广昆铁路三棵树隧道光面爆破施工技术

陈国平，葛 斌，张光宇

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093;2.昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南昆明 650033;3.中国交通建设集团有限公司第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430010)

云南省山地高原约占全省总面积的94%左右，给基础设施建设带来巨大困难。成昆线广通至昆明段扩能改造工程是云南省修建的首个预留时速200 km技术条件的山区双线铁路。该段铁路隧道多且长，工程地质条件复杂，普通爆破方法已不能满足施工要求。

光面爆破施工可以减少对围岩的扰动，增强围岩的自承能力，特别是在不良地质条件下效果更为显著，既可以减少危石和支护的工程量，又可保证施工安全。光面爆破使开挖面平整，岩石无破碎，减少了裂隙，可以显著减少超挖或欠挖量。光面爆破与普通爆破相比，超挖量可由15% ～20%降低到4% ～7%，不但减少出渣量，而且还很大程度地减少了支护工作量，从而降低成本，加快施工进度［1-2］。

本文以广昆铁路三棵树隧道施工为例，介绍光面爆破技术的应用，可供同类工程参考。

1 工程概况

三棵树隧道位于云南省禄丰县境内，线路里程DK984+815—DK992+190，隧道全长7 375 m，为双线Ⅰ级电气化铁路。主要地层为:粉质黏土、块石土、中厚层状砂岩夹泥岩、泥灰岩、泥岩夹砂岩、砾岩，呈现一系列微波状褶皱构造，节理以垂直节理发育为主，出现岩溶、岩堆、膨胀岩、石膏、涌水、突泥等不良地质。施工揭露的地质状况与区段和设计图标示的地质状况存在较大差别。施工掘进过程中曾出现掉块、坍落，严重威胁到施工安全，影响施工进度和质量，增加了施工成本。根据铁路隧道“新奥法”施工需要和工程地质条件，结合施工现场实际情况确定采用光面爆破施工技术控制隧道开挖成型质量。

2 光面爆破方案

大断面隧道光面爆破施工有两种方法:一是预留光爆层法;二是全断面一次性开挖法。根据施工现场情况及本合同段围岩地质情况，三棵树隧道采用全断面一次性开挖法，如图1所示。

2.1 爆破参数选择

光面爆破参数选择主要考虑地质条件，其次是炸药的品种与性能、隧道开挖断面的形状与尺寸、装药结构与起爆方法。三棵树隧道出口段主要为Ⅲ级围岩，全断面法开挖断面的面积为113.74 m2。采用硝铵炸药，周边眼采用空气间隔装药，其他炮眼采用连续柱状装药，采用火雷管和塑料导爆管孔内微差非电毫秒雷管起爆。严格控制周边眼的装药量，采用合理的装药结构，尽可能使药沿炮眼均匀分布，这是实现光面爆破的重要条件。需要注意的是在光面爆破中，周边眼间距、最小抵抗线［3］、相对距系数［4-7］、装药密度是相互制约的。

2.1.1 最小抵抗线

周边眼最小抵抗线与开挖的隧道断面大小有关。若断面跨度大，光爆眼所受到的夹制作用小，岩石比较容易崩落，最小抵抗线可以大些;若断面小，光爆眼所受到的夹制作用大，最小抵抗线可以小些。最小抵抗线与岩石的性质和地质构造也有关，坚硬岩石最小抵抗线可小些，松软破碎的岩石最小抵抗线可大些。三棵树隧道最小抵抗线为50～80 cm。

图1 全断面一次性开挖法炮眼布置及围岩开挖示意(单位:cm)

2.1.2 相对距系数

相对距系数K是周边眼间距与最小抵抗线的比值，是影响爆破效果的重要因素，计算公式为K=E/B。其中，E为周边炮眼间距，cm;B为最小抵抗线，m;K总是 ＜1，当 E在40～50 cm，B在0.5～0.8 m时，K应在0.5～1.0。

2.2 装药量及光面爆破参数设计

2.2.1 装药量计算

光面爆破装药量的计算，主要是确定周边光爆孔炮眼装药集中度，一般采用试验方法求得或参考同类工程选取，装药量计算公式为q=QaB。其中，q为装药集中度，kg/m;Q为单位体积耗药量，kg/m3;a为周边眼间距，m。通过现场试验，参考施工经验，并用计算法进行校核，确定q为0.15～0.25 kg/m。

2.2.2 装药结构和起爆方式

光面爆破采用不耦合装药，一般不耦合系数为1.5～2.0，将按装药集中度计算出的药量均匀装入炮眼内。为克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半个标准药卷，使光爆层易于脱离岩体。施工中采用图2所示的装药结构:①1/2普通标准药卷(φ32)起爆;②小直径药卷(φ25)间隔装药。

图2 周边眼装药结构示意

2.2.3 光面爆破起爆顺序

起爆顺序为:掏槽眼—辅助眼(扩挖眼)—底板眼—二周边眼(内圈眼)—周边眼。采用多段微差起爆(由内向外)，其中主爆区的周边眼比辅助眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆区使用非电毫秒雷管，光爆区用导爆索一次同时起爆。

根据工程实际，确定三棵树隧道光面爆破参数如表1所示。隧道全断面开挖断面面积113.74 m2，掘进长度按2.0 m考虑。炸药单耗量0.75 kg/m3，复式楔形掏槽槽口尺寸80 cm×240 cm和120 cm×280 cm，周边眼直径42 mm，使用小直径药卷直径25 mm，装药不耦合系数1.68。周边眼间距45 cm，最小抵抗线50～80 cm，相对距系数0.6～0.9，单孔装药量0.4 kg。采用的全断面开挖爆破装药量见表2。

表1 光面爆破参数

3 施工方法及工艺流程

3.1 钻爆机具材料的选择

钻孔采用18台YT-28型凿岩机和6台20 m3空压机，人工钻孔，钻孔直径为42 mm，一字形合金钢钻头。周边眼采用φ25 mm小直径药卷，其余炮眼采用φ32 mm×200 mm2岩石硝铵炸药。引爆采用电雷管，爆破网络采用塑料导爆管连接孔内微差非电毫秒雷管起爆，掏槽眼采用该型号雷管以扩大掏槽效果。

3.2 光面爆破施工工艺流程

3.2.1 施工测量放样定位

钻眼前，测量人员用徕卡LEIKA-802(免棱镜)全站仪，准确定出隧道中心线和拱顶面高程;用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不得超过5 cm;每次测量放线之前，要对上次爆破断面用隧道断面仪进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳爆破效果。

表2 全断面开挖爆破装药量

3.2.2 钻眼

1)掏槽眼。深度、角度按设计施工，眼口间距误差和眼底间距误差不得＞5 cm。

2)辅助眼。深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均≤5 cm。

3)周边眼。开眼位置在设计断面轮廓线上的间距误差不得＞5 cm;周边眼外斜率不得＞5 cm/m，眼底不得超出开挖断面轮廓线10 cm，最大不得超过15 cm。内圈眼至周边眼的排距，误差不得＞5 cm;炮眼深度＞2.5 m时，内圈眼与周边眼宜采用相同的斜率。钻眼装药率调整，当开挖面凹凸较大时，应按实际情况调整炮眼深度并相应调整装药量，力求所有炮眼(除掏槽眼外)眼底在同一垂直面上。钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后，方可装药爆破。

3.2.3 炮眼布置

1)先布置掏槽眼，在岩层层理明显时其方向应尽量垂直于层理，掏槽眼应比其他眼加深20 cm。

2)周边眼严格按设计开挖轮廓线布置，在硬岩层中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线上，眼底超出轮廓线＜10 cm;在软岩中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线内＜8 cm，眼底落在轮廓线上。

3)辅助眼按均匀分布的原则布置。

4)已装药的炮眼应及时用炮泥堵塞、密封，周边眼的堵塞长度不宜＜20 cm，其余炮眼的堵塞长度不宜＜35 cm，且堵塞密实，严禁用纸箱等易燃物进行堵塞。

3.2.4 清孔装药

装药前用小直径高压风管将炮眼内石屑吹净，装药需分片，分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行，雷管要“对号入座”不得混装。所有炮孔均用炮泥堵塞，堵塞长度周边眼≥20 cm，其它眼≥35 cm。周边眼采用小直径药卷配导爆索，以增加不耦合系数和爆破时的缓冲作用，炮孔装药均采用反向装药结构。

3.2.5 连接起爆网络

起爆网络采用复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性。导爆管采用四通管连接，不能打结和拉伸，各类炮眼雷管连接段数相同。引爆雷管应用绝缘胶布包扎在离一根导爆管自由端15 cm处，聚能穴背向传爆方向，网络连好后要有专人负责检查后再起爆。

4 光面爆破施工控制

1)对所有爆破作业人员进行岗前培训，以提高操作熟练程度，并派专人负责每茬炮掌子面穿中画弧点炮眼工作，把技术素质高的钻工安排在拱部作业。

2)选用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威力大的岩石硝铵炸药。

3)用不耦合装药结构，光面爆破不耦合系数为1.5～2.0，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定传爆。

4)严格掌握与周边眼相邻的内圈眼的爆破效果，为周边眼爆破创造临空面。炮眼深度＞2.5 m时，内圈眼应与周边眼有相同的外插角，应尽量同时起爆。

5)控制周边眼装药集中度，必要时采取间隔装药结构，为克服眼底岩石的夹制作用，可在眼底加强装药。

6)当岩石层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面，如节理发育，炮眼应尽量避开节理，以防卡钻和影响爆破效果。

7)边墙要顺帮打眼，即把握炮眼外插的同时，还要注意炮眼坡度要与隧道纵向坡度一致。同一作业平台内避免出现扇形组合炮眼，在两作业平台之间避免出现“V”型炮眼组合。

5 工程效果

三棵树隧道Ⅲ级围岩开挖全部实行光面爆破，现已开挖地段光爆效果良好:爆破后周边炮眼痕迹保存率达80% ～90%，两茬炮衔接台阶最大尺寸为8 cm，超欠挖量仅为5%左右，比非光面爆破的超欠挖量低得多(达20%);岩渣块度较小且均匀，利于装渣，节省了装运时间;减少支护投入，降低工程造价，节约了隧道开挖成本;同时岩面爆破平整，应力集中小，减少了安全隐患。

经过现场统计，三棵树隧道采用光面爆破后明显节省了作业时间，在每一个施工循环中，清理危石或补炮缩短20 min，初期支护缩短20 min，装渣及出渣缩短20 min，且方便了后续工序的施工。

同时，光面爆破比非光面爆破减少超挖量15%，按现行规范标准平均超挖值为10 cm，即每米少开挖约2 m3，减少同强度等级喷射混凝土超挖回填量约2 m3，同时也节省了火工品和因非光面爆破所造成的围岩破碎所需锚杆、钢筋网等初期支护的工程量。

［1］中华人民共和国交通运输部.JTG F60—2009 公路隧道施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］黄成光.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］于书翰，杜谟运.隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］关宝书.隧道施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］邵晓宁，张道振.光面爆破技术在新武家庄隧道掘进中的应用［J］.铁道建筑，2011(11):54-55.

［6］戚克大.光面爆破技术在祝源隧道开挖中的应用［J］.铁道建筑，2008(6):54-56.

［7］唐健良.光面爆破技术在凤凰山特长隧道工程中的应用［J］.公路隧道，2011(2):38-40.