砂质板岩光面爆破设计

黄振华

摘 要：本文系统介绍了针对难以控制的砂质板岩隧道光面爆破的设计，重点讲述影响砂质板岩隧道光面爆破效果的因素并提出解决办法。

关键词：砂质板岩隧道；光面爆破设计；控制

1 工程概况

怀通高速公路银匠界隧道所处地层为砂质板岩，中厚层状，隧道左线起讫桩号为ZK48+390～ZK50+065，全长1675m，隧道右线起讫桩号为YK48+380～YK50+035，全长1655m。针对怀通高速公路银匠界隧道穿越砂质板岩地层的实际工程地质情况，重点讲述III、IV级围岩条件下砂质板岩隧道光面钻爆设计工作，重点依托施工现场开展工作，在此基础上采集数据、优化分析，最后总结砂质板岩隧道光面爆破最合理设计参数。

2 凿岩机的选择及参数

根据砂质板岩的物理力学特性，选择目前在隧道掘进中使用较普遍的YT28气腿式凿岩机。YT28气腿式凿岩机的使用范围较广，最适用于中硬或坚硬（f=8～18）岩石上钻凿水平或倾斜炮孔，也可垂直向上钻凿顶板上的锚杆孔。炮孔直径一般为34～42mm，有效经济的钻孔深度可达5m。该机既可以根据开挖断面大小与FT160BD型短气腿、FT160BC型长气腿或FT160S型双级气腿配套使用，也可装在钻车或钻架上工作。

3 光爆参数选取

3.1 钻爆设计方案

3.1.1 光面爆破作用机理。炸药爆破时产生的冲击波和高温高压气体均作用在眼壁上，炮眼周围的岩石受到强烈的压缩而破碎，与此同时形成的压缩应力波向四面八方传播。

为使粉碎圈的范围最小和围岩内尽量不产生裂缝和破坏，并保持原有的稳定性，我们除采用弱装药结构外，选择了合理的周边眼密集系数m（即周边眼间隔E和最小抵抗线W之比）。其理由如下：

当m=1或接近1时，即E=W或接近时，若两个炮眼同时起爆，则压缩波到达自由面之前在abc之间相遇。由于该点c与ab点的距离小于最小抵抗线W，拉应力可使ab之间岩石产生裂缝。如果两个炮眼不同时起爆，压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼的位置，该点c起自由面的作用，也能使ab之间岩石产生裂缝。因此，这两种情况都能取得光面爆破的效果。

图1 E=W时的爆破情况

3.1.2 光面爆破的主要参数。普通光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，形成规整的轮廓并尽可能的保留半边眼痕迹和减小对围岩的扰动。若要“爆下来”主要与装药集中度（q）和最小抵抗线（w）有关；“成型规整”主要与炮眼间距（E）、炮眼密集系数（m=E/W）和最小抵抗线有关；“保留半边眼痕迹和减小围岩扰动”主要与不耦合系数（D=d炮眼/d炸药）有关。因此，影响光面爆破效果的主要参数应是：炮眼间距（E）、周边眼密集系数（m）、最小抵抗线（W）、不耦合系数（D）和装药集中度（q）。而它们之间或它们与其它参数之间是相互联系的。实践证明，从对光面爆破的效果来说，这些参数是共同起作用的。也就是说，只有这些参数都在某一正确的范围时，爆破效果才最理想。而各参数中则以装药量为最重要。也就是光面爆破的周边眼装药集中度（q）是最重要的参数。

3.1.3 光面爆破参数的选择。爆破参数的选择一般有两条途径：一是工程类比直接选取，二是通过半经验半试验法选取。工程类比法，就是参照类似工程的经验数据，根据其工程的具体条件，确定有关参数的方法。半经验半实验法，就是在现场试验中发现，根据爆破漏斗理论，通过在现场进行有限次数的单孔及三孔爆破漏斗试验确定光面爆破参数。

3.1.4 掏槽形式的选择。隧道爆破常采用的掏槽形式主要有两种：直眼掏槽和斜眼掏槽。

根据银匠界隧道断面及施工特点，选用自制简易钻孔台车及手工风枪作为钻眼设备。通过对直眼掏槽与斜眼掏槽的比较，确认斜眼掏槽更适合本隧道施工。斜眼掏槽主要有三级复式锲形掏槽与二级复式锲形掏槽两种，本隧道施工采用三级复式锲形掏槽。

3.2 炮眼布置及药量分配

3.2.1 炮眼的布置。（1）掏槽眼的布置：为便于石碴装运，爆后找顶等作业，要求碴堆集中一些，堆得高些，掏槽区布置在断面的中下方。由于自制简易钻孔台车的中间预留空间较大，为与钻孔台架相配套，我们根据断面及钻孔台车的特征，在普通的三级复式锲形掏槽的基础上进行了相应的调整，以解决因隧道断面较大及斜眼掏槽岩碴抛掷较远的缺点。（2）周边眼的布置：周边眼间距的大小应根据具体的岩性和岩层产状来决定。为保证光面爆破的质量，在硬岩中周边炮孔的间距要适当缩小。（3）辅助眼的布置：辅助眼一般均匀布置，可采用线形布置或环形布置。本隧道采用大孔距小抵抗线的线形与环形相结合的方式，炮眼间距为抵抗线的1.5～2倍。辅助眼中包含的扩槽眼、内圈眼、二台眼、底板眼的布置：扩槽眼、内圈眼、二台眼、底板眼的布置均应比掏槽眼、周边眼稀一些，而与掘进眼相比，应适当地加密。

3.2.2 爆破器材的选用及药量的分配。（1）爆破器材选用。本隧道钻爆开挖采用小直径（Φ=42mm）炮眼，根据本隧道有少量裂隙水的特点，选用岩石膨化硝胺炸药（Φ32mm-150g）和2#岩石乳化炸药（Φ32mm-200g），塑料导爆管非电起爆，毫秒微差有序起爆，并在周边眼采用导爆索传爆，以加强传爆能力，确保周边眼的稳定起爆。（2）药量的分配。隧道爆破，不同部位的炮眼所起的作用是不同的，因而各部位炮眼的装药量也不相同。周边眼的装药量，其装药集中度为200～300g/m，在此基础上根据跑孔位置所处岩层的产状、岩性和岩体的完整程度进行适当地调整。掏槽眼的装药，其装药长度约为炮眼深度的90～95%。

3.2.3 装药结构。周边眼装药结构主要有三种形式：采用双导爆索；采用竹片、导爆索、药卷间隔绑扎装药结构，底部药量适当加强；采用专用小直径光爆炸药的连续装药结构。本隧道周边眼采用第二种装药结构，即将药卷间隔绑扎在竹片上，通过导爆索来传爆，其它炮眼装药均采用连续装药，炮眼装药后的堵塞长度通常为最小抵抗线的1.0～1.2倍。

起爆雷管同导爆索在炮孔内相连结。用于光面爆破的雷管段数应大于相邻掘进炮孔雷管数段数2段以上，以确保光面层最小抵抗线方向临空面的形成，减少光面爆破阻力，提高光面爆破效果。

结合银匠界隧道的地质条件、开挖断面等方面因素，对Ⅲ级围岩光面爆破进行了合理的设计。（1）Ⅲ级围岩掘进：Ⅲ级围岩采用全断面光面爆破法掘进。坚硬岩石施工采取加强掏槽爆破，严格控制周边光爆孔，确保无超欠挖。Ⅲ级围岩全断面开挖炮眼布置见图3，炮孔直径42mm，起爆方式为孔内微差起爆，图中数字为孔内毫秒雷管段别。（2）IV级围岩掘进：IV级围岩采用上下台阶法掘进。上台阶爆破时可采用光面爆破。IV级围岩上台阶开挖炮眼布置，炮孔直径42mm，起爆方式为孔内微差起爆。

4 结语

银匠界隧道在实际爆破过程中，采用了动态设计，根据现场围岩情况及时适当调整爆破设计参数。其单循环进尺基本能达到2.8m～3.5m，大部分爆堆位于掌子面附近，岩块的水平抛掷距离较小。开挖界面比较平整、光滑，开挖误差较小。