光面爆破在高速隧道掘进中的应用研究

钟 云，方 义

（1.江西高端爆破工程有限公司，江西 吉安3430091；2.安徽地矿局327地质队，合肥230011）

1 引言

光面爆破常应用于高速隧道的掘进施工［1］，相较于其他爆破光面爆破通过计算选择合理的爆破参数可以达到控制围岩扰动［2］，一次爆破成型隧道断面的效果。使用光面爆破一次成型隧道断面减少了施工成本，减少了对山体围岩的破坏，降价后期支护难度［3－4］。现就具体的爆破施工案例对光面爆破进行研究。

2 工程概况

南昌至宁都高速公路第C8合同段位于永丰县上溪乡双岭村境内，所属区内为低山地貌，地形起伏较大，山势较陡，山体自然坡度在35°～60°之间。西面为沙溪到水浆自然保护区公路，较平坦，东面石马镇经上溪乡到工地为盘山公路，起伏较大。

该隧道设计为分离式双车道结构，净高5.0m。主洞内轮廓高度8.906m，宽度11.4 m，截面积82.88m2；紧急停车带隧道内轮廓高度9.723m，宽度13.9m，截面积111.05 m2。双向隧道总长4 490m。Ⅳ级围岩4 001 m 占总长的89.1%。轴向北西为一近东西走向，略向南弯曲的弧形向斜。其延伸约40 km，东西两端均扬起消失。岩层产状正常，倾角一般20°～30°，少数为45°～50°。此路段灰岩发育。

3 光爆参数设计

选择合理的爆破参数是控制光面爆破效果的关键，根据Ⅳ级围岩性质，以及高速隧道成型要求，采用中长台阶法施工，平行中空孔直眼掏槽，循环进尺2.5m，为便于机械展开，台阶长度约20m，先进行超前锚管支护，采用爆破法及机械配合开挖，开挖一段支护衬砌一段，及时封闭顶拱。开挖示意图如图1所示。

图1 开挖示意图

3.1 爆破参数选择

本工程Ⅳ级围岩占隧道开挖全部工程量的89%，Ⅴ级围岩占11%，Ⅴ级围岩采用超前小导管支护［5］，人工与机械相配合开挖，Ⅳ级围岩在整个工程量中占有较大比重，对Ⅳ级围岩爆破施工研究有较大意义。

炮眼直径采用d＝42mm。

循环进尺为2.5m，炮眼利用率0.9%。

炮眼数目的多少直接影响每一循环凿岩工作量、爆破效果、循环进尺、隧洞成型的好坏。巷道炮眼数目N，按下式计算：

炮眼数目与岩石的坚固系数f有直接关系，岩石的坚固系数f直接影响炮眼数量，及炸药单耗，f系数越大炮眼布置越多，不同的f系数等级根据公式（1）计算，取f＝8试算。

（1）式中N为炮眼数目；f为岩石坚固系数；S为开挖面积，82.88 m2。经计算：N＝125个。

掏槽眼。掏槽眼的作用是将开挖面上适当部位先掏出一个小型槽口，以形成新的临空面，为后爆辅助炮增创更有利的临空面，提高爆破效率。为保证掏槽眼能有效地将石渣抛出槽口，常将掏槽眼比设计循环进尺加深20cm（钻孔误差不大于3cm），并采用孔底反向连续装药，上台阶采用大直径4个空孔直眼掏槽，下台阶不设掏槽眼。掏槽形式及装药结构如图2所示。

图2 掏槽及装药结构

辅助眼。由于辅助眼的作用是为了进一步扩大槽口体积和爆破量，为周边眼创造有利的爆破条件，所以辅助眼的布置应由内向外，逐层布置，逐层起爆，逐步接近开挖轮廓线。孔距取70～90cm（钻孔误差不大于5 cm），眼深2.5m，填塞长度不少于最小抵抗线的80%。

周边眼。周边眼开孔在轮廓线内5cm，外插角1°～2°，钻孔误差环向不大于5cm，径向不大于3cm。周边孔间距（E）是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采用以下经验公式确定［7］。

（2）式中：d为炮孔直径，d＝42mm。

本工程掘进过程中，遇到的主要是Ⅳ级围岩。对Ⅳ级围岩参照有关工程经验，取E为40～50cm。

最小抵抗线即光面层厚度，光面层厚度不仅影响周边眼间裂纹的形成，而且还影响光面层的破碎和开挖后隧道围岩的稳定。可用公式（3）来计算。

（3）式中Q为光面炮眼的装药量；E为炮眼间距；L为炮眼深度；Cp为爆破系数，相当于单位耗药量，对于f＝4～10的岩层，Cp值变化范围为0.2～0.5kg／m3。Ⅳ级围岩最小抵抗线取50～70cm。

装药集中度q可用经验公式（4）计算：

式中：q为装药集中度，g／m；Rb为岩石抗压强度，MPa。可得周边眼装药集中度0.15～0.25kg／m。

底板眼的布置。底板眼的眼底也须落在设计轮廓线内5cm，并与辅助眼、周边眼的眼底落在同一垂直面上，而且采取较大的炸药单耗，有利于克服上覆石碴的压制并起到翻碴作用。底板眼眼间距取60cm，眼深2.5 m，填塞长度不少于最小抵抗线的80%。

隧道开挖参数。隧道上下台阶炮眼布置如图3所示。

图3 隧道上下台阶炮眼布置图

以下是正常隧道开挖参数，紧急停车带隧道开挖断面稍大（110m2），布孔时参照正常隧道开挖参数见表1、表2、表3。

表1 光面爆破参数

表2 上台阶开挖装药参数

表3 下台阶开挖装药参数

3.2 起爆网络

为使岩石能够充分的破碎并使由其产生的负效应降到最低，网路采取微差爆破技术，采用1～19段的导爆管雷管进行网络并联连接。限制最大单段起爆药量，以降低爆破震动，减小冲击波的影响。起爆网络：采用簇并联网路如图4所示，每组雷管数量不超过15发。

4 爆破安全设计

4.1 爆破地震速度计算

（5）式中：K为相关系数，取170；Q为单段用药量＝25.5kg；R为爆区最近保护物距离，取200 m；a为相关系数，取1.7。经计算：V＝0.13cm／s，见表4。

图4 起爆网络示意图

表4 爆区不同岩性的K、a值与岩性关系

经计算得出的V＝0.13cm／s远小于《爆破安全规程》规定的安全振速范围，按照此爆破设计施工是安全有效的。

4.2 爆破冲击波

（6）式中RK为空气冲击波对掩体人员的最小允许距离m，RK＝73.6m，为确保安全，冲击波安全距离设计不得少于100m。

4.3 爆破飞散物安全距离计算

爆破的飞石距离可按下式估算（参照露天爆破飞石估算）

式中：RFmax为飞石的飞散距离m；K为安全系数，取40；D为药孔直径cm。为确保安全，飞石安全距离设置为300m。

5 结语

通过对昌宁高速隧道光面爆破施工应用的实验研究，我们可以得到以下结论。使用台阶爆破的方法对大断面的隧道掘进施工是安全有效的施工方法；上台阶爆破是爆破设计施工的重点，Ⅳ级围岩使用光面爆破的方法在施工过程中利用导爆管雷管的延期效果达到微差起爆的效果，可以减少炸药爆炸对围岩的扰动和破坏，大大加强了施工以及后期使用的安全性；光面爆破在应力波和爆生气体的作用下沿周边眼产生贯穿裂缝，形成光滑表面。Ⅳ级围岩半孔率保证在90%以上，炮孔利用率超过90%。爆破断面一次成型，在合理的设计下减少了超欠挖现象的产生。加快了工程进度，保证了工程质量，降低了施工成本；合理的设计以及较高的钻眼质量是保证光面爆破效果的关键因素，施工中应加强管控，及时反馈信息，优化设计施工。

［1］齐景狱，刘正雄，张儒林，等.隧道爆破现代技术［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［2］张志呈.定向断裂控制爆破［M］.重庆：重庆出版社，2000.

［3］张志呈.爆破原理与设计［M］.重庆：重庆大学出版社，1992.

［4］徐颖.地下工程爆破技术的现状及发展［J］.中国煤炭，2001，27（11）：30.

［5］李云鹏，艾传志，韩常领.小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2007，127（1）：75－81.

［6］宗琦，孟德君.煤系高岭土岩石巷道掘进爆破技术优化［J］.岩土力学，2004，25（6）：984－987.

［7］刘殿中.工程爆破实用手册［M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［8］李彪，张子新.京珠高速公路石门坳隧道开挖中光面爆破效果探讨［J］.爆破，2000（2）：63－66.

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