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硬质围岩隧道光面爆破施工技术

摘 要：通过张唐铁路丰宁隧道钻爆法开挖施工经验，总结和阐述了硬质围岩隧道光面爆破的参数设计、施工方法及工艺。
关键词：硬质围岩 隧道 光面爆破
1 引言
钻爆法目前是我国隧道施工中的重要开挖方法，与机械开挖相比，实用地质条件广、费用低、设备简朴，但对围岩的扰动大、开挖面成形质量差，重要表现在超欠挖上。严重的超欠挖会导致资源浪费、增大施工难度和影响施工质量，重要表现在：弃渣量增长，需多装多运；超挖空间回填，增长混凝土材料的消耗；欠挖清除，导致人工、器材的超额消耗；超欠挖形成的凸凹不平，对喷射混凝土、挂防水板导致困难；超欠挖导致开挖轮廓与设计相差很大时，围岩应力重分布也会相差很大，使支护受力状态与设计不符；超欠挖形成的凸凹处，在高地应力的作用下，岩石会被弹出或挤碎，导致危险。因此在硬质围岩隧道钻爆开挖过程中应采用光面爆破，光面爆破完全可以避免由于超欠挖而引起的各种缺陷，其优点表现在：隧道围岩不产生或很少产生炮震裂缝，保持了围岩完整性，从而增大了围岩自身的承载能力，为锚喷支护发明了有利条件，光面爆破技术和锚喷技术相结合，进一步增强了锚喷支护的作用；在裂隙发育的地层中，避免裂隙扩大和产生新的裂缝，提高了围岩的稳定性，能基本清除落石伤人事故，为快速施工提供了有利条件；隧道成型规整，极大地减少了出碴工作量，加快了掘进速度，节省了衬砌材料，提高了施工进度。下面结合张唐铁路丰宁隧道的钻爆开挖过程，总结硬质围岩隧道光面爆破参数的设计及施工工艺。
2 工程概述
新建张家口至唐山铁路丰宁隧道位于河北省承德市丰宁县境内，隧道进口位于丰宁县南二营村，里程为DK190+364；出口位于丰宁县四道河村，里程为DK196+761，隧道全长为6397米，隧道最大埋设409.6m。本隧道为单洞双线隧道，直线段标准线间距为4.0m，进出口段均位于曲线上，其余地段为直线。道床采用双块式无碴轨道。
本隧道地处在燕山山脉中部，围岩以二长花岗岩为主。其中Ⅱ级围岩为二长花岗岩、弱风化、岩体完整、呈巨块状整体结构，长度4063延米；Ⅲ级围岩为二长花岗岩、弱风化、节理较发育、岩体较完整、块状结构，长度1876延米；Ⅳ级围岩为二长花岗岩、弱风化、节理裂隙发育、岩体较破碎、碎石状结构，长度338延米；Ⅴ级围岩为二长花岗岩、强风化、节理裂隙发育、岩体破碎、散体状结构，长度120延米。Ⅱ级围岩采用全断面法开挖施工，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖施工。
3 总体施工方法
丰宁隧道开挖采用钻爆法，出渣采用无轨运送，由于本隧道无斜井，单口掘进3.2公里，工期紧张，因此采用光面爆破提高开挖进度尤为重要，总体的施工方法如下：
3.1采用风动凿岩机钻孔，钻孔时按照炮孔布置图对的对孔，钻孔严格按照设计施工炮孔方向钻进，把误差减到最小，以保证爆破质量。掏槽孔要保证平行，周边孔开眼要在轮廓线内5cm，外插脚1°～2°；周边孔对孔误差环向不大于5cm，径向不大于3cm；掏槽孔不大于3cm，其它孔开眼误差不大于5cm。
3.2钻孔结束后将炮孔吹洗干净，经检查后方可装药。装药分片分组负责，严格按照爆破设计规定的装药量、雷管段号“对号入座”；爆破网路连接、检查及起爆，按照爆破设计规定和《爆破安全规程》执行。
3.3堵塞炮孔可以提高炸药能量的运用率，从而减少炸药用量，减少爆破震动效应。装药后用炮泥进行认真堵塞，掏槽孔要把不装药部分堵满，周边孔堵塞长度不小于30cm，其余炮孔堵塞长度不小于最小抵抗线的80%，以保证爆破效果和安全。炸药采用2#岩石硝铵炸药与乳化炸药，使用导爆索和非电毫秒微差雷管延期爆破。
4 光面爆破重要参数的拟定
开挖掘进采用光面爆破，减少超挖，避免欠挖和减弱对围岩扰动，提高开挖质量，保证施工安全。工程地质状况对光面爆破的效果影响极大，在施工过程中，认真研究工程地质情况，合理拟定出爆破参数，并根据实际情况，不断合理优化。
4.1光面爆破参数设计
根据设计文献和隧道围岩级别,选择不同的开挖方法:Ⅲ级围岩采用台阶法。上台阶开挖断面为56.94平方米，下台阶开挖断面为50.97平方米，采用2号岩石硝铵炸药，药卷直径32mm，长度200mm，每卷药卷重量为0.15Kg，局部有水情况采用等量的乳化炸药代替，采用7个段位非电毫秒微差雷管。周边眼装药采用径向不偶合间隔装药结构，不偶合系数为1.5～2.0，其他炮眼采用连续柱状装药，主爆区使用非电毫秒雷管，周边眼用导爆索一次同时起爆。
严格控制周边眼的装药量，采用合理的装药结构，尽也许的使药沿炮眼长均匀的分布，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W、炮眼密集系数K、装药密度q是互相制约的。
①周边孔间距E 。周边眼通常布置在距开挖断面边沿0.1m至0.2m处,光爆孔的孔底朝隧道开挖轮廓线方向倾斜3～5°。当爆孔孔径D为40mm时，周边孔间距E =（10～16）D，丰宁隧道Ⅲ级围岩周边眼的间距为0.45m。
②光爆层厚度W 。光爆层厚度就是周边眼最小抵抗线，它与开挖的隧道断面大小有关。断面大，光爆眼所受到的夹制作用小，岩石比较容易崩落，可以大些；断面小，光爆眼受到的夹制力大，光爆层厚度相对要小些。同时，光爆层厚度与岩石的性质和地质构造有关，坚硬岩石光爆层可小些，松软破碎的岩石光爆层可大些。丰宁隧道光爆层厚度W=0.4m～0.6m，Ⅲ级围岩W取45cm。 
③密集系数K 。周边眼密度系数是周边眼间距E与光爆层厚度W的比值，是影响爆破效果的重要因素。 
　　K=E/W（K取值1）
上台阶
④炮眼数量：
N1＝qs/αγ=(1.1×56.94)/(0.8×0.78)=100个
其中：q—单位耗药量，取1.1kg/m3
s—开挖面积m2
α—装药系数，取0.8
γ—炸药每米质量，采用φ32mm药卷单位质量为0.78kg/m
因隧道开挖采用光面爆破，周边眼数量要比一般爆破多，增长系数一般取1.10～1.20，现场取1.15，因而炮眼数量为：
N＝N1×1.15＝115个
⑤各种炮眼深度计算
掏槽炮眼深度为：
L=l／η＋0.2=3.0/0.86＋0.2=3.7m
其中：L—炮眼深度
l—每循环计划进尺数
η—炮眼运用率，一般不低于0.85
炮眼长度为3.7m。
周边眼深度计算：
L=l／η＝3.0/0.86＝3.5m
炮眼深度取3.5m。
⑥每一循环装药量Q及炮眼装药量的计算
为了保证光面爆破的效果，掏槽眼的装药系数根据经验取0.7～0.9，现场取0.8。掏槽眼每眼装药量为：
q1=3.7×0.8×0.78＝2.31kg
掏槽眼总装药量为：
Q1=2.31×8=18.48kg
辅助眼、底板眼的装药经验系数为0.65～0.85，现场取0.75
辅助眼、底板眼每眼装药量：
q2=3.5×0.75×0.78＝2.04kg
辅助眼装药总量：
Q2=2.04×51=104.4kg
底板眼装药总量:
Q3=2.04×15=30.6kg
周边眼取装药量集中度为：0.32
周边眼每眼装药量：
q4=3.5×0.32=1.12kg
周边眼装药总量：
Q4=1.12×41=45.92kg
总装药量：
Q=Q1＋Q2＋Q3＋Q4＝18.48+104.4+30.6+45.92=199.4kg
下台阶
①炮眼数量：
N1＝qs/αγ=(1.1×50.97)/(0.8×0.78)=90个
其中：q—单位耗药量，取1.1kg/m3
s—开挖面积m2
α—装药系数，取0.8
γ—炸药每米质量，采用φ32mm药卷单位质量为0.78kg/m
因隧道开挖采用光面爆破，周边眼数量要比一般爆破多，增长系数一般取1.10～1.20，现场取1.15，因而炮眼数量为：
N＝N1×1.15＝103个
②各种炮眼深度计算
炮眼深度计算：
L=l／η＝3.0/0.86＝3.5m
炮眼深度取3.5m。
③每一循环装药量Q及炮眼装药量的计算
辅助眼、底板眼的装药经验系数为0.65～0.85，现场取0.75
辅助眼、底板眼每眼装药量：
q1=3.5×0.75×0.78＝2.04kg
辅助眼装药总量：
Q1=2.04×59=120.36kg
底板眼装药总量:
Q2=2.04×28=57.12kg
周边眼取装药量集中度为：0.32
周边眼每眼装药量：
q3=3.5×0.32=1.12kg
周边眼装药总量：
Q3=1.12×16=17.92kg
总装药量：
Q=Q1＋Q2＋Q3＝120.36+57.1+17.92=195.4kg
Ⅲ级围岩台阶法施工炮眼布置示意图

本图单位为厘米

掏槽眼布置图（本图单位为厘米）
根据以上爆破参数，丰宁隧道台阶法施工光面爆破取得较好的爆破效果，具体参数总结如下：
Ⅲ级围岩上台阶光面爆破炮眼药量分派表
序号
炮眼分类
炮眼数(个)
雷管段数(段)
炮眼深度(cm)
炮眼装药量
每孔药卷数(卷/孔)
单孔装药量(Kg/孔)
合计药量(Kg)
1
掏槽眼
8
1
370
15.4
2.31
18.48
2
辅助眼
51
3～9
350
13.6
2.04
104.4
3
周边眼
41
11
350
7.5
1.12
45.92
4
底板眼
15
13
350
13.6
2.04
30.6
5
合计
115

199.4
Ⅲ级围岩上台阶光面爆破重要经济技术指标
序号
项      目
单   位
数   量
1
开挖断面积
m2
56.94
2
预计每循环进尺
m
3.0
3
每循环爆破石方
m3
170.82
4
炮眼总数
个
115
5
钻孔总数
m
426.3
6
雷管用量
发
135
7
炸药用量
Kg
199.4
8
比钻眼数
个/m2
2.0
9
比钻眼量
m/m3
2.50
10
比装药量
Kg/m3
1.17
11
单位体积岩体耗雷管量
发/m3
0.79
12
预计炮眼运用率
%
96%

Ⅲ级围岩下台阶光面爆破炮眼药量分派表
序号
炮眼分类
炮眼数(个)
雷管段数(段)
炮眼深度(cm)
炮眼装药量
每孔药卷数(卷/孔)
单孔装药量(Kg/孔)
合计药量(Kg)
1
辅助眼
59
3～9
350
13.6
2.04
120.36
2
周边眼
16
11
350
7.5
1.12
17.92
3
底板眼
28
13
350
13.6
2.04
57.12
4
合计
105

195.4
Ⅲ级围岩下台阶光面爆破重要经济技术指标
序号
项      目
单   位
数   量
1
开挖断面积
m2
50.97
2
预计每循环进尺
m
3.0
3
每循环爆破石方
m3
152.91
4
炮眼总数
个
103
5
钻孔总数
m
360.5
6
雷管用量
发
123
7
炸药用量
Kg
195.4
8
比钻眼数
个/m2
2.06
9
比钻眼量
m/m3
2.36
10
比装药量
Kg/m3
1.28
11
单位体积岩体耗雷管量
发/m3
0.80
12
预计炮眼运用率
%
96%
5 钻爆作业光面爆破施工工艺及效果评估
5.1施工工艺要点
5.1.1钻孔作业
a 测量布孔：钻孔作业前，测量人员用全站仪准拟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。孔位布好后根据钻孔设备拟定台车臂作业区域，划定每台风枪作业区域，规定作业时间，规定周边眼、底眼、掏槽眼开孔偏角及插入角，钻孔时严格按规定作业，力求钻孔方向、位置满足设计规定，准确控制周边眼外插角。
b定位开眼：风枪钻杆与隧道轴线保持平行，按钻眼布置图对的钻眼，对于掏槽眼和周边眼的钻眼精度规定比其它眼要准确。开眼误差要控制在3～5cm以内；掏槽眼比设计进尺加深10～20cm。由有较丰富经验的老钻工司钻，尽也许使两炮交界处台阶小于10cm。同时，根据眼口处岩石的凹凸限度调整炮眼深度，以保证炮眼底在同一平面上。
c钻孔标准：达成准、平、直、齐。
①、准：钻孔按设计布眼钻孔，当受节理、裂隙影响时稍稍移动孔位，周边眼轮廓的放线误差控制在±1cm。
②、直：边墙直线段炮眼先钻上方标准孔，插上炮杆，使边墙孔在同一条垂线上。
③、平：周边炮眼要互相平行。
④、齐：各炮眼底落在垂直隧道轴线的同一平面上，掏槽眼加深10～20cm，钻孔深度根据掌子面的起伏“凸”加，“凹”减。
5.1.2装药作业
a 清孔：装药前，用钢筋弯制的炮钩将炮眼中石屑钩出，再用小直径高压风管输入高压风将炮眼中石屑吹净，并仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计规定。
b 装药：各种炮眼的起爆顺序为：掏槽眼—辅助眼—周边眼—底板眼。因此装药前核对雷管段数，使之与设计相符，同时按钻爆设计的装药结构及药卷规格药量装药。装药时，药装到孔底，起爆药包用炮棍缓慢送入，防止拉雷管或破损导爆管。
c 装药检查：装药时，将雷管段数标于孔外导爆管上，由检查人员对雷管段数进行复核，保证准确无误，同时核对药卷规格及装药长度，使每孔装药符合设计规定，检查后做好记录。
d 堵塞：所有炮眼装药后，用炮泥进行堵塞，其长度不小于30cm。炮泥用机械加工，用炮棍顶进，堵塞做到封孔严密。
5.1.3爆破作业
a 连结网络：在所有非必须的机具、设备撤离爆破面之后，开始连结网路。连结时尽也许靠近眼孔，孔外网路尽量短，使连结整齐，便于直观检查网路。连结系统尽量短，但不拉细、打结，避免导爆管、连结块受损坏等。
b 网路连结好后，认真检查连结是否对的，保证每个眼孔的起爆药卷都涉及进去，每个簇联或连结块内都有引爆雷管。
c 爆破及瞎炮解决：网络连结检查合格后，撤离受爆破影响范围内所有设备和非爆破作业人员，设好防护哨、发出起爆信号后进行爆破。
d 爆破完毕后检查人员带防毒器材进入检查。发现瞎炮时，先查明因素，因孔外导爆管损坏引起的瞎炮，切去损坏部分，重新连接导爆管，再行起爆。此时，接头尽量靠近孔眼位置。因孔内导爆管损坏或是导爆管自身问题引起的瞎炮解决办法按照国家标准《爆破安全规定》中有关规定进行。
5.1.4钻爆效果检查
每次掘进爆破通风排烟后，值班技术和质检员即进入对钻爆效果进行检查记录。检查记录光爆效果，炮孔运用率，平均掘进长度，碴体的破碎限度，抛掷距离，围岩的损坏限度等，作为不断优化钻爆设计的依据。

光爆施工工艺流程如下图所示：
合格

合格

测量画线
钻爆设计

钻孔台车(台架)就位

连接管线

钻孔施工

装药联线堵塞

爆破

记录孔位、孔深、孔径

清 孔

检查

不合格

检查

合格

检查

不合格

不合格

5.2控制超欠挖措施
5.2.1根据不同地段情况，选择合理的钻爆参数：采用一炮一分析制度，每次钻爆循环后，根据爆破震动速度，炮痕保存率、装药量、残眼深度及数量、抛渣距离、堆渣高度、岩渣块度等多方面的测量和数据对比分析，选择合理的钻爆参数，不断优化钻爆设计。
5.2.2控制打眼精度：在台车就位前用全站仪在隧道底测出与隧道中线平行的台车轴线位置，将台车按测设位置准拟定位，开孔位置不能超过±2cm，炮眼轴线以激光指向导向，钻周边眼时插上炮杆,使侧墙孔在一条垂线上。施工时使用合格的司钻人员来领钻，严禁司钻用目测量。钻孔时，专人校核，测量工程师跟踪服务。
5.2.3提高装药质量和炮眼口堵塞质量：在装药前，事先用竹片，导爆管和雷管按设计装药量和间隔距离绑扎成药串，各段钻孔装药量严格控制，不能超装，雷管不能混装和错装。
5.2.4炮眼装药后，认真堵塞炮泥，边堵边用炮棍捣实。
5.2.5加强地质预报工作：配备一名有专业专长的地质工程师进行掌子面地质描述，对岩性、地层结构、裂隙节理发育情况及水文地质情况作出描述，并配合有关设备或仪器作出开挖前方的地质预报，协助爆破人员进行修正和改善装药参数，达成提高爆破效果，控制超欠挖的目的。
5.2.6坚持断面检测及信息反馈：开挖放炮后，及时了解断面超欠挖情况、爆破效果等，以便制定下一个循环的改善措施。用激光断面仪检测爆破断面的误差限度，将其测得的断面与设计开挖断面进行比较，得到这个循环的最大超挖、最大欠挖、平均线性超挖等数据，并准确标出超欠挖部位的位置，提醒司钻人员纠正偏差，根据信息反馈及时调整钻爆参数，优化钻爆设计。
5.3光面爆破效果评估及经济效益
5.3.1光爆效果评估
隧道爆破后对爆破效果进行检测评价，一方面运用天宝激光断面仪对爆破开挖后的断面进行扫描收集超欠挖数据，对照设计轮廓线进行电脑制图分析，另一方面爆破后专人进行隧道围岩稳定情况检查及炮眼眼痕保存率进行记录，拟定是否达成光爆效果，如光爆效果不好及时分析因素，调整爆破参数，提高光爆质量。
通过施工中严格控制，丰宁隧道光爆质量取得较好效果，现就丰宁隧道DK190+630～DK190+730段，100米范围内33个钻爆循环的光面爆破效果重要指标进行收集，整理记录如下表：
丰宁隧道DK190+630～DK190+730段光爆效果检查登记表
序号
检查项目
技术标准
检查次数
合格次数
合格率
1
周边轮廓线
符合设计
33
33
100%
2
炮眼残留率
大于80%
33
29
88%
3
岩面平均线性超挖
小于10cm
33
38
85%
4
炮震裂隙
无
33
33
100%
5
两炮间台阶
小于15cm
33
30
91%
从上表可知该段光爆效果较好的达成光爆质量规定。
5.3.2经济效益
a控制超挖减少衬砌回填
控制超挖减少衬砌回填量是提高经济效益的最直接途径，我们按照丰宁隧道Ⅲ级围岩平均超挖5cm、10cm为例计算，平均超挖5cm增长费用为:开挖145元/m、衬砌715元/m；平均超挖10cm增长费用为:开挖290元/m、衬砌1430元/m。因此采用光面爆破是控制超挖回填的最有效办法。
b加快施工进度，提高经济效益
硬质围岩采用光面爆破施工虽然钻眼及装药时间延长30分钟，但清理危石或补炮时间缩短40分钟、初期支护缩短20分钟、装渣及出渣缩短20分钟，综合计算如丰宁隧道6km所有采用光面爆破，将节省2个月的工期，即减少了各级管理费用的开支，又提高社会效益和经济效益。
6 结束语
实践证明，丰宁隧道Ⅲ级围岩采用光面爆破施工，有效的控制开挖断面，提高了开挖质量，使围岩最大限度的少受损伤，控制了超欠挖，减少喷锚支护工程量，减少工程造价，同时提高了隧道的施工进度。本文仅以丰宁隧道Ⅲ级围岩为例，在实际施工中应根据围岩地质情况的变化或开挖深度的不同，调整相应的装药量，不断总结经验，以达成用较少的成本和用较短的时间，获得最佳光面爆破效果和抱负的进尺。

参考文献：
【1】王玉杰 爆破工程，武汉理工大学出版社 2023年07月
【2】铁路隧道工程施工技术指南 TZ204-2023 铁道部经济规划研究院长 208
【3】关宝树 隧道工程施工要点集 北京：人民交通出版社，2023.1