小断面隧洞光面爆破设计控制超欠挖量

彭健　陈登甫

【摘要】输水隧洞为小断面隧洞，开挖初期光面爆破效果不理想、超欠挖现象严重，严重影响了开挖掘进的质量、安全和进度要求。本文对输水隧洞开挖存在的问题、原因查找分析及光面爆破参数选择、设计、试验、效果进行总结。

【关键词】光面爆破；超欠挖量；试验

1、工程概况

本工程输水隧洞全长3.45km，洞轴线穿过4套地层，上覆山体厚度2m-324.6m。围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，岩性为中厚～巨厚层状白云岩，强风化，岩体局部破碎，裂隙发育，边墙、顶拱极易坍塌，存在失稳现象。隧洞断面为马蒂形，开挖断面尺寸3.3m×3.6m，洞挖石方量40635m3。

2、开挖存在问题和原因分析

输水隧洞掘进初期光面爆破效果较差，经实测，部分超挖量超过40cm，欠挖量高达30cm，顶拱部分甚至出现过平顶，两茬炮间台阶部分达到20cm。

经过调查研究发现以下原因造成了超欠挖：炮眼布设不合理，凭经验打眼，爆破效果时好时坏；轮廓线放样时粗心大意，有不放轮廓线或不准确放轮廓线存在，致使错误布置轮廓线和钻孔位置偏差大；未及时复核红外仪，存在放样中线和标高相对设计值的偏移过大，放样不准确；施钻人员技术不到位不认真，钻孔定位和钻进角度偏差控制不好；工期极为紧张，作业队伍利用少打眼，增加单孔炸药用量等手段，试图争取缩短钻眼时间。

3、光面爆破设计及试验

3.1 爆破设计

3.1.1 光面爆破原理。输水隧洞采用“钻爆法”开挖，为保证爆破后边墙、顶拱、掌子面轮廓整齐，超欠挖量控制符合设计及规范要求，同时满足经济合理要求，选用光面爆破方法进行爆破。

3.1.2 炮眼布置及起爆顺序。输水隧洞掘进开挖炮眼用YT28风动凿岩机钻设，其孔径为50mm。根据施工进度、断面尺寸及围岩等级，初步设定Ⅲ类围岩循环进尺2.0-2.4m，Ⅳ类围岩循环进尺1.7-2.0m。爆破采用由塑料导爆管串、并联形成爆破网络，以毫秒延发雷管实现微差爆破。

炮眼按周边眼、辅助眼、掏槽眼、底眼设置，Ⅲ、Ⅳ类围岩起爆顺序为：掏槽眼—辅助眼—周边眼—底眼。

3.1.3 光面爆破参数计算。光面爆破的主要参数包括周边眼间距、光面爆破层厚度、周边眼密集系数、周边眼的线装药密度等。影响爆破参数选择的因素很多：

（1）周边眼间距。根据经验计算公式：E=（8-18）d，E为孔距，d为炮眼直径。本工程中取值为8-13，钻孔直径50mm，所以其经验计算间距：40cm-65cm。周边眼眼口距离轮廓5cm，外插角1°-3°，便于施工操作。周边眼间距顶拱取小值，边墙及底板取大值。

（2）光面爆破层厚度。光面爆破层是周边眼和辅助眼之间的一圈岩石层，即周边眼的最小抵抗线。周边眼间距与光面爆破层厚度有着密切的关系。通常以周边眼的密集系数K表示，K=E/W（K周边眼密集系数；W光面爆破层厚度）。应力波两相邻炮眼间的传播距离应小于应力波至临空面的传播距离，即E（3）周边眼装药量。根据公式：qp=EWLp（0.5-0.9）q（qp：周边孔平均炸药用量kg/m；E：周边孔间距cm；W：光面爆破层厚度cm；Lp：周边眼眼深m；q：单位岩体耗药量kg/m3）。经计算qp=0.35-0.60kg/m。

（4）炮眼堵塞：炮眼堵塞长度一般在（0.7-1.0）倍抵抗线之间，堵塞材料就地选用黄泥和砂子均匀拌合使用。

（5）炸药选用及装药结构。本隧洞开挖爆破使用乳化炸药进行爆破，药卷直径32mm，长度25cm。炮眼直径和药卷直径之比称为耦合系数。输水隧洞掘进爆破周边眼采用间隔不耦合装药结构，其不耦合系数为50/32=1.56。掏槽眼、辅助眼、底板眼采用耦合连续装药。

（6）初步设置光面爆破参数如下：经过以上计算，初步选用以下参数范围进行爆破试验：

3.2 光面爆破试验。爆破试验选取了隧洞进口SD0+80—SD0+90作为试验段，该段围岩以Ⅲ类为主，岩性为中厚-巨厚层状白云岩，强风化，岩体局部破碎，裂隙发育。

3.2.1 光面爆破试验流程。炮眼布置—测量放样—技术交底—钻机就位—钻孔—清孔—装药联网—爆破—出渣—效果检查—确定爆破参数。

3.2.2 第一循环炮眼布置及试验。输水隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，岩性为中厚-巨厚层状白云岩，强风化，岩体局部破碎，裂隙发育。爆破试验段主要是Ⅲ类围岩，炮眼根据光面爆破初步确定的参数进行布置，构造裂隙发育，岩体破碎，围岩整体稳定性差，属Ⅲ类围岩。根据爆破后效果分析，决定重新布置炮眼，调整炸药用量，进行第二循环炮眼布置及试验。

3.2.3 第二循环炮眼布置及试验。围岩类别属Ⅲ类。经过调整炮眼数量、周边孔间距、炸药用量等参数后，光面爆破效果较第一循环有很大改善。但顶拱、边墙、底板均是超挖。出渣粒径较小，部分呈粉末状。根据效果分析，我们调整了炸药用量，进行第三循环光面爆破试验。

3.2.4 第三循环炮眼布置及试验。第三循环爆破顶拱、边墙、底板超挖量较小，爆破粒径满足扒渣机出渣要求，岩壁平整。

3.2.5 确定爆破参数。通过试验，我们选定第三次试验的参数作为输水隧洞Ⅲ类围岩的代表参数，指导输水隧洞Ⅲ类围岩的掘进爆破。

4、爆破实施情况

本工程输水隧洞于2013年8月25日开工，分进、出口两个方向同向掘进，于2014年6月28日贯通，单日平均进尺11.2米，单向平均循环3个。根据爆破试验确定参数进行开挖掘进，按照围岩实际情况适时调整，隧洞超欠挖得到了有效控制，有效避免了二次开挖，同时减少了炸药用量和出渣量，减少了超挖混凝土回填量，确保了工期和经济效益共同推进。洞身成型较好，弧形规则，岩面平整，满足了水工隧洞质量要求。渣块大小适中，符合100型履带式扒渣机出渣粒径，作业速度快。出渣采用小型汽车，运输速度快。放样—钻孔—装药—爆破—出渣—初期支护，每循环平均耗时8小时。達到了通过光面爆破设计控制超欠挖量的目的，同时在一定程度上满足了安全、质量、进度、经济的多重要求。