一种新型隧道下台阶爆破方法及其变形方案

杨志刚（中车建设工程有限公司，北京，100078）



一种新型隧道下台阶爆破方法及其变形方案

杨志刚
（中车建设工程有限公司，北京，100078）

本文介绍了常规正台阶法开挖的隧道在其下台阶爆破过程中存在的问题。为解决问题，本文提出了一种新型下台阶爆破方法，并对该爆破方法的炮眼布置、装填炸药和毫秒延期雷管、起爆等步骤进行具体阐述；接着阐述了在具体实践施工中提出的两种变形实施方案，供爆破方案设计人员参考；最后归纳总结了新型爆破方法的优点，梳理了采用该爆破方法需要注意的事项，以期在工程实践中为爆破作业人员提供指导建议。

正台阶法；竖向炮眼；水压爆破；微差爆破

引言

台阶法是隧道开挖适用最广的施工方法，根据上、下台阶开挖的先后顺序，台阶法分为正台阶法和反台阶法。反台阶法通常用在围岩坚硬、整体性较好地暗挖段；正台阶法多适用于双线隧道Ⅲ、Ⅳ及围岩和单线隧道Ⅴ级围岩［1-3］。钻爆法和机械开挖法是隧道开挖的两种方法，由于钻爆法适应性强，开挖成本低，在国内的相当长的一段时间里，钻爆法仍将是隧道掘进的主要开挖法［4-6］。

1　常规下台阶爆破方法介绍及其存在的弊端

当前，采用正台阶爆破开挖的隧道工程，其上、下台阶炮眼通常是采用人工或小型凿岩台车沿上、下台阶掌子面进行布置的；在爆破开挖上台阶时，由于只有一个自由面（上台阶掌子面），故只能在上台阶掌子面布置炮眼；当上台阶往前推进一定距离，开始爆破开挖下台阶，常规的下台阶爆破都是沿下台阶掌子面钻垂直或倾斜的炮眼，随后装药起爆。如果按常规沿下台阶掌子面布置炮眼，则爆破时一部分能量将用来克服被爆区域内岩石的自重，从而增加炸药用量；另外对于一些重要的隧道工程，为保证隧道开挖过程中的稳定性，通常在上台阶进行初期支护时，还会在上台阶底面增加一道临时刚性横撑［7］，此时，如果下台阶爆破开挖时继续采用沿掌子面布置炮眼的方式，则下台阶爆破时，由于岩石的碎胀性和爆破飞石，则很可能破坏临时刚性横撑和上台阶初期支护体系如图1所示。此外，沿下台阶掌子面布置炮眼需要将前一次下台阶爆破出来的渣石清理干净，为本次爆破腾出足够的作业空间；还需要采用人工撬毛或机械扒渣等方式清理下台阶掌子面浮石，以保证工人钻眼时的安全；这些都将消耗一定时间，从而影响隧道整体掘进速度。另外，沿下台阶掌子面布置炮孔起爆时，通常都未进行错台开挖，下台阶爆破后，使上台阶拱架（脚）悬空，易造成安全隐患。因此，当隧道采用正台阶法爆破开挖时，采用一种新的下台阶炮眼布置和起爆方式来减小上述不利因素，是十分有必要的。

图1　下台阶起爆破坏临时刚性横撑现场照片

2　一种新型下台阶爆破方法

当上台阶往前推进一段距离后，下台阶爆破时有两个自由面，即下台阶顶面（或上台阶底面）和下台阶掌子面，本文将提供一种新的隧道下台阶爆破方法，解决上述下台阶爆破开挖时存在的若干问题，并将该方法的具体实施流程进行描述。

改变原来沿下台阶掌子面布设炮孔的方式，改由在下台阶顶面竖向钻眼，以拱形隧道下台阶一次爆破进尺4m为例，其具体实施流程有三大步骤。

图2　炮眼布置图（一）

图3　炮眼布置图（二）

步骤一：布设炮眼。在隧道下台阶顶面钻设直径为34～42cm呈矩形结构排列的炮眼，如图2中的直角梯形虚线框所示，炮眼间的距离为a，根据岩性的不同通常a取值为0.8～1.2m；炮眼间的排距为b，根据岩性的不同通常b取值为0.75a；每排炮眼端部的炮眼与开挖轮廓线之间的距离为d，根据岩性的不同通常d取值为5cm～10cm；第一排炮眼与下台阶掌子面上边缘线之间的距离为W （W为最小抵抗线），根据岩性的不同通常W取值为0.9～1.5m（即W=1.5b）；D为隧道一侧的周边眼与掏槽眼的距离，通常D取值为1.2W。所有炮眼均垂直于下台阶顶面，且每个炮眼长度比底部开挖轮廓线超深h，如图4所示，根据岩性的不同通常h取值为0～10cm，在软弱、破碎的围岩中取小值，坚硬、完整的围岩中取大值。通过1～2次爆破试验后即可获取各参数最佳取值。

图4　炮眼布置侧视图

在本次爆破结束后，下台阶掌子面将呈现如图3所示的形状，在此后每次爆破中，下台阶炮眼布置和起爆顺序如图3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示，每次布置4～5排炮眼，图3中与图2相同字母所代表的意义和数值一致。

步骤二：装填炸药和毫秒延期雷管。向所有炮眼装填炸药，按松动爆破法计算靠近台阶坡顶线的两排炮眼需要的炸药量；按挤压爆破法计算远离台阶坡顶线的两排炮眼需要的炸药量。在具体装药时，采用如图5所示的水压爆破装药结构［8］，即先在炮眼底部装入一节水袋，随后根据计算值，在每个炮眼中装入相应炸药量，再装入若干节水袋，最后用炮泥进行堵塞。最靠近下台阶掌子面的第一排炮眼装药量最少，通常装药长度为炮眼长度的1/3；距离下台阶掌子面最远一排炮眼装药量最多，通常装药长度为炮眼长度的1/2；位于两者中间的几排炮眼装药量随炮眼与下台阶掌子面距离的增大而逐排增多。每个炮眼在最先装入的一节炸药中埋设一发毫秒延期雷管，为防止发生冲炮现象，炮泥堵塞一定要密实，堵塞长度一定要够，通常炮泥堵塞长度为炮眼长度的1/4～1/5左右。

步骤三：起爆。本方案采用微差爆破方式起爆，即逐排依次起爆，具体来讲，在首次采用本方法进行下台阶爆破时，爆破顺序按图2中编号1→2→3→4的顺序逐排起爆。

在以后的每次起爆过程中，爆破顺序如图3所示，按图中编号Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ的顺序逐排起爆。

图5　水压爆破装药结构示意图

当隧道呈马蹄形、圆形等形状时，钻靠近隧道两侧的竖向炮眼需要严格控制炮眼孔深，炮眼超深会使爆破后发生超挖现象，炮眼过浅又会使爆破产生欠挖现象。为解决这一问题，可以采用沿隧道下台阶掌子面两侧钻呈水平方向布置的周边眼，其余靠近下台阶隧道中心线附近的炮眼仍然采用竖向钻眼方式。

在工程实践中可根据隧道围岩等级和隧道开挖轮廓线的高度、宽度以及隧道所处周边环境等因素综合考虑下台阶一次爆破过程中炮眼布置的排数及每排炮眼的个数。

3　新型下台阶爆破的两种变形方案

为进一步改善岩石爆破效果，当隧道宽度过大时，为减小隧道两侧围岩爆破时的夹制作用，可将本爆破方案变形为方案一；当下台阶起爆高度过大时，还可将本爆破方案变形为方案二。

3.1方案一

本爆破方法的一种变形方案如图6、7所示，第一次起爆前，炮眼布置如图6中虚线框所示，采用毫秒延期导爆管雷管逐排依次起爆，起爆顺序为图中编号1→2→3→4所示，排与排之间的炮眼采用梅花形布置，从而更有利于改善岩石破碎效果；第一次起爆后，上下台阶之间将形成如图7所示的分界面，此后每次下台阶起爆时，炮眼布置如图7中两个虚线框所示。其中矩形虚线框中编号为5和6的炮眼是沿下台阶掌子面布置的，最靠近隧道开挖轮廓线编号为6的炮眼为周边眼，其炮孔中的装药量比5少，且炮孔间距要比编号为5的炮孔密，以保证周边眼爆破后形成良好的轮廓线。

图6　方案一炮眼布置图（一）

图7　方案一炮眼布置图（二）

3.2方案二

当爆破开挖的下台阶高度超过4m时，如果继续采用单一沿上台阶底面钻竖向炮眼的方案，在炮眼深度钻进超过4m后，无论是采用人工或是小型潜孔钻机钻进速度将明显下降［9-10］，这无疑将增加钻设炮眼的消耗时间；为解决这一问题，当下台阶高度大于4m时，可以在下台阶掌子面靠近底部开挖轮廓线的一定高度，沿下台阶掌子面钻1～2排平行于底部开挖轮廓线的水平炮眼，第一次起爆时，炮眼布置如图8所示；此后每次下台阶起爆时，炮眼布置如图9所示。水平炮眼装药结构与竖向炮眼一致，同样采用毫秒延期导爆管雷管，在竖向炮眼全部起爆完毕后，再起爆；其中，最靠近底部开挖轮廓线的一排水平炮眼最后起爆。

若隧道形状呈马蹄形或圆形等形状时，在钻靠近隧道侧壁的竖向炮眼和靠近底板的水平炮眼时，需要根据下台阶开挖线来严格控制炮眼钻孔深度及与周边轮廓线之间的距离，以确保爆破不发生超欠挖现象。

4　本爆破方案优点及注意事项

4.1与传统下台阶爆破设计相比，采用本爆破方案有如下优点：

图8　方案二炮眼布置图（一）

图9　方案二炮眼布置图（二）

（1）起爆时克服岩石重力做功少，爆破同体积岩石炸药消耗量少；同时向上的爆破飞石少，对上台阶的初支体系破坏和扰动也较小。

（2）沿上台阶底面垂直钻炮眼能分担绝大部分手持式气腿凿岩机的重量，工人作业强度小。

（3）沿上台阶底面钻炮眼不需要将前一次下台阶爆破出来的渣石清理完，同时也不需要清理下台阶掌子面浮石，就可以钻炮眼，使爆破时间可以前后灵活移动，对整个隧道开挖有利。

（4）采用本爆破设计和起爆顺序，靠近隧道两侧边墙的围岩起爆时有很好的临空面，两侧边墙围岩夹制作用小，爆破时均沿临空面移动，对隧道两侧边墙围岩的破坏和扰动小。

（5）采用本爆破设计和起爆顺序，前排采用松动爆破，爆破飞石少，爆堆相对集中；后排采用挤压爆破，被爆岩石碰撞挤压效果好，同时，后排爆破可以对前排的爆堆进行二次爆破（或破碎），降低了爆破大块率。

（6）采用错台爆破开挖下台阶，避免了上台阶拱架（脚）悬空，提高了初支的稳定性、可靠性、安全性。

4.2注意事项：

（1）采用本爆破设计和起爆顺序前，需要用高压风枪将上台阶底面残留的渣石清理干净才能进行钻孔作业；钻孔完毕，用高压风枪清孔时，需要防止炮眼内污水飞溅。

（2）采用人工配合手持式气腿凿岩机钻孔时需要对现有的开挖台架进行简单改装，为固定凿岩机的气腿支撑提供着力点。

（3）采用人工配合手持式气腿凿岩机钻孔时，在换钻杆的过程中需要克服钻杆自重，通常需要另外一名工人配合操作手完成。

（4）钻靠近台阶坡顶线的第一和第二排炮眼时，需要注意安全，防止作业工人和机械坠落。

（5）当隧道形状呈马蹄形或圆形等形状，采用本爆破设计和起爆顺序时，需要严格控制周边眼和底板眼的钻孔深度及与开挖轮廓线的距离。

5　结束语

在当今隧道掘进工程中，爆破开挖下台阶时，绝大多数都采用沿下台阶掌子面布置炮眼的方式，而采用沿下台阶顶面布置竖向炮眼的方式涉及较少。本文给出的下台阶爆破方法及其两种变形实施方案为今后采用台阶法爆破开挖的隧道工程提供了一种新思路和方法。

［1］闫鸿浩，王小红.城市浅埋隧道爆破原理及设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［2］唐辉湘.散体围岩浅埋隧道的开挖与支护技术研究［D］.长沙：长沙理工大学，2011.

［3］王清标，蒋金泉等.不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究［J］.岩石力学与工程学报.2013.32（10）:2079-2087.

［4］顾晶彪.公路隧道不同钻爆法对施工进度的影响研究［D］.重庆:重庆交通大学，2012.

［5］李俊桢.隧道爆破乳化炸药泵送装药新技术研究［D］.天津:天津大学，2007.

［6］徐则民，黄润秋.岩爆与爆破的关系［J］.岩石力学与工程学报.2003.22（3）:414-419.

［7］Sung O Choi，Hee-Soon Shin. stability analysis of a tunnel excavated in a weak rock mass and the optimal supporting system design［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2004， Vol.41 ， pp.876-881.

［8］荆山，何广沂.节能环保工程水压爆破炮眼及其爆破法［P］.中国专利:20071005151361.9.

［9］宗琦，任军.关于巷道掘进爆破中的合理炮眼深度和掏槽技术［J］.煤矿爆破.2001.19（1）:7-11.

［10］皇民，肖昭然，郭成龙.大断面山岭隧道台阶法施工中台阶高度优化研究［J］.河南科学.2016.34（2）:247-251.

杨志刚（1988-），男，汉族，助理工程师/硕士研究生毕业，主要从事工程管理、地下工程爆破方面研究。

E-mail: 963900569@qq.com

Method Deformation Scheme on Tunnel Down Step Blasting

Zhigang Yang
（CRRC Construction Engineering .CO.，LTD， Beijing， 100078， China）

The paper firstly introduced and conventioned a method of blasting excavation of tunnel under bench blasting problems.In other to solve these problems， this paper provided a new type of bench blasting method， and the arrangement of blasting method， such as loading， detonating explosives and millisecond delay detonator steps description.Then， according to the different construction conditions， the paper put forward the method of two kinds of deformation scheme， blasting scheme for designers to choose. Finally，this paper used the new blasting method that has been carried on the induction summary of the advantages， and the matters of the blasting method must be aware of the comb， for the blasting operation personnel in the engineering practice guidance.

Positive Benching Tunneling Method； Vertical Hole； Hydraulic Blasting； Millisecond Blasting

TD235.31

A

2095-8412 （2016） 03-329-05