光面爆破技术在木座隧道中的应用及优化

摘 要：为解决隧道湿喷混凝土损耗超量问题，以木座隧道为例，对光面爆破进行优化，对光面爆破施工过程中的炸药量计算、周边眼布置、装药结构分别进行优化，最大程度地控制围岩扰动，减少超挖。本文对常规爆破和优化后爆破的效果进行分析，确定V级围岩爆破采用底部加强药＋聚能管装药（间隔装药）＋水袋+双层周边护壁孔爆破模式，围岩的松动圈半径缩小了40%，最终有效钻孔深度达3.55m，炮孔有效利用率达到96%，双层周边眼护壁的防护效果显著。可以为光面爆破在破碎岩体条件下的施工技术提供数据参考，对控制隧道超欠挖具有经济意义。

关键词：光面爆破；周边眼；间隔装药；超欠挖

中图分类号：U 45" " " 文献标志码：A

在隧道爆破开挖过程中，由于各地段围岩地质类型不相同，因此无法使用同一种爆破参数，否则会对部分隧道工程爆破质量及施工进度产生很大影响，导致严重的超欠挖问题。针对不同围岩地质，为了提高爆破质量，需要在隧道爆破施工中不断优化施工方案，以适应施工条件的变化，同时调整爆破参数，规避超欠挖等问题[1]。因此，国内外许多学者对优化爆破设计的理论和方法进行了大量研究。

光面爆破是一种控制周边轮廓线、维持围岩稳定的科学施工技术，尤其在周边轮廓线要求较高的隧道、地铁等爆破施工中具有较为明显的优势，有助于形成规整、符合设计要求的爆破轮廓线[2]。

光面爆破对围岩的扰动范围较小，在隧道爆破施工中有利于保证围岩的稳定性，在完整性较好的岩体施工过程中有较大优势，但是在围岩强度较差，岩体较为破碎的岩体中，普通光面爆破技术对岩体更容易形成超挖现象，使支护成本增加。因此，优化光面爆破在破碎岩体条件下的施工技术，从而控制隧道超欠挖更有意义。

1 工程概况

木座隧道为特长隧道，长2594m。隧道最大埋深分别为653m、697m。木座隧道洞口段围岩等级为V级，洞身段分别为V级、IV级、Ⅲ级。IV级围岩以中微风化云母钠长片岩为主，夹少量绢云片岩和韧性剪切带，岩体较完整，结构面结合较好，属较硬岩，岩体呈中厚层状、块状构造，V级围岩以强风化云母钠长片岩为主局部夹杂漂石堆积体发育为主，受风化作用影响，岩体松散、破碎，多夹黄褐色破碎带，夹层局部有孤石、夹泥堆积，围岩自稳能力差、层间结合力差，隧道开挖后，拱顶及侧壁容易掉块和局部坍塌。

对木座隧道超前地质预报结果进行分析，木座隧道洞口段的围岩多为软弱破碎围岩，因此当隧道洞口段爆破开挖时，V级围岩段采用机械开挖和光面爆破方式，洞身IV级围岩段采用光面爆破[3]。

2 V级围岩常规爆破设计

在木座隧道爆破初期，根据设计方案对隧道某段进行光面爆破试验，使待爆破的岩石松动且岩壁不受或少受破坏；在爆破后，对爆破效果进行分析。

2.1 爆破参数设计

孔径D为42mm，考虑围岩不稳定等情况，掏槽孔、辅助孔、周边孔、底板孔孔深根据实际情况取值，具体见表1和表2。

采用楔形掏槽，周边轮廓布置周边孔，按光面爆破要求进行布孔和装药，开挖部分炮孔布置如图1所示。

2.2 爆破效果分析

采用上述光面爆破方案爆破开挖后轮廓围岩成形不规则，如图2所示。可以看出，轮廓周围岩炮孔残痕较少，隧道拱顶轮廓为波折形分布，岩块掉落分界面位置存在局部超挖，最大线性超挖约为30cm。左拱肩、右拱肩以及边墙岩体较为完整，局部存在欠挖，左、右拱肩最大线性欠挖分别约为20cm、15cm。

3 V级围岩隧道光面爆破技术的应用与优化

在保持其他影响因素不变的情况下，只考虑周边孔间距对隧道超欠挖的影响，对不同级别的围岩来说，周边孔间距有一个最合理的值。当周边孔间距大于该合理值时易发生欠挖现象，当周边孔间距小于合理值时，易发生超挖现象。

根据众多试验和数值模拟的结果，对V级围岩来说，在模拟的所有工况中，当炮孔间距约为40cm时，可以呈现较好的爆破效果，可以将隧道超欠挖控制在合理的范围内。

通过木座隧道左线围岩的爆破效果分析及改进设计方案，在木座隧道左线围岩段装药结构采用底部加强药＋聚能管装药（间隔装药）＋水袋+双层周边护壁孔爆破。

3.1 炮孔参数

孔径D为42mm，掏槽孔、辅助孔、周边孔、底板孔孔深等根据围岩质量、破碎情况等实际情况取值，具体见表3。

采用楔形掏槽，周边轮廓布置周边孔，按光面爆破要求布孔和装药[4]。

根据不同地质条件和施工进度确定炮眼深度，一般为0.7～2m，掏槽眼加深10%～20%。

根据公式（1）计算炮眼数目N。

（1）

式中：K为单位炸药消耗量，㎏/m³；s为开挖面积，m2；r为炸药的线装药密度，㎏/m；n为炮眼装药系数（0.2～0.4）。

周边眼间距：E＝（12～18）d。抵抗线：W＝（1.0～1.5）E。装药量集中度：q＝0.09～0.19kg/m。

炸药及装药参数：木座隧道选用ø32mm的岩石乳化炸药。

用公式（2）计算单位炸药消耗量。

（2）

式中：f为岩石坚固性系数；S为开挖断面面积，m2；k为考虑不同炸药的修正系数。

实际单孔装药量根据不同围岩类别装药系数计算后确定，Ⅴ级围岩炮孔装药系数见表4。

周边孔装药结构采用直径ø32mm药卷，周边眼装药模式为不耦合间断装药，并采用空气间隔。

炮孔填塞采用有堵塞爆破，炮泥作为填塞物，其炮泥材料取黄泥∶沙=3∶1，用木质炮棍把将所有装药孔的炮泥填塞紧实，填塞长度不小于30cm[5]。装药结构周边孔装药结构如图3所示。

3.2 炮孔布置

爆破时为了解决超挖问题，施工中针对V级软弱破碎围岩设置了双层周边眼[6]，而在外层周边眼采用了光面护壁爆破的开挖方法，在研究中利用有限元软件来模拟光面护壁爆破对防止超挖的效果，并结合现场的监测数据进行验证。

原施工方案中最外层为周边眼，次外层为辅助眼，改进后的施工方案将外层辅助眼设置为内层周边眼，整个断面的炮孔设置如图4所示。

周边眼装药采用不耦合间断装药，并采用水袋间隔，将辅助眼改为周边眼直接减少了炸药的使用量。在隧道开挖断面设置双层周边眼，布孔间距为450mm。采用反向爆破方式，双层周边眼中，在外层周边眼使用护壁管，整个断面起爆时先引爆周边眼再引爆辅助眼，先利用外层周边眼炸出基本的轮廓线，内层周边眼则不用护壁管，起爆内层周边眼形成完整的断面，这样能够减少超挖现象，周边孔结构如图5所示。

3.3 起爆网络设计

起爆顺序依次为掏槽孔→掘进孔→辅助孔→周边孔→底板孔。起爆网路采用束状联结，利用一段毫秒导爆雷管绑扎，使用激发针激发导爆雷管。

3.4 爆破结果分析

原始方案爆破效果与优化后爆破效果对比见表5。

根据工程爆破中常规爆破及现场光面爆破优化试验结果，最终形成了底部加强药＋聚能管装药＋水袋间隔装药爆破方案，满足木座隧道建设要求的光面爆破设计方案。

根据表5，对比原爆破方案，间隔底部装药大直径辅助掏槽孔能够增加爆破面积，而双层周边眼护壁爆破可以有效地减少对保留岩体一侧的振动损伤[7]，光面爆破方案爆破效果有显著提高，有效控制了隧道围岩损伤及超欠挖现象，隧道轮廓面光滑、平整、围岩损伤程度低，炸药使用量减少了27.66%，围岩的松动圈半径缩小了40%，最终有效钻孔深度达到3.55m，炮孔有效利用率达到96%，双层周边眼护壁的防护效果显著。现场效果如图6所示。

4 结论

鉴于木座隧道洞口及部分洞体围岩强度较差、岩体较破碎，采用普通爆破对隧道开挖更容易形成超挖现象，本项目采用光面爆破的方式，对爆破机制、参数进行改进，从而对围岩扰动进行控制，减少超挖。

本文对木座隧道周边眼进行优化，采用双层周边护壁孔爆破，最大程度地减少超欠挖，而双层周边眼护壁爆破可以有效地减弱对保留岩体一侧的振动损伤，围岩的松动圈半径缩小了40%，双层周边眼的防护效果显著。

本文对装药方式进行优化，采用底部加强药＋聚能管装药＋水袋间隔装药爆破形式，水袋间隔[8]、底部装药、大直径辅助掏槽孔能够增加爆破面积，有效钻孔深度达到3.55m，炮孔有效利用率达到96%。

参考文献

[1]耿伟卫. 隧道钻爆开挖爆破方案智能设计方法与系统研究[D].济南：山东大学，2021.

[2]蒲小平.大瑶山隧道光面爆破技术[J].现代矿业，2009，25（4）：88-90.

[3]李晨. 山岭公路隧道洞口施工方法与仰坡支护稳定性分析[D].天津：河北工业大学，2015.

[4]周志伟.隧道软弱围岩开挖光面爆破技术在桂溪隧道的应用[J].中国水能及电气化，2021（7）：9-14.

[5]孔祥雷，庄世勇，张敢生.地下铁矿斜坡道掘进爆破施工技术探讨及应用[J].辽宁科技学院学报，2015，17（4）：7-9.

[6]黄志强，崔正宇，刘夺等.双层周边孔护壁爆破在软弱破碎围岩的应用研究[J].爆破，2022，39（1）：75-82.

[7]ZHAO B ，JIANG N ，ZHOU C ，et al.Safety assessment for a ballast railway induced by underground subway tunnel blasting： A case study[J].International Journal of Protective Structures，2024，15（1）：166-191.

[8]ZHIXIAN H ，MING T ，RUI Z ， et al.Investigation on overbreak"and underbreak of pre-stressed tunnels under the impact of decoupled"charge blasting[J].International Journal of Impact Engineering，2023（12）：1-19.