某隧道控制爆破参数设计与应用研究

罗世云，韩孟微

近年来，全国各地都在纷纷兴建高等级公路，其中包括许多山区高等级公路，如四川成渝高速公路、山西太旧高速公路北京八达岭高速公路、贵州贵新高等级公路等。随着西部大开发战略的实施，山区高等级公路工程在近期将激增。山区高等级公路多位于山岭重丘区，受地形、地质条件限制较大，为了获得较高的道路技术标准，必须增设大量桥梁，隧道、深挖高填路基等工程，这样石方工程量大大增加，目前石方工程主要依赖爆破方法开挖，但石方开挖工程受地形、地质条件、爆破技术力量制约，难以进行全面优质、快速施工，因而成为制约工期和质量的重要因素。因此如何利用现代控制爆破技术进行山区高等级公路各类石方工程的快速、优质安全开挖是我国公路工程施工技术中亟待解决的问题。随着高速公路建设的快速发展和城市化进程的不断推进，为了节约土地资源，许多地区的公路越来越密集，新建公路隧道时，往往有立交桥、地下通道，与现有道路平行或相邻条件。 隧道施工一般采用爆破开挖，而爆破过程会产生振动、飞石、冲击波等有害效应，无疑对现有公路的隧道运营安全构成极大威胁。 因此，在施工过程中采取有效措施，确保现有公路的安全尤为重要。本文针对某公路隧道工程爆破参数进行设计和优化，并提出了爆破有害效应的防护措施。

1 工程概况

某跨海公路通道工程全线路采用高速公路标准化建设，主线路线全长5.6945km。起点YK7+285.5在山腰附近，路线往西方向前进，沿线主要构筑物有大溪边大桥、隧道。桥梁全长1825m/9座，占路线长度的32%，其中大桥1620m/5座，中桥205m/4座，涵洞16道；隧道全长1118.5m/1座（按左右线平均长度计），占路线长度的19.6%。本路段的桥隧合计长度所占路线长度的比例为51.6%。互通式立体交叉1处，通道2道。隧道施工由大里程向小里程方向单头掘进。

2 爆破方案确定

根据沿线地形、地质情况，以及所处的地理位置和周边环境，结合具体情况考虑，该隧道采取由大里程向小里程方向单头掘进，Ⅴ级围岩段按双侧壁导坑法及上下台阶预留核心土法组织施工，采用人工钻爆法风钻钻孔，光面控制爆破技术，分多个断面立体交叉施工；同时边开挖边支护，确保安全无事故。对于地质条件较差的地段或区域以机械施工为主，局部用风镐破除，难度较大的，小范围采用控制松动爆破法施工。根据围岩类别及开挖部位不同，采用不同的炸药单耗，对于软岩采取松动爆破技术，爆破施工中根据实施爆破效果进行调整。特别是在隧道施工过程中，须根据掘进过程中岩石的类型、走向、地质结构、地下水、施工进度等各种因素来制定具体的施工方案。

施工中应遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则，严格控制进尺，减少大药量爆破施工对围岩的强扰动，确保结构稳定和施工安全，并及时对开挖后的岩面进行支护、衬砌，充分保护和利用围岩的自稳能力。

3 隧道爆破参数设计

3.1 设计原则

降低爆破地震、噪声、冲击波和飞石等有害效应，减少对非开挖区（围岩）的介质扰动；在满足爆破效果的前提下，尽可能降低炸药单耗，提高单位循环进尺，以获取得最佳经济效益。

3.2 隧道V级围岩爆破设计参数

炮孔直径：由所使用钻机的钻头直径决定d=42mm；

炮孔深度：炮孔深度受开挖面大小的影响，炮孔过深，周边岩石的夹制作用较大，故炮孔深度不宜过大，在保证围岩稳定前提下尽可能加大循环进尺。根据循环进尺的设计要求，炮孔深度如下：

循环进尺为0.7m时，炮孔深度为0.8m；

三台阶开挖施工爆破设计及炮孔孔网参数（图1）

第一步：上台阶施工

由于上台阶需要保留核心土，第一步开挖的断面形状比较复杂，且没有自由面，在断面底部采用三对炮孔进行楔形掏槽。掘进孔参数孔距在70～80cm 左右，排距在70cm左右（具体参见图1）。底孔对爆破的要求不高，采用普通爆破技术。周边孔要求较高，采用光面爆破技术。

图1 三台阶炮孔布置及起爆顺序示意图

孔网参数：

掏槽孔：孔距100cm；排距45cm,布置6个炮孔。

掘进孔：孔距在70～80cm，排距在70cm左右,布置26个炮孔。

底孔：孔距在72～80cm，布置20个炮孔。

周边孔：孔距40cm，布置46个炮孔。

第二步：核心土开挖

由于核心土上方和侧面的围岩已经开挖，形成了很好的自由面

。采用抬炮进行爆破施工，可以适当增加炮孔间距和排距。

孔网参数：

第一排排距108cm，孔距113cm，布置5个炮孔；

第二排排距90cm，孔距102cm，布置7个炮孔；

第三步：中台阶左开挖

中台阶上方的上台阶已经开挖，形成了两个自由面，与核心土部分开挖比较，围岩的夹制力增加，同时为减少爆破对开挖轮廓的破坏，提高围岩的稳固性，周边孔采用光爆技术。

孔网参数：

第一排排距80cm，孔距81cm，布置10个炮孔；

第二排排距80cm，孔距77cm，布置11个炮孔；

第三排排距70cm，孔距78cm，布置11个炮孔；

第四排排距70cm，孔距79cm，布置11个炮孔；

周边孔孔距 40cm，布置8个炮孔。

第四步：中台阶右开挖

由于中台阶左部分已经开挖，中台阶的右部分爆破条件比左边得到改善，可以充分利用这一条件，适当加大孔距。周边孔采用光爆技术保证周边轮廓的光滑平整。

孔网参数：

第一排排距80cm，孔距90cm，布置8个炮孔；

第二排排距80cm，孔距94cm，布置8个炮孔；

第三排排距70cm，孔距86cm，布置9个炮孔；

第四排排距70cm，孔距86cm，布置9个炮孔；

周边孔孔距 40cm，布置8个炮孔。

第五步：下台阶左开挖

下台阶左部分开挖同中台阶左部分开挖技术雷同，技术要求一致。

孔网参数：

第一排排距90cm，孔距78cm，布置11个炮孔；

第二排排距90cm，孔距77cm，布置11个炮孔；

第三排排距121cm，孔距74cm，布置11个炮孔；

周边孔孔距 42cm，布置7个炮孔。

第六步：下台阶右开挖

下台阶右部分开挖同中台阶右部分开挖技术雷同，技术要求一致。

孔网参数：

第一排排距106cm，孔距86cm，布置9个炮孔；

第二排排距100cm，孔距84cm，布置9个炮孔；

第三排排距110cm，孔距8cm，布置8个炮孔；

周边孔孔距 41cm，布置8个炮孔。

第七步：仰拱开挖

考虑施工和钻孔方便，仰拱采用向下钻垂直孔的方法进行爆破开挖。炮孔的孔深根据仰拱的轮廓进行调整（具体参见图1）。进尺为0.7m时布置一排孔，进尺为1.4m时布置两排孔。为提高爆破效果，起爆顺序采用楔形起爆（参见图1）。

孔网参数：

孔距：100cm。

排距：布置两排时，排距100cm左右。

炮孔布置参数及起爆顺序参见图1。

炸药单耗q

炮孔深度为0.8m时取q为0.85Kg/m3。

炮孔深度为1.6m时取q为0.8Kg/m3。

3.3 孔网参数和装药量

（1）设炮孔孔深为0.8m，炮孔利用率为0.86

理论总装药量为：

其中：q为单位炸药消耗量，本设计取0.85kg/m³；S为开挖断面面积，S为160m2；L为炮孔深度；η为炮孔利用率。

理论炮孔数目N为：

其中Q0=αLG/h=0.5×0.8×0.2/0.2=0.4kg（α-炮孔平均装药系数，取0.5；h-每个药包长度为0.2m，G-每个药包重量为0.2kg）。

实际施工过程中考虑操作和管理方便，掘进孔和周边孔装都装2条药，掏槽孔多装1条药。不同之处是周边孔采用隔孔装药，两个装药孔之间的那个炮孔起定向作用。

实际炮孔数296个，装药炮孔个数为258个（周边孔隔孔装药）104.4kg。

（2）循环进尺为1.4m时

设炮眼眼深为1.55m，炮眼利用率为0.9。

理论总装药量为：

其中：S约为160m2。

理论炮眼数目N为：

实际施工过程中考虑操作和管理方便，掘进眼和周边眼装都装2条药，掏槽眼多装1条药，不同之处是周边眼采用隔眼装药，两个装药眼之间的炮眼起定向作用。

实际炮眼数296个，装药炮眼个数为258个（周边眼隔孔装药），与理论计算值比较炮眼数略多于理论值，装药量吻合较好。

4 装药填塞和起爆网路及其注意事项

4.1 装药填塞

4.1.1 装药

合理分配炮孔底部装药。爆破对于底部岩石的充分破碎应是整个爆破的重点，一旦残留根底，势必给清运工作带来很大的麻烦。只有底部岩石得到充分的破碎。则上部岩石即使没有完全破裂，也会随着底岩的松散而塌落或相互错位产生裂缝，清运十分便利。合理分配底部炮孔孔底部药量，即在所计算的单孔药量不变的前提下，底部药量比常规情况应有所增加，据实爆经验，底部药量以占单孔药量的60%～80%为宜，当数孔同时起爆时，靠近侧向临空面的炮孔系数取小值，反正取大值。

4.1.2 填塞

确保填塞长度。填塞长度常为药孔深度的1/3，而对于夹制性较大岩石的爆破需要加大单孔药量或需要严格控制爆破飞石时，则填塞长度取炮孔深度的2/5较为稳妥，这样既能防止飞石减少冲炮的发生。

4.2 起爆网路

隧道爆破网路设计，采用导爆管毫秒雷管孔内延期起爆网路，孔内按掏槽孔、辅助孔、周边孔、底孔的起爆顺序，再按周边被保护物的允许振速和与爆点的实际距离计算出的最大允许単响药量严格进行分段后，再将各段别的延时导爆管雷管装入孔内，采用“一把抓”连接方式，即连接时将露出孔外的导爆管绑扎在起爆雷管上，达到从低段位到高段位逐段起爆的目的。先掏槽再扩槽，辅助孔次于扩槽孔起爆，周边孔次于辅助孔起爆，底孔最后起爆。

4.3 施工注意事项

（1）适当降低循环进尺和炮孔深度

为最大化减小爆破震动的影响，需要减少爆破总药量，所以需降低循环进尺和炮孔的深度。钻孔时炮孔倾斜角范围一般在4°以内。

（2）加强对中隔墙的防护

在对左、右线主洞进行施工时，需要对中隔墙进行全方位、全封闭的保护，将钢管架和竹板全面封闭起来，降低爆破冲击波和飞石损害。

（3）钻爆作业要求

钻爆作业必须按照钻爆设计进行钻眼、装药、接线和引爆；钻眼前应定出挖面中线、水平、断面轮廓，标出炮眼位置，经检查符合设计要求后方可钻眼。炮眼的深度、角度、间距应按设计要求确定，并符合下列精度要求：掏槽眼：眼口间距误差不得大于5cm;辅助眼：眼口排距、行距误差均不得大于5cm；周边眼：沿隧洞断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，炮眼方向可以3%～5%的斜率外插，眼底不得超出开挖断面轮廓线10㎝，最大不得超过15㎝。

爆破均采用不耦合装药。炮孔应按设计图纸钻凿在一个布孔面上，钻孔偏斜误差不超过1。；装药前应对作业场地、爆破器材堆放场地进行清理，装药人员应对准备装药的全部炮孔进行检查；装药前应将炮眼内泥浆、石屑吹洗干净，已装药的炮眼应及时用炮泥填塞，周边眼的填塞不宜小于30cm;地下水较多的地方，应采用具有防水性能的爆破材料，敷设爆破网络时接头不得浸在水中；进行爆破时，所有人员应撤离至安全地点，爆破后必须待有害气体排出后方可至开挖面工作，并用水喷洒爆堆；应加强洞内车辆调度，统一管理，安排好每个工序的施工作业时间，机械运转时，非操作人员应退至安全地点，发现情况异常应立即停机撤离；钻眼、出渣、爆破等施工人员进入隧道后对拱部进行检查，确认无浮石，无冒顶危险时方可开始作业；通往爆破区的路口应设置安全警戒标志。

（4）严格控制单响药量和段间延期时差

通过减少爆破单发装药，可以有效控制爆破振动速度，最大限度地减少爆破扰动和对围岩破坏。为此，雷管的不同段别也用于相同的分层炮孔中，以减少单发装药。 相邻段之间的延时时间的选择非常重要。 使用非电毫秒雷管的相邻段的延迟时间应超过50 ms，可以使用连续段来满足要求。 通过合理设置雷管段，可以避免爆破震动波叠加，减少单次装药，达到降低爆破振动影响的目的。

（5）光爆孔全部采用导爆索装药

为了顺利爆破，周边孔必须同时起爆。所以导爆索应该铺设在所有周边孔里，以增加爆炸的威力。 各孔导爆索接出孔外后，先由主导爆索连接，再接分段导爆索延时雷管。

（6）有序装药，适当堵塞

在装药前应检查炮孔质量并用高压风吹干。 装药时，将雷管段别预先分开，按设计顺序装药，固定放置并分组，保证装药作业有序，防止雷管段别混乱，影响爆破效果。 装药后，用炮泥堵塞20cm。 装药和堵塞质量高可以增强爆破效果，减少爆破振动。

（7）爆破飞石控制

爆破抵抗线朝向空地方向，避免飞石飞向有人群或建筑的地方。选择合理单耗装药量是控制飞石的关键，单孔装药量过大，必然造成大量飞石过远等现象，必须选择合理的单耗。处理好有水孔，加强堵塞，保证良好的堵塞质量。堵塞长度不够或堵塞质量不好，特别是有水炮孔，势必造成冲炮，出现大量飞石。为了防止个别飞石溅出造成伤害，针对隧道口正面部位进行搭建双层排架，对隧洞口进行遮挡式覆盖。洞口施工用变压器，在爆破时采取临时断电或近体覆盖措施。

5 结论

（1）隧道的爆破开挖是一项复杂的工程，特别是不同级别围岩的情况下，需要根据不同的围岩特点采取合适的施工方法，并结合施工加强监控量测，不断优化控制爆破参数。

（2）光面爆破设计时应采取周边孔少装药，装药结构为不耦合装药。能够降低围岩损伤和减小爆破震动的效果，对周边轮廓成型、减少超欠挖、减少成本具有很大意义。

（3）不同循环进尺的爆破方案不尽相同，应根据实际工况采取不同的爆破方案。

（4） 通过保证各炮孔的装药和堵塞质量，特别是周边孔的布置，同时控制各炮孔间的起爆时间，采用合理的延时，能够得到比较理想的爆破效果。