现场围岩情况和施工条件及时更改基础参数，保证光面爆破质量不下滑。