光面爆破技術(shù)探討與實(shí)踐

徐少東 XU Shao-dong

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)在建的特長(zhǎng)和長(zhǎng)大隧道的建設(shè)規(guī)模與數(shù)量呈不斷上升的趨勢(shì)[1]。但多數(shù)隧道仍采用傳統(tǒng)的鉆爆法進(jìn)行施工，使得設(shè)計(jì)輪廓線成型不甚理想。為此，楊玉銀[2]提出微量裝藥光面爆破技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)踐取得良好效果；馬芹永[3]探討了合理的不耦合裝藥條件下周邊炮眼間距和光面層厚度的計(jì)算；陸鵬舉[4]對(duì)軟墊層裝藥爆破進(jìn)行了深入的理論分析，確定了墊層裝藥的光爆參數(shù)；戴俊[5]提出軟巖隧道應(yīng)考慮崩落眼爆破對(duì)光爆層的損傷效應(yīng)；鄧師泉[6]應(yīng)用決策理論優(yōu)選出一組合理的爆破參數(shù)（周邊孔間距、光爆層厚度、線裝藥密度），并運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，為控制隧道超欠挖現(xiàn)行研究多集中在爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量的調(diào)整與修正上，而在起爆技術(shù)方面卻鮮有研究。鑒于此，開展隧道光面爆破與優(yōu)化導(dǎo)爆索起爆技術(shù)具有工程意義。

1 工程概況

旗桿山隧道為重慶城口（陜渝界）至開州高速公路A3合同段控制性工程，隧址位于穿越重慶城口縣高燕鄉(xiāng)與蓼子鄉(xiāng)間界山旗桿山，為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道，隧道全長(zhǎng)15296m，其中Ⅲ級(jí)圍分布總長(zhǎng)5810m、Ⅳ級(jí)圍巖分布總長(zhǎng)5085m、Ⅴ級(jí)圍巖分布總長(zhǎng)4402m。

隧道最大埋深1400m；開挖高度9.1 m，寬度11.1m；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究在YK51+875-YK51+825 區(qū)段內(nèi)進(jìn)行，圍巖屬Ⅲ級(jí)；巖性主要為灰?guī)r，全-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育；由于設(shè)計(jì)和施工中存在較多問(wèn)題，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢。

2 存在的問(wèn)題

①未采用光面爆破技術(shù)，周邊孔采用導(dǎo)爆管雷管起爆，其本身就存在±50ms 的間隔，不能保證周邊炮孔同時(shí)起爆，爆破效果較差且較為浪費(fèi)雷管。

②周邊孔與內(nèi)圈孔采用跨段雷管，內(nèi)圈孔起爆雷管為13 段，周邊孔起爆雷管為15 段，起爆隔時(shí)間相差約200ms。

③周邊孔孔距布置不均勻，孔距為50～80cm；光爆層厚度80cm；周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)不合理；爆破后孔痕率不足10%，輪廓面成鋸齒狀，造成較大的超欠挖。

3 周邊孔爆破參數(shù)優(yōu)化與施工工藝

3.1 周邊孔爆破參數(shù)研究

①炮孔直徑。隧道內(nèi)采用的鉆孔設(shè)備為YT-28 型手持式風(fēng)鉆，故炮孔直徑為40mm。

②炮孔深度。炮孔深度為2.5m。

③單孔裝藥量。周邊眼的裝藥量按線裝藥密度確定，其計(jì)算公式為：

式中：L—炮孔深度，m；f—線裝藥密度，kg/m。

根據(jù)公式，計(jì)算出單孔裝藥量為400g。

④堵塞長(zhǎng)度。

炮孔堵塞長(zhǎng)度一般根據(jù)炮孔深度確定，深度超過(guò)1m的炮孔，堵塞長(zhǎng)度必須≥0.5m，周邊孔深2.5m，因此，堵塞長(zhǎng)度選擇0.5m。

⑤周邊孔間距。

目前，用于計(jì)算周邊孔間距E 主要使用巖石的斷裂理論式、半經(jīng)驗(yàn)半理論式等。

1）巖石的斷裂理論式[7]：

式中：r—炮孔半徑，mm；f—巖石普氏系數(shù)，堅(jiān)固的砂巖f=6~8，取f=7；K—調(diào)整系數(shù)，k=10~16；圍巖較硬時(shí)，取大值。

炮孔半徑為20mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算

2）半經(jīng)驗(yàn)半理論：

式中：d—炮孔直徑，mm。

炮孔直徑為40mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出周邊孔間距為48～60cm。

對(duì)于節(jié)理較發(fā)育、層理明顯的地下開挖工程，周邊孔間距可適當(dāng)減小。綜合考慮式（2）及式（3），選取45cm 作為合理的周邊孔間距，其符合一般情況下周邊孔取值范圍。

⑥光爆層厚度。

光爆層厚度W 直接影響光面爆破效果，W 間距過(guò)大，光爆層間巖石將得不到適當(dāng)?shù)钠扑?，甚至不能完整的切割下?lái)；反之，圍巖容易受到反向拉伸波的作用，巖體產(chǎn)生大量的微觀裂隙，影響圍巖穩(wěn)定。

光爆層厚度可根據(jù)豪柔公式來(lái)確定：

式中：q——裝藥量，kg；C——爆破系數(shù)；Ib——炮孔長(zhǎng)度，cm；E——周邊孔間距，cm。

根據(jù)當(dāng)前隧道巖性，確定爆破系數(shù)C=0.65、周邊孔裝藥量（0.4kg）、炮孔長(zhǎng)度（2.5m），周邊孔間距（45cm）代入式（4）有：

取W=55cm。

⑦炮孔密集系數(shù)。由前文設(shè)計(jì)可知周邊孔間距45cm，光爆層55cm，因此，炮孔密集系數(shù)為0.82。

3.2 周邊孔施工工藝研究

3.2.1 裝藥結(jié)構(gòu)

嚴(yán)格控制周邊炮孔裝藥量，采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，盡量使炸藥沿孔深均勻分布，是實(shí)現(xiàn)光面爆破的重要條件。為使爆炸能量沿炮孔均勻分布，需將炸藥沿炮孔軸向布設(shè)，即周邊孔采用空氣間隔裝藥。

用導(dǎo)爆索鋪設(shè)整個(gè)炮孔，導(dǎo)爆索送入孔底過(guò)程中應(yīng)避免打結(jié)。另外，導(dǎo)爆索在孔口預(yù)留30cm 左右用于綁接主導(dǎo)爆索。為確保藥卷均勻的放置在炮孔內(nèi)，根據(jù)炮孔深度用標(biāo)有長(zhǎng)度記號(hào)的炮棍將炸藥送入周邊孔相應(yīng)位置，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖（cm）

3.2.2 導(dǎo)爆索連接

周邊孔能同時(shí)起爆是光面爆破的一個(gè)基本要求，故應(yīng)采用導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)路。導(dǎo)爆索起爆采用了“T”型搭接法，如圖2 所示。T 型接法可以不用考慮傳爆方向，便于在主導(dǎo)爆索兩端設(shè)置起爆雷管，增加網(wǎng)路可靠性；杜絕了采用傳統(tǒng)的搭接方式時(shí)，需要考慮主導(dǎo)爆索的傳爆方向以及搭接長(zhǎng)度不小于15cm 的問(wèn)題。

圖2 導(dǎo)爆索“T”搭接法

3.2.3 雷管段別優(yōu)選

內(nèi)圈孔與周邊孔之間延期時(shí)間應(yīng)為50～110ms，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈孔起爆雷管為ms13、周邊孔起爆雷管為ms15，兩者起爆時(shí)間間隔約為220ms，過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間間隔可能導(dǎo)致先起爆的內(nèi)圈孔飛石破環(huán)周邊孔起爆網(wǎng)路，因此，周邊孔起爆雷管的段別應(yīng)比內(nèi)圈孔起爆雷管高一個(gè)段別，即周邊孔起爆雷管為ms14，可滿足延期要求。

若現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有連段雷管，周邊孔與內(nèi)圈孔起爆雷管可設(shè)置成相同段別，但周邊炮孔和內(nèi)圈孔之間需要連接ms3 或ms5 段雷管進(jìn)行孔外延期，以便于將其延期時(shí)間控制在50～110ms。

3.2.4 起爆端設(shè)置

為了減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響，將周邊孔分為左右兩幅，分別用一個(gè)主導(dǎo)爆索起爆。由于周邊孔起爆網(wǎng)路是暴露在孔口位置，特別是導(dǎo)爆索起爆端因下垂離內(nèi)圈孔更近，更容易受到內(nèi)圈炮孔沖出孔口的爆生氣體破壞[8]，從而導(dǎo)致周邊炮孔出現(xiàn)盲炮，因此需要對(duì)導(dǎo)爆索起爆端進(jìn)行專門設(shè)置。

導(dǎo)爆索起爆端設(shè)置在兩個(gè)拱頂內(nèi)圈炮孔中間的位置，使導(dǎo)爆索起爆端盡量遠(yuǎn)離內(nèi)圈孔孔口。導(dǎo)爆索起爆雷管綁接方式如圖3 所示，邊墻的兩個(gè)導(dǎo)爆索起爆端綁接方式與拱頂相似。

圖3 起爆端設(shè)置方式

4 爆破效果

實(shí)驗(yàn)前，旗桿山隧道爆破后輪廓面上上基本無(wú)孔痕，多呈現(xiàn)凹凸不平的形態(tài)。通過(guò)對(duì)原有的爆破技術(shù)和起爆方式進(jìn)行優(yōu)化，可以從輪廓面上很直觀的觀察到孔痕，并且孔痕率在90%以上，達(dá)到文獻(xiàn)[9] 規(guī)定的中硬巖孔痕率需≥60%的標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)驗(yàn)前后爆破效果如圖4 所示。

圖4 光面爆破效果對(duì)比

表1 給出旗桿山隧道實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)后一星期內(nèi)初支混凝土消耗情況，圖5 為實(shí)驗(yàn)前后超挖情況。

表1 光面爆破前后初支混凝土消耗量對(duì)比

由表1 可知，采用光面爆破技術(shù)后，混凝土消耗量平均每循環(huán)減少4.57m3，大大降低了初支混凝土超耗。

由圖5 可知，實(shí)驗(yàn)前最大超挖區(qū)間為31cm~36cm，實(shí)驗(yàn)后最大超挖區(qū)間為17cm~26cm；相比實(shí)驗(yàn)前最大超挖有了較大改善，平均超挖降低了36.86%，從側(cè)面證明了實(shí)施光面爆破是控制超欠挖的一項(xiàng)重要舉措。

圖5 實(shí)驗(yàn)前后超挖情況對(duì)比

5 體會(huì)

在光面爆破施工中，影響爆后效果的并不僅僅有周邊孔參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔密集系數(shù)等，還應(yīng)考慮周邊孔起爆網(wǎng)路的連接以及周邊孔與內(nèi)圈孔之間起爆時(shí)差的影響，盡可能將風(fēng)險(xiǎn)因素降到最低。改進(jìn)后的光面爆破技術(shù)在旗桿山隧道取得良好的效果，并推廣應(yīng)用于城開高速公路各在建隧道。