铁路隧道光面爆破施工技术与管理实例

巩中江, 柴敬尧, 杨长庚

(中铁北京工程局集团有限公司， 北京 102308)

铁路隧道光面爆破施工技术与管理实例

巩中江, 柴敬尧, 杨长庚

(中铁北京工程局集团有限公司， 北京 102308)

为减少铁路隧道开挖断面超挖或欠挖，提高隧道施工的安全和质量，有效控制施工成本，在爆破参数初步设计的基础上，对周边孔间距、光爆层厚度、炮孔长度、装药量和分段装药结构进行优化，最终采用周边孔间距为35 cm、光爆层厚度为40 cm、炮孔长度为3.2～3.8 m、周边孔每孔装药量为0.6～0.75 kg和分3段进行装药的优化参数，爆破效果满足铁路隧道光面爆破控制的要求。另外，在爆破作业过程中，通过加强技术交底、技术培训以及合同管理，并严格执行班组长责任制，提高了爆破控制的质量，达到超欠挖控制的目标，有效节约经济费用。

单线铁路隧道； 爆破参数； 优化设计； 综合管理； 光面爆破

0 引言

目前国内山岭隧道的施工主要以钻爆法为主。钻爆法施工工艺简单，但人为因素对爆破质量影响较大。在以往的隧道爆破作业中，由于对爆破控制的意义和重要性认识不足，爆破控制随意性较大，炮孔布置、炮孔长度、周边孔间距和装药结构不合理，现场管理不到位，隧道超挖现象严重，光面爆破效果差，存在严重的安全、质量隐患及材料浪费。随着工程建设的发展，隧道爆破质量控制已逐步得到关注，爆破参数也在不断地优化和改进，现场管理办法也在逐步完善。文献[1]针对爆破控制的原理、方法及爆破参数(包括周边孔间距、光爆层厚度和装药结构)，提出了明确的指导思想和要求；文献[2-3]对楔形掏槽孔的排距、角度和深度控制提出了较好的意见；文献[4-7]对光面爆破技术进行了分析研究，提出了合理的爆破控制参数；文献[8-9]对不同围岩条件下的装药量进行了研究，提供了可参考的数据；文献[10-11]对爆破前的技术交底和施工过程中的炮孔检查验收进行了总结，提出有效的管理办法。

光面爆破的实质是在隧道设计断面轮廓线上布置间距较小且相互平行的炮眼，装入低密度、低爆速的炸药或采用不耦合装药，并控制每个炮眼的装药量，然后同时起爆炮眼，使炸药作用刚好产生沿炮眼连线(即隧道轮廓线)的贯穿裂缝，并使岩石沿炮眼连线崩落。本文以新建蒙西—华中地区铁路MHTJ-31标段桐木隧道和黄岗隧道光面爆破控制技术和管理为例，根据现场岩性的不同，通过现场试验对爆破控制参数进行了优化，将周边孔间距调整为35 cm、光爆层厚度调整为40 cm，取得了较好的爆破效果；同时，结合现场情况，采取了严格的综合管理办法，提高了隧道爆破的安全、质量和工效。

1 工程概况

蒙西—华中地区铁路煤运通道土建工程MHTJ-31标段黄岗隧道全长1 962.64 m，为单洞单线隧道，围岩以大体积弱风化花岗岩为主，岩体完整。地质测绘、物探及钻探成果表明： 隧址区地质构造不发育，出口段表层覆盖的粉质黏土为灰褐—褐黄色，硬塑状态，厚度

为0～2 m；下伏为闪长岩，为灰黄—灰褐色，全—强风化。桐木隧道全长5 372 m，为单洞单线隧道，最大埋深为282 m。隧道沿线经过的地层主要为雪峰期晚期侵入花岗岩及Ptsh元古界双娇山群千枚岩，地表分布有第四系覆盖层。在黄岗隧道和桐木隧道进行光面爆破的过程中，发现原设计方案爆破效果较差，出现了较大的超欠挖情况，隧道轮廓线不平顺，不能满足光面爆破控制的要求。

2 光面爆破控制目标

隧道光面爆破开挖控制的目标：平均线性超挖小于10 cm，隧道轮廓线完整，应减少隧道围岩受力的不利影响，确保隧道施工安全。

3 爆破参数初步设计

初步设计的主要爆破参数见表1。

表1 初步设计的主要爆破参数

根据经验公式，炮孔数量

N= 0.001 2qS/(ad2)。

式中:N为炮孔数量;q为单位炸药消耗量;S为开挖断面面积;a为炮孔装填系数;d为药卷直径。

则根据设计要求，Ⅱ级围岩炮孔数量NⅡ=0.001 2×1.35×46.21/(0.6×0.0322)=122;Ⅲ级围岩炮孔数量NⅢ=0.001 2×1.25×51.82/(0.55×0.0322)=138。

采用间隔装药的装药结构，药卷间距为40 cm，炮孔封堵长度按50 cm进行实施。隧道爆破从掏槽孔到辅助孔至周边孔采用多段毫秒延期导爆管雷管由里向外起爆，其中周边孔比辅助孔要跳2段，间隔时间为50～100 ms，且用同一段雷管同时起爆。为了保证起爆准确可靠，采用的起爆网络为塑料导爆管传爆雷管复式网络。爆破采用2号岩石乳化炸药，规格为φ32 mm×300 g，密度为1.24 g/cm3。周边孔分2段进行间隔装药，2段药卷间隔40 cm，其他孔连续装药。对于每孔装药量周边孔为0.9 kg(Ⅲ级围岩为0.75 kg)，辅助孔为1.2 kg，掏槽孔为2.4 kg，底板孔为2.4 kg。

初步设计的Ⅱ、Ⅲ级围岩炮孔布置如图1所示。 按照初步设计方案进行现场爆破，根据爆破效果分析初步设计参数选取的合理性。爆破后，平均线性超挖为18.5～22.1 cm，不满足爆破控制的要求。

4 爆破参数的优化

针对影响爆破的主要参数，细化爆破试验工作。在初步设计的基础上，对方案实施后的净空断面进行测量及现场效果检查,并通过分析原因，对爆破参数进行了调整。经过对比分析和优选，获得了较为合理的爆破参数。

4.1 主要爆破参数的调整

4.1.1 周边孔间距

光面爆破是指通过爆破使相邻炮孔之间用裂隙连通起来，以形成平整的断裂面。炮孔间距在炮孔裂隙的连通上起着非常重要的作用。周边孔间距减小后，可以减小相邻炮孔之间的裂隙连通距离，能够使连通面更加平顺，有利于增强光面爆破的效果，但周边孔间距越小成本越高，因此在实施过程中需要进行多次调整，以选择经济合理的周边孔间距。

4.1.2 最小抵抗线

光爆层是指周边炮孔与最外层主爆孔之间的一圈岩石层。光爆层厚度或周边孔到邻近辅助孔的距离是光面孔起爆时的最小抵抗线，一般大于或等于光面孔间距。如果最小抵抗线过大，则不能很好地将光爆层破碎下来，甚至会产生大块或留底根；如果最小抵抗线过小，在反射波的作用下，可能会导致围岩破坏，影响光面爆破的效果和围岩的稳定性。因此，针对现场围岩情况和爆破效果，对光爆层厚度进行了调整。

(a) Ⅱ级围岩

(b) Ⅲ级围岩

炮孔编号1、3、5、7、9、11和13代表起爆延期时间段号。

图1初步设计的炮孔布置图(单位： cm)

Fig. 1 Preliminary design of layout of blasting hole(unit: cm)

4.1.3 掏槽孔的深度、角度及装药量

掏槽孔是指在开挖面中间部位布置的先于其他炮孔起爆的钻孔，为辅助孔和其他孔提供爆破临空面，为整体爆破创造条件。掏槽孔的深度、角度和装药量对整体爆破起着关键性作用，在实施过程中通过多次调整来获得合理的取值。

4.1.4 装药量集中度

装药集中度是指单位长度炮孔中的装药量。为了保证新壁面的完整稳固，在保证围岩沿炮孔连心线破裂的前提下，应尽可能地少装炸药。一般情况下，在中硬岩中装药量集中度为20～300 g/m，硬岩中为300～350 g/m。针对不同围岩，在现场实施过程中通过对周边孔装药量进行多次调整，最终选取了合理的装药量。

4.1.5 装药结构

装药结构对光面爆破的效果有着很大的影响，装药集中将会造成局部装药段的爆破力过猛，引起局部岩体超挖破坏，同时空隔段的爆破力弱化易造成欠挖，因此应采用多间隔装药保证孔内产生均匀的爆破力，各间隔炸药用导爆索连接进行引爆。另外，为了减少爆破力的损失采用炮泥进行封孔。

4.1.6 周边孔外插角的控制

外插角的控制也是影响光面爆破效果的关键因素，外插角过大会造成孔底超出轮廓线过多，造成超挖。根据项目部现有的设备以及蒙华公司对初期支护和二次衬砌厚度施工误差的要求，周边孔孔口均需控制在设计轮廓线内5 cm的连线上，孔底均需控制在设计轮廓线外5 cm的连线上，外插角斜率按照3.3%向外进行设置，才可达到较好的超欠挖控制效果。

4.2 爆破参数优化试验数据统计及分析

为了提高爆破控制水平，进行了爆破参数的优化试验。Ⅱ级围岩试验段选择黄岗隧道(花岗岩)，Ⅲ级围岩试验段选择具有代表性的桐木隧道斜井段(千枚岩)，以此2处作业段为试点，通过对参数优化前后方案的实施效果进行对比分析，选取了合理的爆破参数。

4.2.1 黄岗隧道试验数据统计及对比分析

在黄岗隧道进行光面爆破参数优化试验，现场采集相关数据，每个爆破参数的数值取连续5次爆破数据的平均值，如表2所示。

逐步调整周边孔间距为45、40、35、30 cm，相应地调整光爆层厚度为55、45、40、40 cm，同时调整掏槽孔的深度、角度及装药量，周边孔装药结构调整为3段间隔。药卷间距为60 cm，药卷采用导爆索连接，炮孔封堵30 cm，同时严格控制周边孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外进行设置。

当周边孔间距调整到35 cm，辅助孔炮孔长度调整到3.4 m、掏槽孔炮孔长度调整到3.8 m(斜插内角为75°)时，平均线性超挖为8.95 cm，满足小于10 cm 的要求，光面爆破效果有了很大的提升。当周边孔间距调整到30 cm时，光面爆破效果提升并不明显，且增加了更多的成本，因此确定周边孔间距为35 cm时的方案为最优方案。

4.2.2 桐木隧道试验数据统计及对比分析

与黄岗隧道相同，在桐木隧道进行光面爆破参数优化试验，每个爆破参数的数值取连续5次爆破数据的平均值，如表3所示。

表2 黄岗隧道试验数据

表3 桐木隧道试验数据

逐步调整周边孔间距为45、40、35、30 cm，相应地调整光爆层厚度为55、50、45、40 cm，同时调整掏槽孔的深度、角度及装药量，周边孔装药结构调整为3段间隔，药卷间距为60 cm，药卷采用导爆索连接，炮孔封堵长度为30 cm，同时严格控制周边孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外进行设置。

当周边孔间距调整为35 cm、辅助孔炮孔长度调整为3.4 m、掏槽孔炮孔长度调整为3.8 m(斜插内角为75°)时，平均线性超挖为9.87 cm，满足小于10 cm的要求，光面爆破效果有了很大的提升。当周边孔间距调整到30 cm时，光面爆破效果提升不明显，且增加了更多的成本，因此确定周边孔间距为35 cm时的方案为最优方案。

4.3 单线隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩优化后的爆破参数

Ⅱ、Ⅲ级围岩爆破参数优化后，掏槽孔、辅助孔、周边孔和底板孔的炮孔长度分别取3.8、3.4、3.2、3.2 m，周边孔间距为35 cm，外插角斜率按照3.3%向外进行设置，最小抵抗线为40 cm。周边孔分3段进行间隔装药，药卷间距为60 cm，药卷采用导爆索连接，炮孔封堵长度为30 cm, 每孔装药量为0.75 kg(Ⅲ级围岩为0.6 kg),循环进尺按照3 m控制。

单线隧道Ⅱ级围岩优化后的炮孔布置及V型掏槽平面图如图2所示，炮孔布置参数见表4。

(a) 炮孔布置

(b) V型掏槽平面图

炮孔编号1、3、5、7和11代表起爆延期时间段号。

图2单线隧道Ⅱ级围岩优化后的炮孔布置及V型掏槽平面图(单位： cm)

Fig. 2 Blasting hole layout and V-shaped cut plan after optimization for single-track tunnel in Grade Ⅱsurrounding rock(unit: cm)

表4优化后的炮孔布置参数

Table 4 Parameters of blasting hole arrangement after optimization

项目炮孔间距/cm炮孔数量Ⅱ级围岩Ⅲ级围岩炮孔长度/m周边孔3558583.2辅助孔50～7575873.4掏槽孔8012123.8底板孔4510133.2

单线隧道Ⅲ级围岩优化后的炮孔布置如图3所示，Ⅴ型掏槽平面图与Ⅱ级围岩相同，如图2(b)所示。炮孔布置参数见表4。

炮孔编号1、3、5、7、9、11和13代表起爆延期时间段号。

图3单线隧道Ⅲ级围岩优化后的炮孔布置(单位： cm)

Fig. 3 Blasting hole layout after optimization for single-track tunnel in Grade Ⅲ surrounding rock(unit: cm)

4.4 爆破参数优化后的爆破效果

通过多次隧道光面爆破现场试验，通过试验结果对爆破参数进行了优化，优化后的光面爆破眼痕率达90%以上，超欠挖控制在10 cm以内，对隧道周边围岩的扰动和破坏较小，隧道断面轮廓完整，达到了光面爆破控制技术的要求。桐木隧道爆破参数优化后的爆破效果如图4所示。

图4 桐木隧道爆破参数优化后的爆破效果

Fig. 4 Blasting effect after optimization of blasting parameters in Tongmu Tunnel

5 隧道光面爆破管理

5.1 爆破控制存在的问题

经过爆破参数的初步设计、优化及应用，爆破后现场的超挖情况总体受控，光面爆破效果有了很大提升。但经现场的检查和跟踪，了解到因一些人为因素的影响，优化后的爆破参数不能彻底落实，依然影响着爆破质量。经现场检查发现存在的主要问题为： 周边孔间距被随意放大，不按方案要求控制炮眼深度及装药量，不按间隔要求进行周边孔装药，周边孔斜率控制不当，炮眼封孔未按要求实施。这些问题直接导致了部分地段超欠挖严重，光面爆破效果差。

5.2 爆破控制管理措施

1)深化技术交底。结合现场情况编制具有适用性、可操作性的技术交底，并根据现场情况变化不断完善和改进，及时将技术交底的内容和要领灌输到每一个作业层。同时，将完善后的技术交底统一汇编，作为内部指导性文件。

2)加强技术培训，制定培训计划，分阶段对参与隧道爆破开挖的管理人员及施工人员进行培训，针对现场存在的问题，由浅入深，逐步提升。同时，总结可行的培训方式，提炼培训的内容要点，并形成书面材料，纳入内部管理档案中。

3)强化合同管理，执行合同条款。根据合同要求的质量标准进行工序验收，完善合同补充协议，制定针对爆破质量的每道工序的验收以及奖罚制度。

4)推行班组长责任制，充分发挥班组长对现场各工序的直接管控作用。

5)完善爆破控制管理办法制度。为了有效地促进现场各工序的管控，确保爆破质量，要求现场值班技

术人员对爆破布孔—钻孔—清孔—验孔—装药—爆破的每道工序、爆破后的残眼率及爆破净空断面测量结果建立登记台账，进行现场施工工序验收记录和备案，作为奖励兑现的依据。

通过合同管理手段，提高了协作队伍的合同责任意识和作业自律性。通过进一步细化、落实技术交底和持续的培训工作，使现场爆破控制管理水平明显提高，现场施工逐步规范化，爆破效果有了很大提升，主要体现在： 周边孔斜率控制精度有了较大提高，炮孔间距基本按要求进行，超欠挖现象明显减少。通过推行班组长责任制、签订质量责任书、建立和完善作业层管理制度以及建立责任追究制，充分发挥了班组长的带头作用，从源头上进行了质量控制。另外，工作质量与经济奖罚挂钩，使现场的每一道工序都处于受控状态,通过现场工序质量验收签认制，使炮孔间距、炮孔斜率、装药量和装药结构等均能按照技术交底的要求实施。

6 爆破参数优化后的经济效益

通过对隧道爆破方案进行优化，进行技术交底培训，完善班组长责任制和工序验收，达到了超欠挖控制的目标，光面爆破效果良好，同时取得了很好的经济成效。爆破过程中超挖控制各项目减少量见表5。

表5 超挖控制各项目减少量

注： 未施工的数据为根据现场情况预测的数据。

由表5可知，已施工段和未施工段的超挖耗费共节约约1 456.9万元。支付给工人的钻爆奖励为8 217.6 m×0.026 67 万元/m≈219.2 万元，增加的火工品总费用为8 217.6 m×0.019 3万元/m≈158.6 万元，则项目成本共节约1 456.9-219.2-158.6=1 079.1 万元。

7 结论与讨论

根据经验参数只能取得常规的控制参数，要取得更为合理适用的参数，还需根据现场围岩情况及爆破效果不断地对主要参数进行整，通过效果分析最终选取适用于实际工程的优化参数。同时，需要通过有效的技术措施和管理办法保证方案的最终落实，取得理想的爆破效果。

1)在爆破控制中，周边孔间距、装药量和装药结构的选择对爆破效果起着非常重要的作用。通过在Ⅱ级围岩(花岗岩)和Ⅲ级围岩(千枚岩)单线隧道工程进行现场实践，采用了周边孔间距为35 cm、装药量为每孔0.75 kg(Ⅲ级围岩为0.6 kg)以及3段等间距均匀装药的爆破参数，每循环进尺按照3 m进行控制，取得了较好的爆破效果。

2)周边孔外插角的控制对隧道的爆破效果发挥着很重要的作用。当周边孔孔口全部在设计轮廓线内5 cm的连线上、孔底全部在设计轮廓线外5 cm的连线上及周边孔外插角斜率为向外3.3%设置时，并在钻孔中严格控制周边孔位置及外插角斜率的精度，确保周边孔在同一轮廓线上，则周边孔爆破可以形成圆滑的切割面轮廓。

3)在参数优化的基础上，全面组织技术交底和培训，加强合同管理，推行班组长责任制，完善爆破控制工序验收管理办法，对爆破效果起着重要的作用。

本文仅对2类围岩的隧道爆破进行了现场实践，目前还存在着其他特殊地段围岩爆破不理想的问题，例如： 其他地段的千枚岩，整体性差，分层节理严重，岩层产状与隧道开挖横断面呈斜向交角，爆破超欠挖及光面效果控制难度大。因此，还需进一步对其他特殊地段的围岩进行现场分析研究，以对周边孔间距、位置及装药结构等爆破参数进行优化，进而取得较好的爆破效果。

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ConstructionTechnologyofSmoothBlastingUsedinRailwayTunnelandItsManagementPractice

GONG Zhongjiang, CHAI Jingyao, YANG Changgeng

(ChinaRailwayBeijingEngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing102308,China)

In order to reduce overbreak or underbreak of railway tunnel excavation face, improve the safety and quality of tunnel construction and control the construction cost effectively, the spacing of the surrounding holes, the thickness of smooth blasting layer, the length of blasting hole, the charge quantity and sectioning charge structure are optimized. After optimization, the spacing of surrounding hole of 35 cm, the thickness of the smooth blasting layer of 40 cm, the length of blasting hole of 3.2-3.8 m, the charge for single surrounding hole of 0.6-0.75 kg and three section charge are selected, which can meet smooth blasting control requrements of railway tunnel. Meanwhile, the blasting control quality and overbreak and underbreak control are improved and the construction cost is reduced by relevant management methods.

single-track railway tunnel; blasting parameters; optimization design; comprehensive management; smooth blasting

2017-07-20;

2017-11-16

巩中江(1965—)，男，陕西渭南人，1987年毕业于西安铁路工程职工大学，铁道工程专业，专科，工程师，主要从事铁路隧道施工技术方面的工作。E-mail: 3298099218@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.013

U 455.6

B

2096-4498(2017)12-1593-07