光面爆破技术在小断面隧道施工中的应用

赵继红

（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃兰州730046）

1 工程概述

讨赖河水电站位于甘肃省肃南裕固族自治县讨赖河干流祁文村至新村河段上，为引水式水电站工程。电站装机3台，总容量17 MW，主要建筑物为4级，次要建筑物及临时建筑物为5级。

隧洞工程主要有引水隧洞（L=465.88 m）和尾水隧洞（L=620 m），隧洞均采用城门洞型断面，开挖尺寸4.9 m×5 m（宽×高），顶拱圆心角103.39°。根据围岩条件，一期支护采用系统（随机）锚杆+锚喷，二期支护采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度35 cm。

隧洞岩体主要为寒武系结晶灰岩，局部发育有裂隙密集带、断层或岩脉破碎带。围岩类别以Ⅲ类为主，局部（小断层或裂隙发育段）为Ⅳ类。

2 开挖方案选取

针对讨赖河水电站隧洞开挖断面小的特点，结合现场地质条件，采用YT—28型风钻钻孔，全断面一次爆破法开挖，风镐修整，为确保爆破的断面形状和尺寸基本符合设计要求，故采用了光面爆破技术。爆破取得了良好的效果，光面爆破后永久面成型平整，几乎无超、欠挖，各类围岩光爆孔半孔率均高于规范要求，爆破振动小，提高了施工速度，降低了工程成本。

光面爆破的定义：在设计开挖轮廓边界上布置一排较密集的炮孔，采用不耦合装药或装填低威力炸药，利用毫秒雷管使其在开挖区主爆孔爆破后再起爆，从而获得比较平整开挖面的爆破作业。

光面爆破的成缝机理：爆破应力波和高压气体联合作用产生，爆破应力波由炮孔向四周传播，在孔壁及炮孔连线方向出现裂缝，随后在爆破气体作用下，使原裂缝延伸扩大，最后形成平整的开裂面。

3 隧洞Ⅲ类围岩光面爆破方案设计

光面爆破参数选择与隧洞所在的地质围岩稳定性有关，与爆破物品的品种爆破性能有关；同时还与选用的装药结构和起爆方法、开挖断面的形状和尺寸有关，爆破参数的确定是控制光面效果的关键，施工中根据不同围岩情况确定各次的爆破参数分别进行试爆，再结合现场实际情况进行适当调整优化，以达到最佳的爆破效果。

讨赖河水电站隧洞主要为Ⅲ类围岩，开挖断面积为22.73 m2，采用2号岩石硝铵炸药，电雷管和毫秒导爆管起爆，周边眼采用不耦合间隔装药，具体参数如下。

3.1 炮孔直径

炮孔直径的大小直接影响爆破振动持续时间、钻孔的速度、炮孔数量、单位炸药消耗量、爆落岩石大小及爆破后轮廓的平整性，根据炸药药卷直径（32 mm）选择炮孔直径为40 mm。

3.2 炮孔深度

炮孔深度是指炮孔孔底至工作面的垂直距离，炮孔深度在各爆破参数中占据重要位置，不仅影响着掘进的速度或强度，而且影响着爆破效果和材料消耗，它是决定每班掘进循环次数的主要因素。

开挖洞径D=4.8 m，经计算，炮眼深度应取1.92～3.84 m，根据围岩特性及爆破方式，炮孔深度选2.5 m，掏槽眼及空眼炮孔深度为2.7 m。

3.3 炮孔数目

炮孔数目与掘进断面形状、岩石的性质、孔径、孔深、炸药性能及炮眼利用率等因素有关，确定炮孔数目的基本原则是在保证较好爆破效果的前提下，尽可能地减少炮孔数目，从而缩短凿岩时间，通常可按下式进行计算。

式中，N为炮孔数目；f为岩石坚固性系数（根据招标文件岩性描述，Ⅲ类围岩取10）；s为隧洞掘进断面面积。

3.4 单位炸药消耗量计算

单位炸药消耗量简称单耗，是衡量爆破经济效果的主要指标，它的大小取决于炸药性能、岩石的物理力学性质、自由面的大小和数目以及孔径、孔深等因素，根据修正的普氏公式计算。

式中，q为单位炸药消耗量，单位kg/m3；f为岩石坚固性系数（根据招标文件岩性描述，Ⅲ类围岩取10）；s为隧洞掘进断面面积，取22.73 m2；Ko为考虑炸药爆力的校正系数，取525/p（2号岩石硝铵炸药为320/ml）。经计算，q=1.20 kg/m3。

3.5 每循环所使用炸药的总用量

确定了单位炸药消耗量后，根据每一进尺爆破的岩石体积，计算出每进尺所使用炸药总量。

式中，Q为每循环爆破岩石体积，单位m3；L为炮孔深度，取2.5 m；η为炮孔利用率，一般取0.8～0.95，本次计算取0.9。经计算，Q=61.37 m3。

3.6 最小抵抗线

光面爆破最小抵抗线是指装药中心（或重心）到最近自由面的最短距离，常用W表示，是爆破时岩石阻力最小的方向，直接影响每次的爆破量、抛散距离和块度的大小和破碎效果，对爆破边线控制的影响较大，过大会产生欠挖，过小会产生超挖，均达不到理想爆破效果。

光面爆破最小抵抗线用光爆层的厚度表示，它与装药密集系数m有关，可以用公式W=E/m计算。周边孔孔距E取0.6 m，装药密集系数m值应根据岩石性质来选择，讨赖河隧洞围岩主要是坚硬强度岩石，m取1.0较为合理。结合试验效果，确定W=60 cm。

3.7 工作面和炮孔的布置

隧洞开挖爆破中的炮孔布置按其位置和作用不同，分为掏槽眼、辅助眼（崩落孔）和周边眼、底板眼，隧洞开挖爆破只有一个临空面，岩石夹制作用大，爆破条件困难。因此，掏槽孔的布置极为重要，根据爆破断面选用4孔单斜型掏槽形式。

周边眼是控制隧洞成型的炮眼，其参数可按计算及经验选定的数值进行试验，爆破后根据围岩情况、爆破效果，残孔率、轮廓的不平整度，适当调整以达到最佳爆破效果。

3.8 爆破经济指标统计

爆破经济指标统计见表1。

表1 爆破经济指标统计

3.9 装药结构

为保证全部装药稳定爆轰，完全传播，对于浅孔光爆宜采用连续反向装药。为了减少爆破产生的有害气体及防尘，炮孔封堵。起爆方法采用非电毫秒延期导爆雷管分段微差爆破。起爆顺序：掏槽孔→辅助孔1→辅助孔2→底孔→周边孔。

3.10 爆破试验

在实际施工过程中为了达到理想的光爆效果，在隧洞开挖初始，应结合围岩的节理、走向、裂隙发育程度及破碎状况对设计的爆破参数进行现场试验。从而针对不同围岩特性选定合理的爆破参数，并做好记录，为后续洞段开挖提供参照，以达到最佳光爆效果。

4 光面爆破效果评价

讨赖河水电站隧洞采用以上爆破设计进行施工，并对孔位布置、装药质量、起爆网路连接、起爆进行了严格的监督。根据爆破效果逐步调整和优化相关爆破参数后再进行反复试验，使得光面爆破后开挖面成型良好，Ⅲ类围岩光爆孔半孔率达90%以上，部分Ⅳ类围岩光爆孔半孔率达60%以上。