隧道光面爆破施工技术要点分析

张宝林

摘  要：光面爆破技术作为一种有效的爆破控制技术，对施工质量、超欠挖及成本控制至关重要，但是在山岭隧道中经常遇到地下水、岩爆等地质情况，给光面爆破施工带来不便。该文针对该种情况以温泉隧道为背景，从爆破原理、光面爆破参数设计、光爆后效果等几个方面进行探讨，得出合理的施工设计参数，在此基础上提出合理的施工控制技术，为后续隧道钻爆设计提供参考及优化辅助和依据。

关键词：光面爆破；山岭隧道；爆破设计；爆破效果；控制技术

中图分类号：U455.6      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0189-04

Abstract： As an effective blasting control technology， smooth blasting technology is very important for construction quality， over-underexcavation and cost control， but geological conditions such as groundwater and rockburst are often encountered in mountain tunnels， which brings inconvenience to smooth blasting construction. In view of this situation， this paper takes the hot spring tunnel as the background， discusses the blasting principle， the parameter design of smooth blasting and the effect after smooth blasting， and obtains the reasonable construction design parameters. Finally， this paper puts forward the reasonable construction control technology on this basis， so as to provide reference and optimization assistance and basis for follow-up tunnel drilling and blasting design.

Keywords： smooth blasting; mountain tunnel; blasting design; blasting effect; control technology

在隧道掘進爆破施工过程中，常常发生爆破后得到的隧道轮廓凹凸不平，甚至严重的超欠挖现象，对后续施工及工程进度造成很大影响。这种现象长久以来一直困扰着相关研究人员及现场施工人员，往往影响隧道施工的整体进度，加大工作量，容易延缓完工，还给后续施工（出渣、打孔等）造成了极大的影响，因此研究人员对这个问题进行了大量研究。罗志光等[1]以江罗高速公路为背景工程进行研究，通过现场试验对周边眼的装药方式进行了深入探讨，提出了一种将水、空气、乳化炸药3种材料进行合理装填的爆破技术，对隧道光面爆破施工具有一定的使用价值。周亦玲等[2]针对Ⅴ级围岩采用聚能水压光面爆破技术，能更有效地控制超欠挖，降低成本、加快施工进度。杨大喜[3]针对光面爆破技术所包含的一系列概念、优势特点等内容进行简单阐述，从而为隧道爆破后的稳定性及安全施工提供了有利支持。范小桃[4]、李唐军等[5]、陈文强[6]从结合现有与光面爆破有关的设计、施工方法和技术，为其提供进一步的优化与补充，保证光面爆破技术在隧道掘进施工中的有效、合理应用。吕栋梁[7]探讨了光面爆破法的原理、爆生气体准静压力工作操作优点，并从光面爆破参数设计和光面爆破施工控制方面提出了相关注意事项，提高了工程质量，为类似工程施工提供了参考标准。

上述研究主要集中于周边孔的装药方式、爆破参数及设计，本文在相关研究的基础上，以延崇高速公路温泉隧道为工程背景，采用导爆索将周边炮孔中的炸药串联起来，即采用导爆索起爆周边孔的技术，对隧道光面爆破技术做进一步的探讨。

1  光面爆破技术原理

光面爆破是一种针对超欠挖现象的控制爆破技术。这种技术严格控制岩体开挖边界与设计要求相吻合，对围岩产生较小的破坏，同时保持隧道轮廓光滑。具体操作方法就是沿着隧道开挖设计轮廓线布置更加密集的周边孔，同时减小装药直径或将连续装药改为间隔装药，增大炸药与孔壁之间的空气间隔，减少爆破孔装药量，降低爆炸冲击波在孔壁围岩上的峰值压力，其作用机理如图1所示[8]。

图1  相邻炮孔同时起爆时应力波作用示意图

A、B为孔间距l的临近炮孔，当炮孔内部装填的炸药在同一时刻起爆后，爆炸应力波以炸药为中心呈球面波的形式向炮孔四周传播，其中在相对方向上的应力产生叠加彼此之间抵消，在其他方向上形成垂直于炮孔连线的合应力σh，而在相反的方向上沿炮孔连线生成强大的拉应力，众所周知岩石作为抗压不抗拉的坚硬介质，在起爆后沿炮孔布置轮廓线形成裂隙，从而形成光滑且平整的破裂面，轮廓线以外的岩体受到的破坏作用较小，进而维持围岩原有的稳定。此外，在地质条件已经确定的条件下，合理的爆破参数是影响光面爆破效果的重要因素[9]。

光面爆破技术是一种专门用于应对超欠挖现象的控制爆破技术。它的核心目标是确保岩体的开挖边界与设计要求完全吻合，同时最大程度地减小对围岩的破坏，以保持隧道轮廓的光滑和规整。这种技术的具体操作方法非常精密，它包括以下几个关键步骤：①密集的周边孔布置。在隧道的设计轮廓线上，需要布置更加密集的周边孔。这些孔位于隧道的边缘，其目的是将爆炸冲击波引导到预定的方向，以确保岩体的开挖边界准确。②减小装药直径。为了降低爆炸冲击波在岩体内的峰值压力，可以采用减小炮孔中的装药直径的方法。这有助于减轻岩体受到的冲击力，从而减小围岩的破坏程度。③间隔装药。另一种常用的方法是将连续装药改为间隔装药，也就是在炮孔中不是连续填充炸药，而是留出一些空隙。这些空隙可以减小爆炸冲击波对围岩的影响，降低压力峰值。④增大炸药与孔壁之间的空气间隔。通过增加炸药与孔壁之间的空气间隔，可以减小冲击波的传播速度，降低冲击力，从而减少对围岩的损害。

这些操作方法的综合应用有助于实现光面爆破技术的目标，即在开挖过程中最小化对围岩的破坏，同时确保隧道轮廓的精确性和光滑度。这种技术的作用机理是通过精细的控制爆炸过程，使爆炸冲击波按照设计要求传播，从而达到保护围岩的效果。

2  光面爆破施工设计

2.1  工程概况

本工程位于北京市延慶区西部的张山营镇境内，海拔2 241 m，拟建隧道所在区域地形相对复杂，主要为山地。隧道段地层主要为燕山期兰角沟中粒似斑状二长花岗岩，仅在入口处可见西大庄科细粒角闪花岗岩，且细粒角闪花岗岩和兰角沟中粒似斑状二长花岗岩侵入接触。该段植被覆盖率约为85%，海拔高程在812～1 168 m之间，进洞口处最低，向西逐步升高，线路基本沿兰角沟南侧山坡延伸。本工程施工范围内遇到的不良地质现象有：地下水、岩爆及洞口偏压等。地下水可能会对隧道施工和围岩稳定性产生影响，需要采取合适的排水和防水措施。岩爆是在岩石破裂时产生的剧烈爆炸，需要采取爆破控制和支护措施以确保工程安全。洞口偏压可能会导致隧道结构的不稳定，因此需要采取措施来平衡洞口的地压力。

在面对这些地质挑战时，工程团队需要密切监测地质条件，灵活调整施工计划，并采取适当的工程措施来确保隧道工程的顺利进行。这包括合理的爆破设计、岩石支护和水文地质工程等方面的工作，以保障工程的成功完成。

2.2  爆破参数设计

延崇高速（北京段）第七合同段温泉隧道施工段地质条件复杂，围岩种类多，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩均存在施工过程中。Ⅲ级围岩区段采用全断面一次爆破成型的施工方法，炮孔根据掏槽孔、辅助孔、周边孔等分区布置和分区顺序起爆。温泉隧道所在岩体为Ⅲ级围岩，炮孔具体布置数目根据现场试爆确定，采取楔形掏槽，辅助孔炮孔深度为3.3 m、周边孔炮孔深度为3.3 m，掏槽孔炮孔长度为3.9 m，底孔炮孔深度为3.3 m，孔径为42 mm。

2.2.1  孔网参数选取

孔网参数的选择根据设计规范中的要求进行计算确定，计算爆破相关参数如下[10]。

1）两炮孔之间的间距：E=（8～18）d，式中d为隧道采用的炮孔直径，计算可知E=0.34～0.76 m，在此次工程中炮孔间距选择0.4 m。

2）光爆层是指周边孔与最近一排辅助孔之间的距离，它对爆破开挖面的平整度有较大的影响，因此选择合理的光爆层厚度，可以控制超欠挖，提高光爆效果。根据众多工程实践经验可以了解到，光爆层厚度随着围岩性质的减弱而增大，随着围岩性质的增强而减小[11]。光爆层厚度W光=0.7 m。根据以上计算结果，结合工程施工具体情况，对炮孔参数进行选取，最终确定为周边孔，设计孔平均间距为40 cm，光爆层厚度为70 cm，底孔平均孔间距为80 cm，辅助孔平均间距为80 cm，根据前述计算及光面炮孔布置，隧道全断面炮孔布置设计数目为112个，周边孔40个，底孔10个，辅助孔48个，掏槽孔14个，炮孔布置如图2所示。

图2  实际炮孔布置图

根据以往的工程经验，在炮孔直径、炮孔数量、隧道横断面积三者之间存在一定的关系，具体如图3所示[12]，根据上述理论计算可以确定除了周边孔之外，掏槽孔和辅助孔数量为72个，本隧洞横断面面积约为54 m2，炮孔直径为42 mm，那么炮孔个数据经验推算约为70个，理论计算值与经验值相差不大，因此，此次炮孔设计可以用于施工过程。

图3  炮眼数量（不含周边孔）与断面积关系

2.2.2  装药量计算

在光面爆破过程中，周边孔的质量决定了光面爆破的效果，在保证爆破设计要求的前提下使得隧道围岩受到的振动损伤尽可能小，因此，炸药和装药结构的选择需要特别关注，根据温泉隧道围岩特点，采用2#岩石乳化炸药。隧道围岩为III级，岩石较完整，在施工时采取不耦合装药结构。装药不耦合系数最小值为1，在药卷直径确定的情况下，不耦合系数随着炮孔直径增大而增大，夹在炸药与孔壁之间的空气垫层越厚，对爆炸应力波的缓冲作用就越明显，可提高光爆效果。但是，不耦合系数太大则容易造成爆破效果达不到预期，因此在一般的地下工程采用光面爆破时，根据围岩情况不耦合系数在1.3～2.0之间浮动，在此次爆破过程中，参考前期爆破参数，孔径42 mm，药卷直径30 mm，不耦合系数为1.4能够满足设计要求。因此，经过计算各类炮孔装药量见表1。

2.2.3  起爆顺序

在周边孔中采用间隔装药的结构形式，就是将周边孔内的炸药分成多段，每段之间不连续为空气间隔，达到轴向不耦合的目的，各个分段的炸药及周边孔的每个炮孔之间利用导爆索按照具体施工要求进行连接，尽量减小人为因素导致盲炮。然后选择合理的雷管延期间隔，能够有效地生成自由面为后排炮孔的爆破提供帮助，从而能够获得较好的光爆效果，因此参考相关研究成果，雷管选用毫秒延期雷管段别分别选用1、3、5、7、11、13及15 ms段进行起爆，炮孔起爆顺序如图4所示。

3  爆破效果分析

采用上述获得的施工参数在温泉隧道进行现场爆破试验，并根据实际情况如裂隙、碎石等进行合理且必要的调整，爆破效果图如图5所示。

从控制成本的角度分析，减小了每个周边孔的间距及减少了每个周边孔的单孔装药量能提高光面爆破效果，但是不可避免地会导致炮孔数量增多，增加施工成本，因此需选择适当的周边孔孔距，在保证爆破效果的同时尽可能降低成本，此次施工依据公式计算结果，在适合的范围内选取稍大的孔距，既能达到爆破效果又能节省成本，因此可以将孔距定为40～50 cm，爆破后平均超欠挖仅为12 cm，爆破后隧道轮廓较平整，整个爆破将超欠挖量控制在20 cm之内；炮孔残留率在75%～85%，从图5可以看出爆破后隧道轮廓较平整，超欠挖量控制在合理的范围之内，炮眼利用率高，达到了光面爆破的要求。

4  施工技术控制

光面爆破的爆破效果除了受爆破参数的影响外，还受到以下因素的影响：①炮孔施钻。从某种角度来说，光爆效果能否达到设计所要求的精度，60%取决于炮孔质量，40%取决于炮孔的布置形式及装药方式等，因此打钻工人需要较高的施工水准，在打周边孔时要确保周边孔的 “准、直、平、起”，即周边孔准确地打在设计轮廓线上，炮孔与掌子面垂直、周边孔之间保持相互平行、炮孔底部整齐排布在同一平面。②堵塞。为了达到最好的光爆效果，需要对炮孔进行填塞捣实，防止出现空洞或者阻隔等现象，同时也要避免对导爆管或导爆索造成破坏。

图4  爆破起爆顺序

图5  爆破效果

5  结论

在隧道施工中采用光面爆破技术除了上述的设计参数外，还存在众多影响因素：①在允许的条件下，尽可能的精确设置和选择孔径、孔深、孔间距、炮孔内部药量和装药结构等，这些都会对光面爆破效果产生巨大影响。②隧道的地质环境不同，施工参数也必然不同，不能一概而论，应该根据不同围岩级别进行参数计算，同时参考类似工程进行调整，才能获得较为理想的爆破效果。

温泉隧道掘进爆破中，依据上述原则设计对周边孔加密并且减少装药量，通过优化及改善爆破方法大大降低了因爆破而产生的对围岩的扰动，光面爆破效果显著达到了预期效果，同时有效地提高了施工质量，达到安全施工的目標，经济效益明显，形成了一套合理的孔网参数，并提出相应的施工控制技术，为后续相似地质条件下的施工提供参考。

参考文献：

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[4] 范小桃.分析光面爆破技术在隧道施工中的应用[J].黑龙江交通科技，2018，41（6）：187-188.

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[6] 陈文强.水压光面爆破技术在董当特长隧道施工中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（4）：268-269.

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