输水隧洞光面爆破试验研究

孟 涛

（河南省水利第二工程局，郑州 450016）

1 工程概况

驮英灌区总干渠那佳—南庆隧洞位于总干渠末端，总长12 975 m，分两个标段施工，其中Ⅱ标段隧洞长5105 m，起始桩号为7+870，出口末端终止桩号为12+975，隧洞沿线主要构造线以近东西向为主，褶皱发育，岩层产状较不稳定，构造发育，隧洞穿过地带主要为砂岩、泥质粉砂岩夹薄层状泥岩，薄层状灰岩夹泥岩，微风化。本标段大多为Ⅳ围岩，少量Ⅲ类和Ⅴ类围岩，Ⅳ类围岩隧洞开挖尺寸为5.25 m×4.6 m，洞身混凝土浇筑后隧洞断面宽3.5 m，高4.3 m，纵坡为1/2000。现以Ⅳ类围岩作为试验岩层，以斜掏式和混合式爆破方式做对比，得到更加优越的爆破方式。爆破试验地点选在桩号12+300～12+285处，该段岩体为砂岩、泥质粉砂岩夹薄层状泥岩，岩体完整性一般，微风化。

2 掏槽试验方案

2.1 确认试验数据

2.1.1 爆破器材的选用

炸药选用2#岩石乳化炸药，规格为Φ32 mm×350 g，雷管选用毫秒延期导爆索雷管，选用的雷管段别为1段、3段、5段、7段、9段、11段和13段，其延期时间分别为0、50、110、200、310、460、650 ms。

2.1.2 钻孔设备和孔径

采用YT-28 型气腿式凿岩机，20 m3电动空压机，炮孔直径D =42 mm。掏槽孔深度为3 m，周边孔及辅助孔深度为2.8 m。

2.1.3 炮眼数量

炮眼数目的多少直接影响每一循环凿岩工作量、爆破效果、循环进尺、隧洞成型的好坏以及爆碴块度的大小。暂按式（1）计算炮眼数目，在施工中，需根据具体情况再作调整，以达到最佳爆破效果。

式中：q为炸药单耗量，kg/m3；s为开挖面积m2；r为每米长度炸药的重量，乳化炸药r=0.85 kg/m；η 为炮眼装药系数，取η=0.67。

经计算，各类围岩相应断面炮眼数目见表1。

围岩类别Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类设计炮眼个数62 68 75设计炸药单耗/（kg/m2）1.45 1.35 1.10断面面积/m218.06 22.29 22.96计算炮眼个数46 53 44

2.1.4 炮孔间距和排距

周边孔间距拟定在50～55 cm，掏槽孔间距20～30 cm，辅助孔间距和排距为80～120 cm。

2.1.5 炮眼装药量

根据经验数据，周边孔线装药密度拟定为160～250 g/m。

掏槽孔和辅助孔炮眼装药量可参考式（2）进行计算：

式中：Q为炮眼装药量，kg；η为炮眼装药系数，掏槽眼取0.8，辅助眼取0.5～0.7；L 为眼深，掏槽眼3.0 m，辅助眼及周边眼2.8 m；r 为每米长度炸药量，取0.85 kg/m。

掏槽眼装药量计算值为1.87 kg，取1.8 kg；辅助眼装药量计算值为1.31 kg，取1.3 kg。在施工中，根据具体情况再作调整，以达到最佳爆破效果。

2.1.6 最小抵抗线W

炮孔密集系数m、孔距a 和最小抵抗线W 之间的关系式m=a/W，根据以往经验数据，当m=0.7～1.0时，隧洞光面爆破的效果较好。光面爆破设计参数统计表见表2。

当a=50 cm 时，W=a/m=50/（0.7～1.0）=70～50 cm；当a=55 cm时，W=a/m=55/（0.7～1.0）=75～55 cm

岩石坚固系数f 4～6 6～10不偶合系数k 1.6～1.8 1.4～1.6装药量Q/（g/m）100～200 150～250炮孔间距a/cm 0.60～0.50 0.65～0.55最小抵抗线W/m 0.55～0.45 0.55～0.45

2.2 掏槽眼设计

本文设计了6 种掏槽试验方案，6 种布孔模式分别为单斜式、楔形式、二级楔式、二级复式楔形式、直锥式、直楔式，6种布孔模式如图1所示。6种模式周边孔孔数、单孔装药量、装药结构、起爆方式、钻工人员等参数保持不变。

图1 布孔模式

2.3 钻爆法施工方法及工艺

钻爆法施工工艺流程：测量放线→钻孔→装炸药及布线→放炮散烟→撬挖（处理危石和局部欠挖）→出渣运输（见图2）。采用气腿式风钻钻孔，毫秒微差爆破，对断层等Ⅴ类围岩地带采用弱爆破、短进尺等措施，以确保施工安全。

图2 钻爆作业施工工艺流程图

3 钻爆试验

根据相同的装药量，钻爆孔深、孔数、排距、角度按爆破设计要求确定，并符合精度要求。钻孔由专业钻孔工承担，操作工要严格按照钻爆设计图进行钻孔作业，特别是周边眼和掏槽眼位置、间距和数量，不得随意改动。各钻手分区、分部位定人定位施钻，实行严格的钻手作业质量经济责任制。炮眼要“准、平、齐”：①“准”是指炮眼位置要准，周边眼口全部在设计轮廓线内5 cm的连线上，眼底全部在设计较廓线外5 cm的连线上终止，炮眼定位误差不能超过10 cm；②“平”要求炮眼方向和隧道中线平行，两侧边墙要顺帮水平打眼，各排炮相同位置的炮眼平行，爆破后各排同位炮眼连成一条线；③“齐”，主要是眼底要齐，要在一个垂面上，才能保证良好的爆破效果。钻眼完毕，高压风将炮眼内的泥浆、存水、石粉吹洗干净，按炮眼布置图进行检查，并做好记录，经检查合格后方可装药。分片分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下装药，雷管“对号入座”。

采用复式起爆网络，以保证起爆的可靠性和准确性，导爆管不能打结和拉细，引爆雷管用电胶布包扎在导爆管自由端10 cm以上处，网路联好后，专人负责检查，人员撤至安全地点，用FB-500型起爆器击发起爆雷管起爆。

4 爆破效果分析

试验按选择的参数共分6组，爆破效果见表3。

试验组别孔数 排距/m总装药量/kg循环进尺/m循环进尺时间/h 半孔保存率单斜式27 24 0.8炮孔类型周边孔辅助孔掏槽孔底孔周边孔辅助孔掏槽孔底孔周边孔辅助孔掏槽孔底孔周边孔辅助孔掏槽孔底孔周边孔辅助孔掏槽孔底孔周边孔辅助孔掏槽孔底孔孔深/m 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 3 7 27总装药量70 kg。周边孔线装药密度210～270 kg/m。1.8 3.3半孔保存率约22%顶部局部掉块，周边孔首端存在挂孔现象。楔形式24 6 7 27 0.8 0.30总装药量76.3 kg。周边孔线装药密度210～270 kg/m。2.2 3.5半孔保存率约26%顶部局部掉块。二级楔形式0.8 0.30总装药量88.2 kg。周边孔线装药密度210～270 kg/m。2.8 4.0半孔保存率约35%顶部局部掉块。二级复式楔形式0.8 0.30总装药量88.2 kg。周边孔线装药密度210～270 kg/m。2.6 4.0半孔保存率约35%，顶部局部掉块。直锥形式0.8 0.30总装药量72.45 kg。周边孔线装药密度210 ～270 kg/m。2.5 4.2半孔保存率约32%，顶部局部掉块。直楔形式24 12 7 27 24 12 7 27 24 10 7 27 24 10 7间距/m 0.5 0.8～1.0 0.5 0.8 0.50 0.8～1.0 2.4 0.8 0.50 0.8～1.0 2.2 0.8 0.50 0.8～1.0 2.2 0.8 0.50 0.8～1.0 0.3 0.8 0.50 0.8～1.0 0.3 0.8 0.8 0.30单孔药量/kg 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5总装药量72.45 kg。周边孔线装药密度210～270 kg/m。2.5 3.8半孔保存率约32%，顶部局部掉块。

从爆破试验结果来看，单次循环进尺距离长、时间短的经济效益为最优。由表3可知单次循环进尺2.8 m，循环进尺时间4 h 的二级楔形式经济效果最佳。因岩层水平分层、薄层状、顶部掉块，半孔保存率普遍较低，其中35%为最优半孔率。

5 结语

（1）控制掏槽孔的部位、角度和深度是掏槽能否成功的关键，是提高隧洞爆破每循环进尺、降低炸药单耗的关键工艺。

（2）隧洞开挖不允许欠挖，提高周边孔的画线、打孔精度，合理精准地确定周边孔的爆破参数可以减少不必要的超挖，将超挖控制在规定的范围内。

（3）根据隧洞掌子面岩层的实际情况，及时调整辅助孔的间距和数量，可以获得最佳爆破效果。

（4）顶部的周边孔可以采用多发雷管间隔装药，这样可以减小周边孔的装药集中度，从而减小爆破对顶部岩壁的影响，避免挂孔现象和二次爆破，严格控制装药质量，杜绝随意性，防雷管、炸药段位混装。

（5）施工开钻前，先检查掌子面安全状况，清理掉松动的危石，确认安全后方能开始钻孔作业，必要时先对掌子面顶部素喷砼处理再钻孔作业。安全、稳定的施工环境才是质量进度经济效益的前提保障。

（6）本文对不同类型掏槽模式的研究，仅依据现场试验得到的结论，存在一定的局限性。受现场试验条件限制，未能对其他模式做试验对比。其后续研究能通过数字模拟方式，进一步验证现场试验成果。