浅论光面爆破成缝机理的实践应用——隧道开挖中不同装药结构对周边孔光爆质量的影响

徐建东

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概况

新吉坪隧道是沪昆高速铁路客运专线中的一条较长隧道，该隧道东起湖南省湘乡市潭市镇清泉村，西至湖南省湘乡市棋梓镇峡山村，起止里程为DK94+045～DK101+724，全长7 679 m，其中Ⅱ级围岩245 m，Ⅲ级围岩2 903 m，Ⅳ级围岩4 020 m，Ⅴ级围岩511 m。洞身段围岩主要有黑云母花岗岩、泥质砂岩、泥灰岩、灰岩、砂岩、石灰岩等，整体节理裂隙发育，围岩破碎，工程地质条件较差。

该隧道主要采用新奥法原理施工，洞身开挖采用钻爆法，根据围岩级别不同初期支护方式分别采取喷射砼结合钢拱架或钢筋格栅支护，Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩的二次衬砌为钢筋砼，Ⅱ级与Ⅲ级围岩的二次衬砌为素砼。

2 光面爆破成缝机理的实践应用

2.1 光面爆破成缝机理

炸药爆炸后产生的爆炸应力波由炮孔向四周传播，在孔壁及炮孔连线方向出现裂缝，随后在爆炸气体的作用下，使原裂缝延伸扩大，最后形成平整的开裂面。也就是说，该机理分为两个过程，即应力波的作用过程和高压气体的作用过程，它们有先后，但又是连续的不可分割的。第一个过程是应力波的作用，当它从孔壁向四周传开后，产生的切向拉应力超过岩石的抗拉强度而使岩石破裂，最初的裂缝出现在炮孔壁向外的短距离内，如果应力波在两孔之间能够发生叠加，那么，在此区段内，合成的拉应力也能使岩石产生裂缝;第二个过程是爆炸高压气体紧接着应力波作用到孔壁上，它作用时间比应力波要长得多，孔周围便形成准静态应力场，相邻炮孔相互作用，并互位于应力场中，在孔中连线方向产生很大的拉应力，孔壁两侧产生拉应力集中，最终拉断岩石。

根据最新检测结果表明，炸药爆炸后在岩石中产生切向拉应力到孔壁裂缝的形成时间极短，仅为1～2 ms，其后应力波会发生反射形成拉伸应力波，对于光面爆破来说因炸药能量较小，不会使岩石裂隙进一步扩大，该过程发生在起爆后10～20 ms内，随后的爆炸气体的气楔作用是形成光爆面或预裂面的主导因素。

综上所说，相邻炮孔炸药能否在1～2 ms内同时起爆，是满足光面爆破成缝机理的先决条件。

2.2 各种传统装药结构对周边孔光爆质量的影响

在隧道开挖中周边孔爆破发生超挖时必须采用喷射砼回填，严重超挖时必须分层喷射回填，既延长了施工工序时间又增加施工成本，造成极大的工期与经济损失;周边孔欠挖时必须采取二次爆破，这种二次爆破造成的对隧道围岩的二次扰动，增加了隧道的安全隐患，同时局部欠挖采取二次爆破处理时又容易引起更大的超挖现象。为加强隧道周边开挖轮廓质量，减少周边超欠挖情况的发生，周边孔设计采用光面爆破法施工。

2.2.1 各种传统光爆孔装药结构

根据各类规范资料，周边光爆孔的装药结构主要有连续不耦合装药结构与间隔不耦合装药结构。其中连续不耦合装药结构药卷主要采用低威力的小药卷，该装药结构由于药卷需专门针对各类围岩定制，在铁路爆破中不常使用。间隔不耦合装药结构一种情况是在光爆孔内采用导爆索连接，毫秒延期雷管起爆孔内炸药，通过导爆索起爆孔内其它炸药，称为混合起爆装药结构(见图1)。

或孔内不采用导爆索连接，而是在各药卷中设置同段别的毫秒延期雷管起爆，称为毫秒延期雷管起爆装药结构(见图2)。

图1 混合起爆装药结构

图2 毫秒延期雷管起爆装药结构

还有一种要求孔内外连接均采用导爆索，同时导爆索也作为起爆体起爆炸药，称为导爆索起爆装药结构(见图3)。

2.2.2 不同装药结构对周边孔光爆质量的影响

影响周边孔光面爆破质量的因素主要有周边孔间距、最小抵抗线、线装药密度、成孔质量与装药结构等。其中周边孔间距、最小抵抗线、线装药密度主要与围岩类别性质相关，根据经验选取;另外成孔质量主要由施工操作决定;除去以上因素外，在围岩状况相同以及操作水平一样的情况下，选取不同的装药结构会引起不同的爆破质量效果。根据新吉坪隧道周边孔光爆试验结果如下:

混合起爆装药结构:在Ⅱ级围岩中周边光爆效果较好;在Ⅲ级围岩中周边光爆效果一般，现场统计半孔残留率在75%左右，在节理、裂隙发育地带极易发生超欠挖现象;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中周边光爆效果较差，尤其在节理、裂隙发育地带超挖现象比较明显。见图4。

毫秒延期雷管起爆装药结构:在Ⅱ级、Ⅲ级围岩中周边光爆效果也不是太好，现场统计半孔残留率在60%左右，尤其在节理、裂隙发育地带超欠挖现象十分明显;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中周边光爆效果很差，超欠挖现象十分严重，根本无法形成轮廓面，爆破对于节理、裂隙发育地带的影响深度深达50～70 cm。见图5。导爆索起爆装药结构:在Ⅱ级、Ⅲ级围岩中周边光爆效果很好，半孔残留率基本在95%以上，特别是在节理、裂隙发育地带基本不会发生超欠挖，顺利形成较好轮廓面;在Ⅳ级、Ⅴ级较软弱围岩中也能形成较好的轮廓面，爆破对于节理、裂隙发育地带的影响深度一般在20～30 cm。见图6。

图3 导爆索起爆装药结构

图4 混合起爆装药结构爆破效果图

图5 毫秒延期雷管起爆装药结构爆破效果图

2.3 光面爆破成缝机理的实践应用

图6 软弱围岩中导爆索起爆装药结构爆破效果

根据最新光面爆破成缝机理，分析各种装药结构如下:

2.3.1 不合理的装药结构

现今阶段，毫秒延期雷管的延期时间主要靠延期药的长短决定，一般同一段别的毫秒延期雷管其延期精度为±12.5 ms，高段位的毫秒延期雷管其延期误差范围更大，因此对于混合起爆装药结构和毫秒延期雷管起爆装药结构来说，相邻炮孔同时起爆的概率较低，所以说这两种装药结构是不合理的光面爆破装药结构。

图7 局部超挖局部欠挖的毫秒延期雷管起爆装药结构效果

这也就解释了该两种装药结构爆破后轮廓性较差、超欠挖现象比较严重的原因。尤其是毫秒延期雷管起爆装药结构中所有药卷均由毫秒延期雷管起爆，药卷先后起爆是一种不均匀用药现象，先起爆的药卷能量极有可能首先影响节理、裂隙发育的薄弱结构面，后起爆的药卷能量则对该薄弱结构面进一步向深处发展，造成该处超挖严重，同时对于其它部位而言这又是一种泄能作用，从而造成局部欠挖，因此，可以理解为这种装药结构是一种错误的光面爆破装药结构。见图7。

2.3.2 合理的装药结构

(1)导爆索起爆装药结构。导爆索其药芯采用的是黑索金或太安，其爆速达6 000～6 500 m/s，一般隧道开挖循环进尺基本为3 m左右，当周边传爆主导爆索爆破引爆各炮孔导爆索时，计算相邻3个炮孔的导爆索总长度在12 m左右，其爆破时间在1～2 ms以内，满足光面爆破成缝机理的先决条件。

(2)复合起爆装药结构。为避免主导爆索与各炮孔导爆索局部绑扎不牢引起个别炮孔出现盲炮，在每个炮孔内增加一枚同段别的毫秒延期雷管，并在主导爆索与炮孔导爆索连接的相反方向增加一条反向传爆导爆索，称之为复合起爆装药结构(具体结构见图8)，即一旦出现个别盲炮，其相邻炮孔的爆破也能引爆该炮孔，其实质仍旧是导爆索起爆装药结构。

(3)数码电子雷管起爆装药结构。数码电子雷管起爆装药结构即将毫秒延期雷管起爆装药结构中的毫秒延期雷管更换为数码电子雷管。数码电子雷管最核心的元件是微型电子定时器(集成电路块)，它取代了普通雷管中的延期药与点火元件，将延时精度控制在0.2 ms内，使得起爆网路具有高精度、高可靠性，完全满足成缝机理理论的要求。

图8 复合起爆装药结构

3 施工经验与总结

通过对光面爆破成缝机理理论的深刻理解，结合新吉坪隧道在开挖过程中碰到的实际质量缺陷，采取较为合理的导爆索起爆装药结构与复合起爆装药结构，极大地提高了周边孔光面爆破质量，使得较硬围岩炮孔残留率达到98%以上，较软围岩的周边开挖同样获得较好的轮廓性，有效地减少了喷射砼的工序时间，极大地提高了经济效益，获得业主与监理的高度赞扬，新吉坪隧道的爆破开挖工作成为全线的一道亮丽风景，多次被评为样板工序，经常被同行单位参观观摩，为企业获得较高的荣誉。

由于数码电子雷管价格较贵，不能有效验证其效果，相信随着科技的不断进步，数码电子雷管的应用必然会逐步普及。

4 结束语

人类对自然科学的认知过程总是不断曲折前进的。人们经常将大量的实践经验总结为理论知识，进而指导实践应用，然而随着科学技术的不断进步，有些经验总结被验证为是正确的，有些却被验证为存在一定的缺陷甚至是错误。长期以来，人们总结光面爆破技术的经验就是各炮孔能同时起爆，采用同段别的毫秒延期雷管与导爆索起爆均认为是正确的装药结构，然而随着检测技术的进步，则验证只有导爆索起爆是比较合理的装药结构，在不久的将来，随着数码电子雷管的不断推广应用，其高精度的起爆控制将更加有效提高光面爆破的质量。

因此，工程技术人员在长期的工程实践过程中不仅要不断总结丰富自己的经验，还要不断地用最新科学理论验证自己的经验，这样才能使自己的技术水平与业务能力得到切实的提高，才能为企业和社会多做贡献。

［1］汪旭光.爆破设计与施工［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

［2］高速铁路隧道工程施工技术指南［M］.北京:中国铁道出版社，2011.