楔形掏槽爆破进尺影响因素探究①

郑 静， 李启月， 赵新浩， 张建秋， 边志伟

（1.中交一公局第五工程有限公司，新疆 哈密839000； 2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083）

隧道爆破是在有限空间下进行的，自由面仅有一个，因此隧道爆破需要掏槽以创造第二自由面和补偿空间［1-2］。 常见的掏槽方式有直眼掏槽与斜眼掏槽。直眼掏槽较斜眼掏槽存在炮孔数目多、所需雷管段别多、炸药单耗高、钻孔难度大等系列问题［3-5］，在隧道爆破掘进施工中，应用不及斜眼掏槽广泛，其中楔形掏槽应用最为普遍［6］。 以往的工程实践表明，隧道爆破进尺大都在2.5 m 以下，其主要原因是：钻孔使用的气腿式凿岩机，钻孔速度随钻孔深度增大而降低，当达到某一孔深后钻孔速度会大幅度降低，因而钻孔深度普遍在1.6～2.5 m［7］。 但是随着隧道断面加大以及机械化水平提高，凿岩台车在隧道爆破掘进施工中的应用愈加广泛［8-11］，不同于气腿式凿岩机，凿岩台车的钻孔速度受钻孔深度的影响较小，可钻孔深一般为5 m 左右，这为提高楔形掏槽爆破进尺提供了可能性。 在机械化水平日益提高的今天，爆破进尺越大，越有利于提高施工效率、降低经济成本。 因而，提高楔形掏槽隧道爆破进尺具有极重要的现实意义。 但在实际施工过程中，往往难以取得理想的爆破进尺。 基于此，本文以东天山隧道工程为背景，对影响楔形掏槽爆破进尺的因素进行分析，并针对性地提出增加爆破进尺的技术措施，研究结果对类似工程有指导借鉴意义。

1 楔形掏槽爆破进尺影响因素分析

在装药结构合理、起爆顺序合理、炸药性能与围岩力学特性相匹配的前提下，将影响楔形掏槽循环进尺的因素归为两类，一是掏槽角度，二是辅助掏槽孔底部抵抗线。 辅助掏槽孔是指在掏槽区两侧与掌子面夹角小于90°的炮孔。 炮孔分区如图1 所示。

图1 炮孔分区图

1.1 掏槽角度对楔形掏槽爆破进尺的影响

掏槽角度是指主要掏槽区主要掏槽孔与掌子面的夹角，该角度对循环进尺的影响主要体现在如下两个方面：一是掏槽角度决定了掏槽深度，角度越大，深度越深，而掏槽深度直接决定了爆破进尺的极限值，如果掏槽部分的岩石没有崩落下来，辅助掏槽区及其他区域的岩石便没有了被崩落的可能性；二是掏槽角度决定了掏槽效果，良好的掏槽效果应保证掏槽孔底部裂隙贯通，破碎岩石被有效抛掷，同时实际掏槽深度应达到设计深度的90%以上。 为了达到该效果，两排掏槽孔孔底夹角需达到60°以上［12］，亦即掏槽角度应小于等于60°。 工程实践中，掏槽角度受断面宽度和凿岩台车推进梁长度的影响。

1.1.1 断面宽度对掏槽角度的影响

断面宽度直接决定了掏槽角度。 若断面宽度较小，则掏槽孔无法满足角度要求，其抛掷效果一般，这也是小断面隧道、巷道多采用直眼掏槽的主要原因。若断面过大，虽能够满足角度要求，亦可取得良好的掏槽效果，但掏槽深度较小，同时后续起爆孔的底部抵抗线过大，往往达不到设计爆破深度，这也是为什么大断面、超大断面隧道全断面一次爆破采用楔形掏槽进尺低的主要原因。

断面宽度对掏槽孔角度的影响如图2 所示。 从中可以看出：在相对两排掏槽孔孔口距相同、孔底距相同的情况下，断面越大，掏槽孔角度越小，掏槽深度越浅；断面越小，掏槽孔角度越大，掏槽深度越深。 但是其相对两排掏槽孔夹角越小，其最终崩落的掏槽深度可能是最小的。 图中α1、α2、α3为掏槽孔与掌子面的最小夹角。

图2 隧道断面宽度对掏槽孔角度的影响

1.1.2 凿岩台车推进梁长度对掏槽角度的影响

不管是气腿式凿岩机还是凿岩台车，在空间受限的隧道内钻凿炮孔，往往钻不了机械本身可以钻凿的设计角度，因为气腿式凿岩机的钎杆长度、凿岩台车的推进梁长度均会影响钻孔角度。 但对于气腿式凿岩机而言，其影响较小，甚至可以忽略不计，究其原因：气腿式凿岩机在钻凿炮孔时可以通过不断地更换不同长度的钎杆来满足钻孔角度要求。 但凿岩台车的推进梁长度较长，一般可达7 m，而且长度不可调，因此，一旦开眼位置和断面宽度确定，则钻孔角度也被确定了。 图3为凿岩台车推进梁对钻孔角度的影响，其中α为凿岩台车所能钻凿炮孔的最小角度，可用式（1）进行计算：

图3 凿岩台车推进梁对掏槽孔角度的影响

式中B1＝min｛B11，B12，…，B1n｝，为掏槽孔开眼位置至初支轮廓线水平距离的最短距离，B1n为不同掏槽孔开眼位置至初支轮廓线的水平距离；L1为凿岩台车推进梁长度。 同时α要满足：一级掏槽α≤60°，二级掏槽α＝65°～70°。

结合以上对影响掏槽角度的因素分析，可以推导出楔形掏槽爆破进尺的极限值为：

同时必须满足：

式中l为设计爆破进尺；B2为相对两排掏槽孔孔口距，由施工条件决定；B3为相对两排掏槽孔孔底距，取值0.2～0.4 m；α为掏槽孔与掌子面夹角，可用式（1）进行计算；η为炮孔利用率，η≥90%；L为掏槽孔孔长；L′为钻杆可钻孔深。 考虑到掏槽孔一般是炮孔中最深的炮孔，因此在计算极限掏槽深度时，可取孔深为钻机最大钻孔深度，则式（2）～（3）可简化为：

图4 为掏槽孔俯视图，其中l′为掏槽孔孔深。

图4 掏槽孔俯视图

1.2 辅助掏槽孔底部抵抗线对爆破进尺的影响

施工中，作业人员往往只意识到掏槽对于爆破进尺的重要性，而忽略了辅助掏槽孔的影响，实际上辅助掏槽孔对进尺的影响亦不容小觑，甚至在某些条件下可转变为影响爆破进尺的主控因素。 具体影响为：若实际抵抗线大于可爆破抵抗线，则岩石无法按预计部位崩落，造成循环进尺低下。 由于辅助掏槽孔与掌子面有一定夹角，炮孔底部抵抗线是最大的，因此该影响主要体现在底部抵抗线上，辅助掏槽底部抵抗线对爆破进尺的影响受两个因素制约：

1） 底部抵抗线设计值大小。 如果底部抵抗线设计值W1过大，则炮孔底部夹制作用大，炮孔将不能按照预计位置爆落下来，只会从实际可爆破抵抗线W2爆落下来，由此造就爆破进尺“前移”（如图5 所示）。此种情况为爆破进尺小于掏槽爆破深度，亦即后续崩落孔的利用率不高。

图5 底部抵抗线对爆破进尺的影响

表1 不同炮孔长度下偏斜角度对扩大底部抵抗线的影响

图6 孔偏引起的底部抵抗线增大对爆破进尺的影响

2） 孔偏。 钻孔偏斜会导致炮孔底部的抵抗线发生变化，如表1 所示，当偏斜角度相同时，炮孔长度越长，孔偏引起的抵抗线增大值越大。 当炮孔长度相同时，偏斜角度越大，孔偏引起的抵抗线增大值越大。 当实际抵抗线大于炸药可崩落抵抗线时，该处岩石不会被有效崩落、抛掷，只会将处在可崩落抵抗线范围内的岩石崩落、抛掷，最终影响爆破进尺，其影响如图6 所示。 表1 中给出的数据仅考虑了炮孔“外偏”一种情况，实际钻孔时会有“内偏”现象，这对于减小炮孔底部抵抗线会有益处。在此需指明：在炮孔排数不增加的情况下，前排炮孔角度偏小，必然造成后续炮孔角度相对偏大，仍然会造成底部抵抗线增大。

2 增大爆破进尺技术措施

通过以上分析可知，影响爆破进尺的因素主要包括两个方面：掏槽角度与辅助掏槽孔底部抵抗线。 一般情况下，掏槽角度是影响爆破进尺的主要因素，决定了爆破进尺的极限值。 但辅助掏槽孔底部抵抗线大小可以在某些条件下转变为影响循环进尺的主控因素，具体表现为掏槽区域爆破深度足够，但后续炮孔崩落深度比掏槽深度小。 因此为了得到理想的爆破进尺、提高炮孔利用率，可从以下方面进行改进。

2.1 优化掏槽参数

一般而言，一级掏槽适用于3.0 m 以下的爆破进尺，二级掏槽适用于4.0 m 以下的爆破进尺，在此基础上增加掏槽级数，比如选用二级掏槽、三级掏槽，不仅可使掏槽效果得到保障，更可增加掏槽孔与掌子面的角度，进而增加辅助掏槽孔与掌子面的角度，减少其底部抵抗线。 同时根据围岩、设备确定合理的掏槽眼个数，对于圆形隧道开挖断面尤为重要。 从图3 可知，距地平不同高度的断面宽度是不同的，断面宽度过窄，不利于钻凿合适的掏槽角度。

2.2 减小辅助掏槽孔底部抵抗线

辅助掏槽孔在某些条件下可以转变为制约循环进尺的主控因素，出现崩落孔的爆破深度小于掏槽孔爆破深度的现象。 因此，减小辅助掏槽孔底部抵抗线是极其有必要的，而减小辅助掏槽孔底部抵抗线最佳途径便是增加辅助掏槽孔排数。 当然，增加了辅助掏槽孔排数，亦需要增加雷管段别数。

2.3 选择合理的起爆顺序

因起爆顺序不合理而造成循环进尺低的事例屡见不鲜，究其原因：起爆顺序不合理会造成局部炮孔抵抗线发生变化，进而影响后起爆炮孔，形成连锁反应，最终影响爆破进尺。 合理的起爆顺序应保证后起爆炮孔充分利用先起爆炮孔创造的自由面。

2.4 提高钻孔质量

如表1 所示，不管是辅助掏槽孔还是主要掏槽孔，孔偏对循环进尺的影响都是巨大的。 控制钻眼偏差、提高钻孔质量、减少开眼偏差与钻孔偏差，对提高循环进尺十分有意义。

3 工程实例

东天山隧道是新疆维吾尔自治区G575（一级公路）线巴里坤至哈密公路建设项目的控制工程，隧道总长度11 870 m，为特长隧道。 隧道开挖部分为受力较好的单心圆，开挖跨度12.5 m，开挖高度8.75 m，断面积91.7 m2；隧道施工采用钻爆法，总体上采用全断面一次爆破的技术方案，局部地段采用台阶法施工。钻孔采用阿特拉斯·科普柯新型BoomerXL3D 三臂凿岩台车，具体参数见表2。 采用2＃岩石乳化炸药，药卷直径32 mm，药卷长度300 mm，质量300 g。 装药在自主研制的凿岩台架上进行。

表2 BoomerXL3D 三臂凿岩台车参数

采用二级掏槽，取二级掏槽孔孔底距0.4 m，相对两排掏槽孔孔口距依据断面宽度以及凿岩台车推进梁长度确定为5.0 m，二级掏槽孔开眼位置至初支轮廓线最短距离为3.2 m，应用式（1）计算得二级掏槽角度63°，应用式（2）计算得掏槽孔孔深为4.5 m，设计爆破进尺l＝4.05 m，应用式（3）进行验算，得孔长5.0 m，满足要求。

图7（a）为预留光爆层全断面一次开挖炮孔布置图，自掏槽至周边共9 排炮眼。 工程实践结果表明：掏槽部位爆破进尺达到了4.0 m，爆破进尺仅为3.668 m，呈现出倒三角的情形，即：掏槽深度足够（达到4 m），后续炮孔爆破存留根坎，其爆破痕迹线如图中虚线所示。 如果对炮孔布置稍作改变，由9 排炮孔变成8 排炮孔，掏槽孔、周边孔布置不作变化，仅改变辅助掏槽孔，其炮孔布置如图7（b）所示，则爆破进尺由3.668 m下降到3.34 m，其爆破痕迹线如图中虚线所示。 对比图7（a）、（b）可以发现，应用9 排炮孔，则炮孔底部抵抗线大都能够控制在0.75 ～0.80 m 之间，而应用8 排炮孔，则炮孔底部抵抗线大都在0.8 ～1.0 m 之间，因此，影响东天山隧道爆破进尺的控制因素不是掏槽，而是辅助掏槽孔，其底部抵抗线越大，爆破进尺越小。

4 结 论

1） 分析了掏槽角度、辅助掏槽孔底部抵抗线对楔形掏槽爆破进尺的影响，分析表明：掏槽角度是影响爆破进尺的最主要因素因素，该角度既决定了掏槽深度，又决定了抛掷效果。 考虑到隧道断面宽度、掏槽孔孔口距、凿岩台车推进梁长度、最大钻孔深度以及掏槽角度，给出了掏槽极限深度的计算公式；辅助掏槽底部抵抗线受设计值大小以及孔偏制约，其影响主要体现在炮眼底部抵抗线越大越不利于爆破进尺的提高，在某些情况下，底部抵抗线可能转变成影响隧道爆破进尺的主控因素。

2） 提高爆破进尺的技术措施有：优化掏槽参数、减小辅助掏槽孔底部抵抗线、选择合理的起爆顺序和提高钻孔质量。

3） 东天山隧道工程应用结果表明：掏槽深度达4.0 m，实际循环进尺仅为3.334～3.668 m，爆破痕迹线呈中间深两边浅的倒三角形状，该结果表明东天山隧道实际循环进尺仍有0.332～0.660 m 的进步空间。 该实例表明文中对影响楔形掏槽爆破进尺的因素分析是正确的，验证了所提出的极限掏槽深度计算公式的合理性，同时表明辅助掏槽孔底部抵抗线是影响东天山隧道爆破进尺的主控因素。

图7 辅助掏槽孔底部抵抗线对爆破进尺的影响