光面爆破技术在镇广高速秦家岭隧道中的应用

李 钰

（四川路航建设工程有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

钻爆法作为隧道开挖的首选方式，具有成本低、进度快、可靠性高的优点。然而使用传统的爆破隧道开挖技术，容易出现超挖和欠挖的现象，使得隧道开挖断面凹凸不平，并对隧道围岩产生较大扰动和破坏，因此，目前在隧道开挖的过程中使用较多的是光面爆破技术。

隧道光面爆破技术[1-2]是指通过合理的孔网参数设计和起爆方式，使得隧道轮廓线较为光滑和完整。由于是通过分段间隔装药的方式，使炸药爆炸的能量和冲击力在炮孔内壁分布较为均匀，因此在减小爆破震动的同时，也减少了对周围围岩的损害，使得围岩在爆破施工后仍具有很强的稳定性[3-5]，有利于后续断面的施工和操作。本文以镇广高速秦家岭隧道工程为背景，研究在该地质条件下隧道的合理孔网参数和起爆方式，以减小和控制隧道断面的超欠挖，提高隧道围岩的稳定性，加快后续施工环节的进度，进而减小隧道施工的时间，节约工程成本。

1 工程背景

秦家岭隧道是镇广高速的核心区间之一，秦家岭隧道处于大巴山—米仓山南麓，区域内构造较为复杂，隧址区分布地层岩性以紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等软质岩为主，部分段见灰白色中厚—厚层状细砂岩，岩体裂隙发育，早期应力多已释放。岩层倾角较陡，岩体发育有竖向裂隙且自稳性较差，部分岩体裂面不平直，略有弯曲且有泥质充填。隧道围岩大多属于Ⅳ、Ⅴ级围岩，局部区段属于Ⅲ级围岩，岩石单轴抗压强度大致为30MPa。隧道周边200m 范围内无建（构）筑物和地下管线。

按照非光面爆破方法进行施工，虽然每次爆破施工循环作业的单次进尺满足需要，但由于单次起爆药量大，装药方式不合理，且使用耦合装药方式，过多的能量被用来粉碎炮孔周围的岩体，炸药能量利用率低，使得周围岩体爆破震动过大，对工程结构的安全性和稳定性产生危害。并且爆后隧道的轮廓面不光滑平顺，隧道断面轮廓线凹凸不平（图1），超欠挖现象非常严重，单次爆破循环的平均超欠挖达到了20～25cm，远远高于隧道轮廓线规定的平均标准15cm。由于该隧道岩石强度高，对炮孔底部的夹制作用强，爆炸能量大部分集中在孔底，使得炮孔底部的破碎较为明显，因此炮孔的利用率和半孔率较低。

图1 原方案爆后效果图

2 爆破参数分析

2.1 爆破设计相关公式

由于设计隧道断面面积较大，属于大断面隧道，因此采用台阶爆破法开挖。原方案对周边孔采用非光面爆破的方式，即对周边孔采取连续线装药的方式，周边孔钻孔径为40mm，设计孔深约为3.7m，沿着隧道轮廓线外插约为10cm，按照堵塞长度为40cm 来计算，实际周边孔装药长度约为330cm，装药质量约为3.3kg，线装药密度达到了0.33kg/m。但由于周边孔与外圈掘进孔之间的排距不合理，最小抵抗线在1m 左右，导致周边孔与外圈掘进孔之间的炸药单耗较小，且炸药能量集中，因此起爆后对周边孔的破坏较大。并且原方案采用导爆管雷管延时起爆的方式进行引爆，导爆管雷管起爆的延时时间存在一定的误差（15 段雷管毫秒延时误差可达50～100ms），使得炮孔之间的起爆顺序并非按照设定的段别进行起爆，容易在起爆时出现抵抗线小于设计抵抗线的情况，可能会产生不合理的自由面，影响后面炮孔的爆破效果，使得炸药能量整体分布不均，导致爆破掌子面和轮廓线凹凸不平。最后，通过对原方案起爆后爆破效果的分析，以及对掌子面和炮孔的观察发现，掌子面凹凸不平，不平整度达到了30cm，残孔深度深浅不一，周边孔炮孔外插过大，说明炮孔之间偏差较大，且钻孔深度不一。导致爆破后平均超挖过大，初期支护的实际喷射混凝土量约为设计值的2倍以上，即超喷率超过100%。

为有效解决以上问题，需要用光面爆破法进行爆破设计。根据现场实际情况，选用38mm 的钻头，钻孔直径为40mm，选用炸药种类为2#岩石乳化炸药，药卷直径为32mm，单卷药量为300g，长度为300mm。

（1）由于隧道开挖爆破只有一个临空面，因此需要设置掏槽眼扩大自由面，而斜眼掏槽因其良好的效果被广泛使用，其中斜眼掏槽孔的长度由下式确定：

式中：L——掏槽眼的钻孔长度；

B——开挖断面的宽度，斜眼掏槽孔与隧道断面的夹角由岩性和进尺深度来确定。

由于隧道围岩大多属于Ⅳ、Ⅴ级围岩，属于中等硬度岩石，在隧道开挖爆破作业中，掏槽孔的装药量最大，炸药单耗最高，如果采用单级掏槽会产生较大的爆破震动，因此采用二级斜眼掏槽。经过现场反复爆破试验，以及对爆后爆破效果的总结分析，得出单次爆破循环最佳进尺为3.5m。此时一级斜眼掏槽孔的深度约为3.9m，与隧道掌子面的夹角为45°，二级斜眼掏槽孔的孔深约为4.8m，与隧道掌子面的夹角为55°，同一级的掏槽眼的孔底间距均为20cm。

（2）炸药采用不耦合装药，装药方式为空气间隔装药，在不耦合装药作用下，炸药爆炸后的压力均匀分散在炮孔中，一般小于所爆岩石的极限抗压强度而大于极限抗拉强度，因此隧道周边孔的间距可采用以下公式计算：

式中：E——周边孔的孔距，cm；

K——周边孔的密集系数；

d——炮孔直径，mm；

W——光爆层厚度（即周边孔抵抗线）。

对于Ⅳ、Ⅴ级围岩等中等硬度岩石，一般周边孔的密集系数K取0.8，炮眼间距E取50～75cm，气即光爆层厚度W取60～80cm，装药线密度一般为0.12～0.2kg/m，由于现场岩石属于中强度岩石，因此线装药密度取0.15kg/m，经过现场爆破试验，当光爆层厚度W取为65cm，周边孔孔间距取为50cm时，爆破效果最佳。

（3）炸药单耗q。隧道掘进爆破的炸药单耗主要与岩性和开挖断面积有关，由下式给出：

式中：q——炸药单耗，kg/m3；

f——岩石普氏系数；

k0——考虑炸药做功能力的修正系数；

s——开挖断面积，m2。

按（3）式计算得q=1.10～1.70kg/m3。设计时，按1.5kg/m3选取。

（4）单循环装药量Q。按照一次爆破的岩体体积计算单循环爆破的装药量[8]

式中：η——炮孔利用率，一般取0.80～0.95。

对之前爆破效果分析发现，单次循环爆破进尺长度均能达到预定的进尺长度，且没有较大的块体产生，说明之前爆破扩槽孔以及掘进孔的打孔位置以及孔网参数较为合理，能够满足进尺要求，只是打孔精度和钻孔质量需要提高，因此周边孔、外圈掘进孔以及掏槽孔孔网参数需要调整，其余孔网参数可按照之前的方式布置。

2.2 光面爆破参数设计

2.2.1 掌子面孔网参数

根据上述设计公式以及借鉴之前爆破孔网参数，可得光面爆破布孔方式。由于隧道直径长度为13.13m，单次进尺为3.5m，进尺长度较大，为减小对围岩和初期支护的扰动，采用二级复式斜眼掏槽孔，一级斜眼掏槽孔的深度约为3.9m，与隧道掌子面的夹角为45°，二级斜眼掏槽孔的孔深约为4.8m，与隧道掌子面的夹角为55°，一级掏槽孔设置为4对，孔距为45cm，二级掏槽孔设置为6对，孔距为55cm，两排炮孔的孔口距离为30cm。扩槽孔与二级掏槽孔孔口距为65cm，与掌子面的夹角约为62°。两排掘进孔之间孔口距均为70cm，与掌子面之间夹角分别为70°与80°。光爆层厚度为65cm，周边孔孔距：除靠近底板孔的间距为30cm外，其余孔间距均取为50cm。

2.2.2 装药密度和堵塞长度

除周边孔外，其余炮孔均采用连续线装药的方式，所使用药卷长度为300mm，一级掏槽孔装药长度为2.1m，堵塞长度约为1.2m。二级掏槽孔装药长度为2.4m，堵塞长度为2.4m。其余炮孔（非周边孔）堵塞长度约为1.3m，剩余炮孔长度进行连续线装药。周边孔采用空气间隔装药，间隔距离为50cm，装药密度为0.15kg/m，周边孔各炮孔之间使用导爆索进行T 型连接，使用雷管同时起爆。

2.2.3 起爆网路设计

根据隧道台阶爆破设计要求，掏槽孔需最先起爆，因此在满足震动要求的前提下，一级和二级掏槽孔起爆段分别设置为毫秒1段和3段，扩槽孔、掘进孔I和掘进孔II分别设置为毫秒5段、7段和9段。外圈掘进孔与底板孔设置为毫秒13段，该段起爆后能确保自由面平行于周边孔，提高光面爆破效果。周边孔采用15段雷管最后起爆，周边孔之间必须使用导爆索连接，以保证能够同时起爆。

3 爆破效果分析

采用隧道光面爆破方案进行开挖，并不断对光面爆破参数进行优化，取得了良好的爆破效果。

（1）在保证单次爆破循环进尺的条件下，隧道轮廓面凹凸不平的情况得到了明显的改善。轮廓面整体的不平整度基本控制在15cm 以下，超挖欠挖的现象明显减小。

（2）炮孔的利用率高，基本能达到95%，隧道掌子面较为光滑平整，没有出现欠挖的现象。周边孔的半孔率达到了85%，并且由于对周边孔采用空气间隔装药的方式，因此对围岩的扰动大幅度减小。通过对爆破后围岩变形的监测分析，围岩的收敛变形量小于所给的设计安全值，爆破后没有出现掉块落块的现象，充分保证了围岩的自身强度，使得围岩能够依靠自身的承载维持稳定（图2），使初期支护不再紧跟掌子面，极大地增加了下一爆破循环的钻孔作业面，使得钻孔精度和钻孔质量能够得到提高，加快了施工进度，有效地提高了施工效率。

图2 光面爆破的效果

4 结束语

综上所述，采用光面爆破能够有效地解决隧道爆破的超欠挖问题，使得隧道轮廓面不平整度由20～25cm降到了15cm 以下，减少了隧道初期支护的喷射混凝土用量，节省了工程成本，加快了施工速度；在光面爆破中采用空气间隔装药，使得炸药爆炸时压力能够均匀分布在炮孔壁上，提高了炮孔的半孔率，减少了炸药爆炸对围岩的扰动，使围岩能够依靠自身的强度维持稳定性，加快下一个爆破循环钻孔作业的进度；采用光面爆破能使单次爆破循环进尺达到3.5m，并且能够减小大块碎石的产生，爆破产生的碎石块度合理，易于清理和转运，为下一个隧道作业的循环提供了时间，能够提高施工效率和加快施工进度，值得在隧道施工中大面积推广和应用。