高速铁路隧道破碎围岩地段光面爆破技术研究

储巨球

（中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

光面爆破是一种爆出的新壁面保持平整而不受明显破坏的控制爆破技术，不良地质隧道开挖采用光面爆破，可减少对围岩的扰动、控制超欠挖、节约支护时间。

光面爆破优点如下：对围岩破坏轻微得多，声波探测表明，采用光面爆破，围岩松弛带的范围只是普通常规爆破的1/3～1/2，提高围岩稳定性，减少支护工作量。可以大大减少隧道超欠挖量，提高工程质量，加快施工进度，减少喷混凝土量。围岩壁面平整，危石少，排危工作简单，减轻了表面应力集中现象，增加了施工安全。

2 工程背景

太焦铁路皇后岭隧道斜井III级围岩600m，III级占隧道斜井全长87.5%，采用全断面法开挖。围岩为石灰岩，深灰色，弱风化，节理裂隙弱发育，水平分层、岩体较破碎。

3 光面爆破

根据围岩的特性及参照国内外一些类似工程，择优选取光爆参数。光爆参数一般包括炮孔直径、周边眼间距、最小抵抗线、密集系数、线装药密度等。

3.1 炮孔直径

炮孔直径一般选取为35mm～45mm。本次实施阶段采用的炮孔直径是42mm。

3.2 周边眼参数

3.2.1 周边眼间距

在不耦合装药的前提下，光面爆破应满足炮孔内静压力F小于爆破岩体的极限抗压强度，而大于岩体的极限抗拉强度的条件。隧道在开挖施工时可参照如下经验公式（1）选取：

式中，E——周边眼间距（mm）

d——炮眼直径（mm）

根据确定的炮眼直径，周边眼间距取值范围为504mm～840mm，结合本隧道围岩情况及表1提供的经验值，选取本次周边眼间距为500mm。

3.2.2 最小抵抗线及炮眼密集系数

最小抵抗线即光面层的厚度，取值大小与岩石的性质和地质构造等因素有关。

根据表1提供的经验数据，选取本次光面爆破最小抵抗线数值为600mm。

光爆层的厚度W与周边孔的间距E有着极为紧密的关系，二者的比值K=E/W，称为周边孔密集系数。本项目根据选定的E与W值，选取周边眼的密集系数如式（2）。

3.2.3 线装药密度

见表1。

各线装药密度 表1

3.2.4 不耦合系数

不耦合系数为炮眼直径与药卷直径的比值，一般取装药不耦合系数=1.25～2.5，见公式（3）。

3.3 装药结构

见图1。

图1 装药结构

4 钻爆设计

皇后岭隧道斜井III级围岩为石灰岩，节理裂隙发育，全断面开挖施工，开挖尺寸为 H高=7.1m、L宽=8.5m，S全=53.48㎡。循环进尺3m，钻眼采用YT-28凿岩机，炸药采用二号岩石乳化炸药，采用导爆索和非电毫秒雷管引爆。

掏槽眼、内圈眼间距为1.2m，排距0.6m。 现 场 掏 槽 眼 E=0.5m，W=0.55m。底板眼的间距适当加密，为1.0m。根据3.2提供的周边眼参数，炮孔设计图见图2、图3所示。

图2 炮孔布置图

图3 炮孔剖面图

5 现场验证实施

5.1 工艺流程

见图4。

图4 工艺流程图

5.2 测量

周边眼应沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合设计要求。辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石块块度适合装碴的需要。钻眼前，测量人员用红铅油准确地绘出开挖断面的中线和轮廓线，标出炮眼位置，其误差不得超过3cm，并交付隧道队技术负责人。通过测量将炮孔起钻点采用红色油漆标识在掌子面，并要求作业工人起钻点严格按照测量标识测点进行钻孔作业。

5.3 定位

按炮眼布置正确钻孔，掏槽眼和周边眼的钻孔精度要高，开眼误差控制在3cm以内，为确保周边眼炮孔角度的准确性，根据实际施工需求，制作了简易的角度卡具。

5.4 钻孔

根据炮眼布置对开挖人员进行区域分工，明确责任，落实好“五定”（定点、定人、定量、定时、定奖罚）。

图5 简易钻杆角度控制器

图6 皇后岭隧道斜井钻孔分工图

5.5 装药

炮棍采用不同颜色进行标记，保证炸药进入到炮孔的预定位置。

图7 炮棍标记塞药

5.6 连线

采用导爆索连接，在孔口紧贴岩面处导爆索穿成T形节，胶布只捆绑雷管的起爆段多余传爆管整理有序。

图8 导爆索T接

5.7 起爆

网络联好后，在准备起爆前，人员撤离危险区，应设保护设施的一定要设置，然后由安全员核实，方可进行起爆。起爆采用非电毫秒雷管。

5.8 排险

图9 光爆前排险后超欠挖严重

图10 光爆排险后无超欠挖

5.9 效果检查

①光爆后炮眼痕迹率达90%～95%，两炮衔接最大尺寸9cm，超欠挖量仅为5%左右；非光爆超欠挖量（30%）。

图11 光爆实施前后炮眼残留率

②光面爆破实施前后出渣量及超欠挖对比

见图12。

图12 光爆实施前后隧道断面扫面图

③喷浆料成本对比分析

设计要求每米喷浆料为4.47m³

原超方为（58.58+60.38）/2-53.48=6m³

现超方为55.21-53.48=1.73m³

综合喷浆量按照20%的回弹，每方量综合单价为820元，每3m节约成本为（6-1.73）×1.2×820×3=12605元。

计算的每循环总节约成本为（-194.3+943+12605）=13354 元

④时间功效对比

按照每循环3m进尺计算

a.打钻节省时间：

原设计136个炮孔，现设计114个，现场 11 把钻，节约时间：（136-114）/11×15=30min。

出砟成本对比分析 表2

b.接导爆索消耗时间:平均按照40min。

c.出砟节省时间:出砟车每来回最少花费20min。

d.找顶排险节省时间：每循环至少40min。

e.喷浆节省时间:平均9方料湿喷为40min，光爆每循环平均节约(6-1.73)×1.2×3=15.4方，节约时间为70min。

综合统计得：总节约时间为30-40+20+40+70=150min。

总结每循环按照3m进尺计算：节约成本约13354元，时间150min。

6 结论

通过采用光面爆破技术，很好地控制了隧道超欠挖，有效减少了喷射混凝土的消耗，大大降低了施工成本，取得了良好的经济效应；光面爆破完成后可立即架设钢架，喷射混凝土，大大缩短工序衔接时间，取得了较好的作业功效；光面爆破后围岩光滑平整，围岩应力分布均匀，作业安全系数高，取得了较高的安全价值；依据光面爆破与隧道监控量测成果，成功地将三肢钢架支护调整为锚网喷支护，经济效益、社会效益明显，为今后类似地质条件的隧道施工奠定了坚实的技术基础，提供了良好的借鉴。