矿山法隧道光面爆破技术及超挖控制方法

高原

摘要：结合宁波至象山市域铁路工程矿山法隧道施工，深入研究了光面爆破技术特点。在阐述了光面爆破技术参数和施工技术要点基础上，分析光面爆破超挖问题原因及控制措施。工程实践表明，在复杂地质条件下，隧道仰拱采用光面爆破技术，可满足隧道开挖施工精度和施工安全要求，且施工成本显著低于传统爆破施工技术，具有良好的应用推广价值。

关键词：复杂地质；矿山法隧道；光面爆破技术；超挖控制

0   引言

隧道仰拱开挖时，采用钻爆法开挖易出现超挖、欠挖等问题[1]，对隧道施工安全和工程质量造成较大影响。在隧道施工中应用光面爆破技术，可显著提高隧道施工稳定性，降低隧道爆破对围岩结构造成的扰动和破坏，但在复杂地质条件下，光面爆破施工质量受多方面因素影响，要求施工单位合理确定光面爆破参数，严格控制爆破超挖标准，降低光面爆破对隧道围岩的影响[2]，提高隧道光面爆破施工效果，保障隧道工程顺利施工。本文结合矿山法隧道工程项目，深入研究光面爆破技术应用技术要点，以期为隧道工程施工提供有益参考。

1   工程概况

宁波至象山市域（郊）铁路工程SGXS03标段，起点为竺家庄隧道进口DK7+635.165，終点为张家岭隧道洞身DK18+300.00处，里程范围DK7+635.165～DK18+300.00。标段内线路全长10.665km，其中，区间桥梁长度1.739km，矿山法隧道长度8.926km，包括竺家庄隧道、龙王庙隧道、西舟岭隧道、石神洞隧道、华山村隧道和张家岭隧道共计6座隧道，桥梁占比16.31%，隧道占比83.69%。

选择隧道仰拱爆破施工工艺时，专家组对传统爆破开挖技术和光面开挖技术优缺点进行了对比。传统爆破开挖技术采用连续炮孔装药，会造成其轴线方向装药位置爆炸产生的压力，显著大于炮孔周围围岩极限抗压强度，易形成周围岩石破碎圈，导致仰拱轮廓圆顺度较差、超挖严重。相较于传统爆破开挖技术，光面爆破技术开挖隧道仰拱施工工艺可有效控制爆破对围岩结构的影响，实现隧道仰拱光面爆破效果。经专家组论证研究，该工程仰拱采用光面爆破技术。

2   工程施工难点问题

2.1   地质条件差

根据地勘资料可知，工程所在场地属于低山丘陵区，地形起伏较大，地面标高2.84～172m，地势较高处基岩裸露，岩性以凝灰岩为主，坡地分布坡洪积层，浅部覆盖层较薄，以黏土混碎石为主，层面起伏较大，厚度较小。

隧道区间内岩土层自上而下为含黏性土角砾、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩、微风化凝灰岩，隧道岩土层主要穿越Ⅴ级围岩，岩性破碎-极破碎，开挖时易掉块坍塌，稳定性差，局部穿越浅埋、破碎带段，地质条件复杂多变，为此防变形、防坍塌、防涌水、防突水是隧道施工难点问题。

针对该工程地质结构复杂、围岩结构稳定性差的难点问题，施工单位在仰拱光面爆破施工中遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的原则爆破施工，以此降低光面爆破施工对围岩结构扰动作用，充分发挥围岩自稳性，确保隧道施工安全。

2.2   爆破施工安全管理难度大

该工程矿山法隧道洞口300m爆破安全范围内存在民居等构建物，爆破施工产生的爆破力波、冲击波、飞石等，可能对周围构建物和道路通行产生安全影响。针对潜在安全风险，施工单位制定爆破安全管理方案如下：

对光面爆破编写专项方案并对其进行方案论证，确保爆破施工安全。涉路洞口石方开挖采用液压锤、静态爆破等非爆工艺。涉路洞口以松动爆破、光面爆破为主，施工单位通过优化光面爆破参数，并加强试爆、震速监测，降低光面爆破对周围环境的影响。在临民居侧设置安全档护。

3   光面爆破技术应用

光面爆破会受到围岩强度、围岩节理、层理等地质因素影响，现场围岩地质结构复杂，现场爆破施工需根据现场实际地质情况进行动态调整。根据该思路，施工单位在同一类围岩结构中试爆取得试验参数，将该试验参数作为本循环技术参数依据和下一循环预设计与试爆破依据。

3.1   爆破参数预设计

3.1.1   爆破设计要求

光面爆破施工中，设计采用32mm×200mm乳化炸药，每卷180g。雷管采用非电毫秒雷管。为确保炸药和雷管运输安全，本项目爆破材料均由项目部统一采购，并由公安机关指定民爆公司统一配送。

工程光面爆破技术要求如下：仰拱零欠挖、少超挖，平均线性超挖量≤12cm；仰拱周边眼痕迹保存率，硬岩痕迹保存率≥80%，中硬岩痕迹保存率≥65%，并应在仰拱开挖轮廓面均匀分布；仰拱每循环开挖接茬错台≤15cm。

根据隧道岩土层岩土特性、围岩完整程度、节理裂隙等地质条件，施工单位现场采集岩样对其进行实验，分析获得岩石单轴饱和抗压强度等参数确定预爆破参数，如表1所示。

3.1.2   炮眼数量和装药量计算

炮眼数量直接影响凿岩工作量，根据开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关。考虑到炮眼数量必须装入设计装药量，该工程按平均分配原则设计计算。

N=qS/r                  （1）

式中：N为炮眼数量，q为单位体积耗药量，S为开挖断面面积，r为每米炮眼装药量。

炮眼装药量直接影响光面爆破效果。装药量不足可能出现炸不开、炮眼利用率低和石碴过大等问题。装药量过大则可能造成围岩破坏、崩坏支撑和机械设备、抛碴过散等问题，并可能增加隧道内有害气体含量，威胁隧道内施工安全。考虑到该工程隧道仰拱采用光面爆破，周边眼低猛度炸药，掏槽眼采用相对较高猛度的炸药，装药量可按下式计算。

Q=qV                   （2）

V=Is                   （3）

式中：Q為单爆破循环总药量，q为爆破1m3岩石耗药量，V为每循环进尺所需爆破岩石总体积。I为计划循环进尺，s为爆破开挖面积。根据炮眼数量和装药量计算结果确定施工参数。

3.1.3   爆破网络连接

光面爆破采用孔内毫秒导爆管雷管延期，孔外采用同段别爆管雷管簇网络连接方法，使用导爆管雷管一次击发起爆。该方法能够有效控制和改善起爆质量、效果，确保隧道仰拱光面爆破现场施工安全。现场起爆时，掏槽孔最先起爆，辅助孔顺序起爆，周边孔同时起爆，底孔最后起爆。通过采用不同段别雷管孔内延期起爆，孔外同段雷管簇连一次性同时起爆[3]，达到精确控制起爆烈度、影响范围的目的。

3.1.4   装药结构设计

周边孔采用不耦合装药结构，掏槽孔、辅助孔和底板孔采用连续装药结构。鉴于隧道仰拱地质情况较为复杂，根据现场实际情况调整周边孔装药量。对于局部围岩稳较差的可在周边孔基础上增加辅助孔，并通过采用不装药、减少装药量等方法调整周边孔爆破参数。

为提高爆破能量利用效率，工程中设计采用炮泥（砂：土：水=3：1：1）堵塞，堵塞装药时填塞密实，确保无空隙、间断。根据炮孔位置和作用不同对堵塞长度进行差异控制，并确保装药结构堵塞长度≥40cm。

3.2   钻孔施工

钻孔前，为解决人工钻凿仰拱周边孔时可能面临的外插角过大、仰拱开挖错台和超挖严重等问题，施工单位通过配置钻孔反力支座钻孔方式，减小气腿与地表夹角，从而达到降低周边孔插角的目的。仰拱部分周边孔钻孔时，气腿端部支承在开挖反力支座横梁上提供反力，以确保气腿与地表间夹角足够小。通过采用钻孔反力支座方式保障钻孔角和钻孔深度，能够有效防止超挖问题。

3.3   爆破施工

爆破施工前，施工单位结合周围环境情况，对隧道仰拱光面爆破安全性进行校核。距隧道洞口最近建筑为进口处民房，最小距离为100m。《爆破安全规程》（GB 6722-2014）要求，一般民用建筑物允许振动速度为2.0～2.5cm/s。

为确保民居建筑安全，本工程按一般民用建筑允许安全振速1.0cm/s计算最大允许段起爆装药量，并计算距民居距离与装药量关系。计算结果显示，距民居50m最大装药量为10.9kg，100m最大装药量为87.0kg，150m最大装药量为293.5kg，200m最大装药量为695.7kg。根据安全装药量，施工单位对隧道仰拱光面爆破装药量、与民居距离进行对比验算，确定工程设计最大爆破装药量符合安全振速的要求。

为确保现场爆破施工安全，施工单位加强现场测振。考虑到爆破飞石安全风险，施工单位借助Lundborg统计规律，计算隧道内光面爆破飞石距离为63～67m，隧道明洞个别飞溅物距离为21m。隧道内部爆破施工时人员撤离至300m外，可确保爆破施工安全。明洞爆破安全距离50m。

4   爆破超挖原因分析及超挖控制

隧道光面爆破施工过程中，施工单位发现局部断面存在超挖问题。经专业测量人员测量对比分析，发现存在问题包括：爆破后局部围岩岩面粗糙、不规则；隧道轮廓超挖超出控制标准，导致初支混凝土量增加。

结合现场仰拱岩性、节理发育和爆破施工参数，施工单位对隧道超挖原因进行分析并采取一定的控制措施，具体如下：周边眼间距控制为45～50cm偏大，超挖部位周边眼间距≥50cm，后续将其优化调整为40cm。优化周边眼装药结构，适当减少孔底的装药量，增加中段装药量。外插角精度控制不到位，局部超挖外插角过大，加之隧道岩体节理和裂隙发育，隧道仰拱在爆破振动作用下发生振动，影响光面爆破效果。现场严格控制外插角为3～5°，降低外插角偏差对爆破效果的影响。经超挖原因分析和爆破参数调整后，超挖问题得到有效改善，如表2所示。

5   爆破效果分析

通过加强隧道光面爆破施工管理和优化控制，使得该工程隧道仰拱光面爆破施工效果良好。根据隧道施工过程中测量记录，统计分析隧道仰拱爆破施工质量数据，均符合质量控制标准要求。仰拱围岩面光滑、平整，炮眼痕迹保存率≥85%，优化调整后超挖问题显著改善，满足工程设计质量标准，表明该工程光面爆破效果良好。光面爆破施工质量标准如表3所示。

6   结束语

在复杂地质隧道工程中应用光面爆破技术，通过调整炮眼间距、装药量、装药结构等参数，可降低爆破施工对仰拱围岩稳定性的影响。工程施工完成后，经对比同类工程采用传统爆破技术开挖成本，隧道仰拱采用光面爆破施工技术可降低成本约35.14%，具有良好的经济效益。

参考文献

[1] 袁丁.光面爆破技术在碎裂岩石层隧道开挖中的应用分析[J].石材，2023（7）：138-140.

[2] 储宁吉，冯进，毕文生，等.预裂光面综合爆破在层理发育隧道中的应用[J].中国公路，2023（12）：90-93.

[3] 万桂军.板岩地质隧道光面爆破施工炮眼的精准控制研究[J].交通世界，2023（17）：183-185+188.