砂質板巖光面爆破設計

黃振華

摘 要：本文系統介紹了針對難以控制的砂質板巖隧道光面爆破的設計，重點講述影響砂質板巖隧道光面爆破效果的因素并提出解決辦法。

關鍵詞：砂質板巖隧道；光面爆破設計；控制

1 工程概況

懷通高速公路銀匠界隧道所處地層為砂質板巖，中厚層狀，隧道左線起訖樁號為ZK48+390～ZK50+065，全長1675m，隧道右線起訖樁號為YK48+380～YK50+035，全長1655m。針對懷通高速公路銀匠界隧道穿越砂質板巖地層的實際工程地質情況，重點講述III、IV級圍巖條件下砂質板巖隧道光面鉆爆設計工作，重點依托施工現場開展工作，在此基礎上采集數據、優化分析，最后總結砂質板巖隧道光面爆破最合理設計參數。

2 鑿巖機的選擇及參數

根據砂質板巖的物理力學特性，選擇目前在隧道掘進中使用較普遍的YT28氣腿式鑿巖機。YT28氣腿式鑿巖機的使用范圍較廣，最適用于中硬或堅硬（f=8～18）巖石上鉆鑿水平或傾斜炮孔，也可垂直向上鉆鑿頂板上的錨桿孔。炮孔直徑一般為34～42mm，有效經濟的鉆孔深度可達5m。該機既可以根據開挖斷面大小與FT160BD型短氣腿、FT160BC型長氣腿或FT160S型雙級氣腿配套使用，也可裝在鉆車或鉆架上工作。

3 光爆參數選取

3.1 鉆爆設計方案

3.1.1 光面爆破作用機理。炸藥爆破時產生的沖擊波和高溫高壓氣體均作用在眼壁上，炮眼周圍的巖石受到強烈的壓縮而破碎，與此同時形成的壓縮應力波向四面八方傳播。

為使粉碎圈的范圍最小和圍巖內盡量不產生裂縫和破壞，并保持原有的穩定性，我們除采用弱裝藥結構外，選擇了合理的周邊眼密集系數m（即周邊眼間隔E和最小抵抗線W之比）。其理由如下：

當m=1或接近1時，即E=W或接近時，若兩個炮眼同時起爆，則壓縮波到達自由面之前在abc之間相遇。由于該點c與ab點的距離小于最小抵抗線W，拉應力可使ab之間巖石產生裂縫。如果兩個炮眼不同時起爆，壓縮波到達自由面的同時也到達另一炮眼的位置，該點c起自由面的作用，也能使ab之間巖石產生裂縫。因此，這兩種情況都能取得光面爆破的效果。

圖1 E=W時的爆破情況

3.1.2 光面爆破的主要參數。普通光面爆破就是將周邊眼范圍內的巖石爆下來，形成規整的輪廓并盡可能的保留半邊眼痕跡和減小對圍巖的擾動。若要“爆下來”主要與裝藥集中度（q）和最小抵抗線（w）有關；“成型規整”主要與炮眼間距（E）、炮眼密集系數（m=E/W）和最小抵抗線有關；“保留半邊眼痕跡和減小圍巖擾動”主要與不耦合系數（D=d炮眼/d炸藥）有關。因此，影響光面爆破效果的主要參數應是：炮眼間距（E）、周邊眼密集系數（m）、最小抵抗線（W）、不耦合系數（D）和裝藥集中度（q）。而它們之間或它們與其它參數之間是相互聯系的。實踐證明，從對光面爆破的效果來說，這些參數是共同起作用的。也就是說，只有這些參數都在某一正確的范圍時，爆破效果才最理想。而各參數中則以裝藥量為最重要。也就是光面爆破的周邊眼裝藥集中度（q）是最重要的參數。

3.1.3 光面爆破參數的選擇。爆破參數的選擇一般有兩條途徑：一是工程類比直接選取，二是通過半經驗半試驗法選取。工程類比法，就是參照類似工程的經驗數據，根據其工程的具體條件，確定有關參數的方法。半經驗半實驗法，就是在現場試驗中發現，根據爆破漏斗理論，通過在現場進行有限次數的單孔及三孔爆破漏斗試驗確定光面爆破參數。

3.1.4 掏槽形式的選擇。隧道爆破常采用的掏槽形式主要有兩種：直眼掏槽和斜眼掏槽。

根據銀匠界隧道斷面及施工特點，選用自制簡易鉆孔臺車及手工風槍作為鉆眼設備。通過對直眼掏槽與斜眼掏槽的比較，確認斜眼掏槽更適合本隧道施工。斜眼掏槽主要有三級復式鍥形掏槽與二級復式鍥形掏槽兩種，本隧道施工采用三級復式鍥形掏槽。

3.2 炮眼布置及藥量分配

3.2.1 炮眼的布置。（1）掏槽眼的布置：為便于石碴裝運，爆后找頂等作業，要求碴堆集中一些，堆得高些，掏槽區布置在斷面的中下方。由于自制簡易鉆孔臺車的中間預留空間較大，為與鉆孔臺架相配套，我們根據斷面及鉆孔臺車的特征，在普通的三級復式鍥形掏槽的基礎上進行了相應的調整，以解決因隧道斷面較大及斜眼掏槽巖碴拋擲較遠的缺點。（2）周邊眼的布置：周邊眼間距的大小應根據具體的巖性和巖層產狀來決定。為保證光面爆破的質量，在硬巖中周邊炮孔的間距要適當縮小。（3）輔助眼的布置：輔助眼一般均勻布置，可采用線形布置或環形布置。本隧道采用大孔距小抵抗線的線形與環形相結合的方式，炮眼間距為抵抗線的1.5～2倍。輔助眼中包含的擴槽眼、內圈眼、二臺眼、底板眼的布置：擴槽眼、內圈眼、二臺眼、底板眼的布置均應比掏槽眼、周邊眼稀一些，而與掘進眼相比，應適當地加密。

3.2.2 爆破器材的選用及藥量的分配。（1）爆破器材選用。本隧道鉆爆開挖采用小直徑（Φ=42mm）炮眼，根據本隧道有少量裂隙水的特點，選用巖石膨化硝胺炸藥（Φ32mm-150g）和2#巖石乳化炸藥（Φ32mm-200g），塑料導爆管非電起爆，毫秒微差有序起爆，并在周邊眼采用導爆索傳爆，以加強傳爆能力，確保周邊眼的穩定起爆。（2）藥量的分配。隧道爆破，不同部位的炮眼所起的作用是不同的，因而各部位炮眼的裝藥量也不相同。周邊眼的裝藥量，其裝藥集中度為200～300g/m，在此基礎上根據跑孔位置所處巖層的產狀、巖性和巖體的完整程度進行適當地調整。掏槽眼的裝藥，其裝藥長度約為炮眼深度的90～95%。

3.2.3 裝藥結構。周邊眼裝藥結構主要有三種形式：采用雙導爆索；采用竹片、導爆索、藥卷間隔綁扎裝藥結構，底部藥量適當加強；采用專用小直徑光爆炸藥的連續裝藥結構。本隧道周邊眼采用第二種裝藥結構，即將藥卷間隔綁扎在竹片上，通過導爆索來傳爆，其它炮眼裝藥均采用連續裝藥，炮眼裝藥后的堵塞長度通常為最小抵抗線的1.0～1.2倍。

起爆雷管同導爆索在炮孔內相連結。用于光面爆破的雷管段數應大于相鄰掘進炮孔雷管數段數2段以上，以確保光面層最小抵抗線方向臨空面的形成，減少光面爆破阻力，提高光面爆破效果。

結合銀匠界隧道的地質條件、開挖斷面等方面因素，對Ⅲ級圍巖光面爆破進行了合理的設計。（1）Ⅲ級圍巖掘進：Ⅲ級圍巖采用全斷面光面爆破法掘進。堅硬巖石施工采取加強掏槽爆破，嚴格控制周邊光爆孔，確保無超欠挖。Ⅲ級圍巖全斷面開挖炮眼布置見圖3，炮孔直徑42mm，起爆方式為孔內微差起爆，圖中數字為孔內毫秒雷管段別。（2）IV級圍巖掘進：IV級圍巖采用上下臺階法掘進。上臺階爆破時可采用光面爆破。IV級圍巖上臺階開挖炮眼布置，炮孔直徑42mm，起爆方式為孔內微差起爆。

4 結語

銀匠界隧道在實際爆破過程中，采用了動態設計，根據現場圍巖情況及時適當調整爆破設計參數。其單循環進尺基本能達到2.8m～3.5m，大部分爆堆位于掌子面附近，巖塊的水平拋擲距離較小。開挖界面比較平整、光滑，開挖誤差較小。