一種新型隧道下臺階爆破方法及其變形方案

楊志剛（中車建設工程有限公司，北京，100078）

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一種新型隧道下臺階爆破方法及其變形方案

楊志剛
（中車建設工程有限公司，北京，100078）

本文介紹了常規正臺階法開挖的隧道在其下臺階爆破過程中存在的問題。為解決問題，本文提出了一種新型下臺階爆破方法，并對該爆破方法的炮眼布置、裝填炸藥和毫秒延期雷管、起爆等步驟進行具體闡述；接著闡述了在具體實踐施工中提出的兩種變形實施方案，供爆破方案設計人員參考；最后歸納總結了新型爆破方法的優點，梳理了采用該爆破方法需要注意的事項，以期在工程實踐中為爆破作業人員提供指導建議。

正臺階法；豎向炮眼；水壓爆破；微差爆破

引言

臺階法是隧道開挖適用最廣的施工方法，根據上、下臺階開挖的先后順序，臺階法分為正臺階法和反臺階法。反臺階法通常用在圍巖堅硬、整體性較好地暗挖段；正臺階法多適用于雙線隧道Ⅲ、Ⅳ及圍巖和單線隧道Ⅴ級圍巖［1-3］。鉆爆法和機械開挖法是隧道開挖的兩種方法，由于鉆爆法適應性強，開挖成本低，在國內的相當長的一段時間里，鉆爆法仍將是隧道掘進的主要開挖法［4-6］。

1　常規下臺階爆破方法介紹及其存在的弊端

當前，采用正臺階爆破開挖的隧道工程，其上、下臺階炮眼通常是采用人工或小型鑿巖臺車沿上、下臺階掌子面進行布置的；在爆破開挖上臺階時，由于只有一個自由面（上臺階掌子面），故只能在上臺階掌子面布置炮眼；當上臺階往前推進一定距離，開始爆破開挖下臺階，常規的下臺階爆破都是沿下臺階掌子面鉆垂直或傾斜的炮眼，隨后裝藥起爆。如果按常規沿下臺階掌子面布置炮眼，則爆破時一部分能量將用來克服被爆區域內巖石的自重，從而增加炸藥用量；另外對于一些重要的隧道工程，為保證隧道開挖過程中的穩定性，通常在上臺階進行初期支護時，還會在上臺階底面增加一道臨時剛性橫撐［7］，此時，如果下臺階爆破開挖時繼續采用沿掌子面布置炮眼的方式，則下臺階爆破時，由于巖石的碎脹性和爆破飛石，則很可能破壞臨時剛性橫撐和上臺階初期支護體系如圖1所示。此外，沿下臺階掌子面布置炮眼需要將前一次下臺階爆破出來的渣石清理干凈，為本次爆破騰出足夠的作業空間；還需要采用人工撬毛或機械扒渣等方式清理下臺階掌子面浮石，以保證工人鉆眼時的安全；這些都將消耗一定時間，從而影響隧道整體掘進速度。另外，沿下臺階掌子面布置炮孔起爆時，通常都未進行錯臺開挖，下臺階爆破后，使上臺階拱架（腳）懸空，易造成安全隱患。因此，當隧道采用正臺階法爆破開挖時，采用一種新的下臺階炮眼布置和起爆方式來減小上述不利因素，是十分有必要的。

圖1　下臺階起爆破壞臨時剛性橫撐現場照片

2　一種新型下臺階爆破方法

當上臺階往前推進一段距離后，下臺階爆破時有兩個自由面，即下臺階頂面（或上臺階底面）和下臺階掌子面，本文將提供一種新的隧道下臺階爆破方法，解決上述下臺階爆破開挖時存在的若干問題，并將該方法的具體實施流程進行描述。

改變原來沿下臺階掌子面布設炮孔的方式，改由在下臺階頂面豎向鉆眼，以拱形隧道下臺階一次爆破進尺4m為例，其具體實施流程有三大步驟。

圖2　炮眼布置圖（一）

圖3　炮眼布置圖（二）

步驟一：布設炮眼。在隧道下臺階頂面鉆設直徑為34～42cm呈矩形結構排列的炮眼，如圖2中的直角梯形虛線框所示，炮眼間的距離為a，根據巖性的不同通常a取值為0.8～1.2m；炮眼間的排距為b，根據巖性的不同通常b取值為0.75a；每排炮眼端部的炮眼與開挖輪廓線之間的距離為d，根據巖性的不同通常d取值為5cm～10cm；第一排炮眼與下臺階掌子面上邊緣線之間的距離為W （W為最小抵抗線），根據巖性的不同通常W取值為0.9～1.5m（即W=1.5b）；D為隧道一側的周邊眼與掏槽眼的距離，通常D取值為1.2W。所有炮眼均垂直于下臺階頂面，且每個炮眼長度比底部開挖輪廓線超深h，如圖4所示，根據巖性的不同通常h取值為0～10cm，在軟弱、破碎的圍巖中取小值，堅硬、完整的圍巖中取大值。通過1～2次爆破試驗后即可獲取各參數最佳取值。

圖4　炮眼布置側視圖

在本次爆破結束后，下臺階掌子面將呈現如圖3所示的形狀，在此后每次爆破中，下臺階炮眼布置和起爆順序如圖3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示，每次布置4～5排炮眼，圖3中與圖2相同字母所代表的意義和數值一致。

步驟二：裝填炸藥和毫秒延期雷管。向所有炮眼裝填炸藥，按松動爆破法計算靠近臺階坡頂線的兩排炮眼需要的炸藥量；按擠壓爆破法計算遠離臺階坡頂線的兩排炮眼需要的炸藥量。在具體裝藥時，采用如圖5所示的水壓爆破裝藥結構［8］，即先在炮眼底部裝入一節水袋，隨后根據計算值，在每個炮眼中裝入相應炸藥量，再裝入若干節水袋，最后用炮泥進行堵塞。最靠近下臺階掌子面的第一排炮眼裝藥量最少，通常裝藥長度為炮眼長度的1/3；距離下臺階掌子面最遠一排炮眼裝藥量最多，通常裝藥長度為炮眼長度的1/2；位于兩者中間的幾排炮眼裝藥量隨炮眼與下臺階掌子面距離的增大而逐排增多。每個炮眼在最先裝入的一節炸藥中埋設一發毫秒延期雷管，為防止發生沖炮現象，炮泥堵塞一定要密實，堵塞長度一定要夠，通常炮泥堵塞長度為炮眼長度的1/4～1/5左右。

步驟三：起爆。本方案采用微差爆破方式起爆，即逐排依次起爆，具體來講，在首次采用本方法進行下臺階爆破時，爆破順序按圖2中編號1→2→3→4的順序逐排起爆。

在以后的每次起爆過程中，爆破順序如圖3所示，按圖中編號Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ的順序逐排起爆。

圖5　水壓爆破裝藥結構示意圖

當隧道呈馬蹄形、圓形等形狀時，鉆靠近隧道兩側的豎向炮眼需要嚴格控制炮眼孔深，炮眼超深會使爆破后發生超挖現象，炮眼過淺又會使爆破產生欠挖現象。為解決這一問題，可以采用沿隧道下臺階掌子面兩側鉆呈水平方向布置的周邊眼，其余靠近下臺階隧道中心線附近的炮眼仍然采用豎向鉆眼方式。

在工程實踐中可根據隧道圍巖等級和隧道開挖輪廓線的高度、寬度以及隧道所處周邊環境等因素綜合考慮下臺階一次爆破過程中炮眼布置的排數及每排炮眼的個數。

3　新型下臺階爆破的兩種變形方案

為進一步改善巖石爆破效果，當隧道寬度過大時，為減小隧道兩側圍巖爆破時的夾制作用，可將本爆破方案變形為方案一；當下臺階起爆高度過大時，還可將本爆破方案變形為方案二。

3.1方案一

本爆破方法的一種變形方案如圖6、7所示，第一次起爆前，炮眼布置如圖6中虛線框所示，采用毫秒延期導爆管雷管逐排依次起爆，起爆順序為圖中編號1→2→3→4所示，排與排之間的炮眼采用梅花形布置，從而更有利于改善巖石破碎效果；第一次起爆后，上下臺階之間將形成如圖7所示的分界面，此后每次下臺階起爆時，炮眼布置如圖7中兩個虛線框所示。其中矩形虛線框中編號為5和6的炮眼是沿下臺階掌子面布置的，最靠近隧道開挖輪廓線編號為6的炮眼為周邊眼，其炮孔中的裝藥量比5少，且炮孔間距要比編號為5的炮孔密，以保證周邊眼爆破后形成良好的輪廓線。

圖6　方案一炮眼布置圖（一）

圖7　方案一炮眼布置圖（二）

3.2方案二

當爆破開挖的下臺階高度超過4m時，如果繼續采用單一沿上臺階底面鉆豎向炮眼的方案，在炮眼深度鉆進超過4m后，無論是采用人工或是小型潛孔鉆機鉆進速度將明顯下降［9-10］，這無疑將增加鉆設炮眼的消耗時間；為解決這一問題，當下臺階高度大于4m時，可以在下臺階掌子面靠近底部開挖輪廓線的一定高度，沿下臺階掌子面鉆1～2排平行于底部開挖輪廓線的水平炮眼，第一次起爆時，炮眼布置如圖8所示；此后每次下臺階起爆時，炮眼布置如圖9所示。水平炮眼裝藥結構與豎向炮眼一致，同樣采用毫秒延期導爆管雷管，在豎向炮眼全部起爆完畢后，再起爆；其中，最靠近底部開挖輪廓線的一排水平炮眼最后起爆。

若隧道形狀呈馬蹄形或圓形等形狀時，在鉆靠近隧道側壁的豎向炮眼和靠近底板的水平炮眼時，需要根據下臺階開挖線來嚴格控制炮眼鉆孔深度及與周邊輪廓線之間的距離，以確保爆破不發生超欠挖現象。

4　本爆破方案優點及注意事項

4.1與傳統下臺階爆破設計相比，采用本爆破方案有如下優點：

圖8　方案二炮眼布置圖（一）

圖9　方案二炮眼布置圖（二）

（1）起爆時克服巖石重力做功少，爆破同體積巖石炸藥消耗量少；同時向上的爆破飛石少，對上臺階的初支體系破壞和擾動也較小。

（2）沿上臺階底面垂直鉆炮眼能分擔絕大部分手持式氣腿鑿巖機的重量，工人作業強度小。

（3）沿上臺階底面鉆炮眼不需要將前一次下臺階爆破出來的渣石清理完，同時也不需要清理下臺階掌子面浮石，就可以鉆炮眼，使爆破時間可以前后靈活移動，對整個隧道開挖有利。

（4）采用本爆破設計和起爆順序，靠近隧道兩側邊墻的圍巖起爆時有很好的臨空面，兩側邊墻圍巖夾制作用小，爆破時均沿臨空面移動，對隧道兩側邊墻圍巖的破壞和擾動小。

（5）采用本爆破設計和起爆順序，前排采用松動爆破，爆破飛石少，爆堆相對集中；后排采用擠壓爆破，被爆巖石碰撞擠壓效果好，同時，后排爆破可以對前排的爆堆進行二次爆破（或破碎），降低了爆破大塊率。

（6）采用錯臺爆破開挖下臺階，避免了上臺階拱架（腳）懸空，提高了初支的穩定性、可靠性、安全性。

4.2注意事項：

（1）采用本爆破設計和起爆順序前，需要用高壓風槍將上臺階底面殘留的渣石清理干凈才能進行鉆孔作業；鉆孔完畢，用高壓風槍清孔時，需要防止炮眼內污水飛濺。

（2）采用人工配合手持式氣腿鑿巖機鉆孔時需要對現有的開挖臺架進行簡單改裝，為固定鑿巖機的氣腿支撐提供著力點。

（3）采用人工配合手持式氣腿鑿巖機鉆孔時，在換鉆桿的過程中需要克服鉆桿自重，通常需要另外一名工人配合操作手完成。

（4）鉆靠近臺階坡頂線的第一和第二排炮眼時，需要注意安全，防止作業工人和機械墜落。

（5）當隧道形狀呈馬蹄形或圓形等形狀，采用本爆破設計和起爆順序時，需要嚴格控制周邊眼和底板眼的鉆孔深度及與開挖輪廓線的距離。

5　結束語

在當今隧道掘進工程中，爆破開挖下臺階時，絕大多數都采用沿下臺階掌子面布置炮眼的方式，而采用沿下臺階頂面布置豎向炮眼的方式涉及較少。本文給出的下臺階爆破方法及其兩種變形實施方案為今后采用臺階法爆破開挖的隧道工程提供了一種新思路和方法。

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楊志剛（1988-），男，漢族，助理工程師/碩士研究生畢業，主要從事工程管理、地下工程爆破方面研究。

E-mail: 963900569@qq.com

Method Deformation Scheme on Tunnel Down Step Blasting

Zhigang Yang
（CRRC Construction Engineering .CO.，LTD， Beijing， 100078， China）

The paper firstly introduced and conventioned a method of blasting excavation of tunnel under bench blasting problems.In other to solve these problems， this paper provided a new type of bench blasting method， and the arrangement of blasting method， such as loading， detonating explosives and millisecond delay detonator steps description.Then， according to the different construction conditions， the paper put forward the method of two kinds of deformation scheme， blasting scheme for designers to choose. Finally，this paper used the new blasting method that has been carried on the induction summary of the advantages， and the matters of the blasting method must be aware of the comb， for the blasting operation personnel in the engineering practice guidance.

Positive Benching Tunneling Method； Vertical Hole； Hydraulic Blasting； Millisecond Blasting

TD235.31

A

2095-8412 （2016） 03-329-05