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全断面法隧道爆破设计方案

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2020年4月19日
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隧道爆破设计方案
一、工程概述
本合同段有四座隧道。隧道设计为左右幅分离式双洞单向行车双车道，净跨11.2m，净高7.0m的三心圆拱曲墙断面。隧道区域处于构造剥蚀丘陵—低山地貌区，主要出第四系全新统残坡积碎石土、中元古武当山群片岩和上元古界震旦系上统灯组片岩。本段内短隧道为Ⅳ、Ⅴ级围岩，中长隧道为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅲ级围岩采用全断面法爆破开挖（Ⅴ级围岩主要采取人工配合机械开挖，不需要爆破）、锚、喷、格栅、网、初期支护，全断面复合式衬砌。爆破方法采用光面爆破。
二、光面爆破的特点
光面爆破施工，能够减少对围岩的扰动，增强围岩的自承能力，特别是在不良地质条件下效果更为显著，不但能够减少危石和支护的工程量，而且保证了施工的安全；由于光面爆破使开挖面平整，岩石无破碎，减少了裂隙，这样能够大大减少超欠挖量。据有关资料统计，光面爆破与普通爆破相比，超挖量由原来的15%～20%降低到4%～7%，不但减少出碴量，而且还很大程度的减少了支护的工作量，从而降低的成本，加快了施工进度。根据公路隧道“新奥法”施工的需要和工程地质条件，结合施工现场实际情况，我标段的四座隧道中的Ⅲ、Ⅳ级围岩决定采用光面爆破施工。
三、光面爆破方案的确定
当前，大断面隧道光面爆破施工有2种方法：一是预留光爆层法；二是全断面一次性开挖法。根据施工现场的实际条件及围岩情况，本段隧道采用全断面一次性开挖法。
四、全断面（Ⅲ级围岩）爆破方案设计
1、爆破参数的选择
光面爆破参数选择主要与地质条件有关，其次是炸药的品种与性能；隧道开挖断面的形状与尺寸，装药结构与起爆方法。隧道主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，Ⅲ级围岩全断面爆破断面面积为83.1m2，Ⅳ级围岩上导坑爆破断面面积为58.45m2，采用2号岩石乳化炸药，Ⅴ级围岩主要采取人工配合机械开挖，不需要爆破。周边眼采用不耦合间隔装药，其它炮眼采用连续柱状装药，采用导爆索和毫秒延期导爆雷管起爆。
严格控制周边眼的装药量，采用合理的装药结构，尽可能的使药沿药眼长均匀的分布，这是实现光面爆破的重要条件。
在光面爆破中，炮眼间距E、最小抵抗线V、炮眼密集系数K、装药密度q是相互制约的。
（1）炮眼深度
炮眼深度受开挖面大小的影响，炮眼过深，周边岩石的夹制作用较大，故炮眼深度不宜过大，一般最大炮眼深度取断面宽度（或高度）的0.5～0.7倍，同时考虑到Ⅲ级围岩每循环掘进一般不超过3.0m,Ⅳ级围岩一般不超过1.5m。故Ⅲ级围岩钻孔深度取3.0m。
　　钻孔采用YT-28风钻，钻头直径为φ40mm，炮眼孔径为φ42mm，为克服及减少岩石的夹制作用，除掏槽眼和底眼深度L=3.2米外，其余周边眼、辅助眼等炮孔深度L=3.0米。
（2）、光面爆破不耦合系数（D）及装药直径（d）
炮眼直径dk与药卷直径di之比称为不偶合系数，合适的周边眼不偶合系数应使爆炸后作用于炮眼壁的压力小于围岩抗压强度，理论与实践证明，当岩石种类为软岩（我标段四座隧道岩层）时，不偶合系数在2.0～2.5范围时，缓冲作用最佳，光爆效果最好

　　D=dk/di

　　式中D——不耦合系数；

　　dk——炮眼直径（cm）；

　　di——装药直径（cm）；

　　在实际使用过程中，我们采用直径为32mm的2号岩石乳化炸药，周边眼采用2号岩石乳化炸药沿长度方向对半切（相当于φ20小药卷）即周边眼的不耦合系数D=42/20=2.1，符合D=2.0～2.5的要求。

（3）周边眼间距（E）、最小抵抗线（V）和相对距系数（K）
最小抵抗线与开挖的隧道断面大小有关。在断面跨度大，光爆眼所受到的夹制作用小，岩石比较容易崩落，最小抵抗线能够大些，断面小，光爆眼所受到的夹制作用大，最小抵抗线能够小些，最小抵抗线与岩石的性质和地质构造也有关，坚硬岩石最小抵抗线可小些，松软破碎的岩石最小抵抗线可大些。我标段四座隧道岩质主要为软岩，故确定最小抵抗线（V）为0.40～0.60。
相对距系数是周边眼间距（E）与最小抵抗线（V）的比值，是影响爆破效果的重要因素。
K= E/V
式中, E为周边炮眼间距，cm；V为最小抵抗线，cm；
K值总是小于1,当d=38～46mm，E=30～50cm，
V=40～60cm时，K=0.5～0.8。
考虑到权爆区岩石节理较发育，并参照规范周边眼间距取值范围30cm-50cm, 对周边眼间距取45cm,最小抵抗线值取60cm，K=E/V=0.75。
（4）装药量计算：
光面爆破装药量的计算，主要是确定周边眼光爆层炮眼装药集中度，即以kg/m表示，一般采用实验方法求得或从同类工程中选取。
q=QEV
式中q—装药集中度，kg/m；
Q—单位体积耗药量，g/m3；
E—周边眼间距，m；
V—最小抵抗线，m；
经过现场试验和施工经验数据，用计算法进行校核，确定q=0.07～0.15kg/m。按照q=0.15kg/m计算。
（5）炮眼数量

　　N=qS/ηγ

　　式中：N——炮眼数量，不包括未装药的空眼；

　　q——单位炸药消耗量，一般取q=1.2~2.4kg/m³；

　　S——开挖段面积，㎡；

　　η——装药系数，即装药长度与炮眼长度的比值，暂取0.7；

　　γ——每米药卷的炸药质量，kg/m，2号岩石乳化炸药γ=0.91。

　　即：N=（1.47×83.1）/（0.7×0.91）=192个

　　其中掏槽眼6个（向内倾斜15°），辅助掏槽眼8个（向内倾斜15°），辅助眼111个，周边眼53个，底眼14个，非装药眼四个（增加临空面，增强爆破效果）。

（6）每一循环装药量计算及分配

　　Q=qV

　　式中：q——单位炸药消耗量，取q=1.47kg/m³；

　　V——1个开挖循环进尺爆落岩石总体积，m³；

　　即：Q=1.47×3.0×83.1=366.47kg

　　各炮眼装药量分配如下：

　　因为计算炮眼数量时，采用η=0.7，由周边眼装药集中度q=0.15kg/m，得出周边眼装药系数为0.165，设其它各炮眼装药系数取值：掏槽眼0.9，底眼0.9，辅助眼0.9，则

　　6×0.9+8×0.9+53×0.165+14×0.9+111×0.9=（6+8+53+14+111）η

　　计算得：η=0.7

　　若计算η≠0. 7，则需重新调整η值代入N=qS/ηγ，并适当调整所设掏槽眼、底眼、辅助眼装填系数，使试选η值与计算η相符。

　　因此按上列装填系数进行分配是能够的。
每个掏槽眼装药量=0.91×3.106×0.9=2.544kg，折合为12.719卷，采用13卷

　　每个辅助掏槽眼装药量=0.91×3.313×0.9=2.713kg，折合为13.57卷，采用13.5卷；

　　每个辅助眼装药量=0.91×3.0×0.9=2.439kg，折合为12.195卷，采用12卷；

　　每个周边眼装药量=0.91×3.0×0.165=0.447kg，折合为2.236卷，采用2卷；

　　每个底眼装药量=0.91×3.2×0.9=2.621 kg，折合为13.1卷，采用13卷；
（7）装药结构和起爆方式
光面爆破采用不耦合装药，软岩一般不耦合系数为2.0～2.5，炮眼装药按装药集中度计算出的药量均匀装入炮眼内。为克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半个标准药卷，使光爆层易于脱离岩体。施工中采用如下图装药结构：①1/2普通标准药卷（φ32）起爆；②普通标准药卷沿长度方向对半切（相当于φ20小药卷）不耦合间隔装药。

图2 周边眼装药结构示意图
（8）光面爆破的分区起爆顺序为：掏槽眼——辅助眼——底板眼——周边眼。采用多段微差起爆（由内向外），其中主爆区的周边眼比辅助眼眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆区使用非电毫秒雷管，周边眼用导爆索一次同时起爆。
2、装药量分布及光面爆破参数表（见下表）
顺序
炮眼名称
毫秒雷管段位
炮眼/药卷
直径（mm）
炮眼个数
（个）
炮眼深度（m）
炮眼间距
（cm）
单眼装药
（kg/孔）
累计装药量（kg）
1
掏槽眼
1
42/32
6
3.106
80×240
2.6
15.6
2
辅助掏槽眼
3
42/32
8
3.313
120×280
2.7
21.6
3
辅助眼
3
42/32
7
3.0
80
2.4
16.8
4
辅助眼
5
42/32
13
3.0
80
2.4
31.2
5
辅助眼
7
42/32
16
3.0
80
2.4
38.4
6
辅助眼
9
42/32
20
3.0
80
2.4
48
7
辅助眼
11
42/32
23
3.0
80
2.4
55.2
8
底板眼
17
42/32
14
3.2
68
2.6
36.4
9
辅助眼
13
42/32
32
3.0
70
2.4
76.8
10
周边眼
15
42/20
53
3.002
45
0.4
21.2
合计

192

361.2
全断面开挖断面面积：83.1平方米，掘进长度按3.0m考虑。
炸药单耗量：k=1.47kg/立方米。
复式楔形掏槽：槽口尺寸80cm×240cm和120cm×280cm。
周边眼直径：φ42mm，使用φ32mm药卷切半（相当于小直径药卷φ20mm），装药不耦合系数λ=2.1。
周边眼间距E=45cm，最小抵抗线V=40～60cm，E/V=0.5～0.8，单孔装药量q=0.4kg。

光面爆破参数 表2
名称
炮眼间距E（cm）
最小抵抗线V（cm）
相对距系数E/V
装药集中度g（kg/m）
不耦合系数D
一般参考值
30～50
40～60
0.5～0.8
0.07～0.15
2.0～2.5
花石沟隧道取值
45
60
0.75
0.15
2.1
五、施工方法及工艺
一、钻爆机具材料
钻孔采用13台YT—28型凿岩机和3台20m³空压机，人工钻孔，钻孔直径为42mm，一字形合金钢钻头。采用Φ32mm×220mm 2号岩石乳化炸药。双电雷管引爆连接各孔的跳段导爆管，炮眼内的起爆传爆，掏槽眼采用跳段雷管以利用扩大掏槽效果。
二、光面爆破施工工艺
1、放样布眼
钻眼前，测量人员用经纬仪和水准仪，准确定出隧道中心线和拱顶面高程；用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不得超过5cm；每次测量放线的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳爆破效果。
2、钻眼要求
掏槽眼：深度、角度按设计施工，眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm。
辅助眼：深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不大于10cm。
周边眼：开眼位置在设计断面轮廓线上允许沿轮廓线调整其误差不得大于5cm；炮眼方向能够3%～5%的斜率外插，眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。内圈眼至周边眼的排距；误差不得大于5cm；内圈眼与周边眼应采用相同的斜率。钻眼装药率调整，当开挖面凹凸较大时，应按实际情况调整炮眼深度（相应调整装药量），力求所有炮眼（除掏槽眼外）眼底在同一平面上。钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，有不符合要求的炮眼重钻，经检查合格后，方可装药爆破
3、炮眼布置要求
①先布置掏槽眼，其方向在岩层层理明显时应尽量垂直于层理，掏槽眼应比其它眼加深20cm。
②周边眼严格按设计开挖轮廓线布置，在硬岩层中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线上，眼底超出轮廓线小于10cm；在软岩中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线内小于8cm，眼底落在轮廓线上。
③辅助眼根据上稀下密，中部均匀分布的原则布置。
4、孔口堵塞长度L0
L0=（0.2～0.5）V
一般堵塞长度浅眼不超过20cm，深眼不超过30cm。堵塞采用用水浸湿的炸药包装箱纸团，能很好的封闭钻眼。
5、清孔装药
装药前用小直径高压风管将炮眼内石屑吹净，装药需分片，分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行，雷管要“对号入座”不得混装。所有炮孔均用炮泥堵塞，堵塞长度周边眼不小于20cm，其它眼不小于30cm。周边眼采用小药卷配导爆索，以增加不耦合系数和爆破时的缓冲作用，炮孔装药均采用反向装药结构。
6、连接起爆网络
起爆网络采用复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性。导爆管采用四通管连接，不能打结和拉伸，各类炮眼雷管连接段数相同。引爆雷管应用绝缘胶布包扎在离一根导爆管自由端15cm处，聚能穴背向传爆方向，网络连好后要有专人负责检查后再起爆。由于毫秒雷管1段、2段、3段、4段…间，延期秒差小于50ms，因此除掏槽眼外一般必须跳段使用，各孔段位布置为：掏槽眼1段，辅助掏槽眼3段，辅助眼由内向外依次为5、7、9、11、13段，周边眼为15段，底板眼为17段。
7、光面爆破施工技术措施
（1）对所有爆破作业人员进行岗前培训，使她们充分了解光面爆破的重要性及一些有效可行的施工方法，以提高操作熟悉程度。
（2）选用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威力大的2号岩石乳化梯炸药。
（3）用不耦合装药结构，光面爆破不耦合系数为2.0～2.5，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定传爆。
（4）严格掌握与周边眼相邻的内圈眼的爆破效果，为周边眼爆破创造临空面。炮眼深度大于2.5m时，内圈眼应与周边眼有相同的外插角，周边眼应尽量同时起爆。
（5）控制装药集中度，必要时采取间隔装药结构，为克服眼底岩石的夹制作用，可在眼底加强装药。
（6）当岩石层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面，如节理发育，炮眼应尽量避开节理，以防卡钻和影响爆破效果。