光面爆破在隧道中的應用及經濟效益

李超

（中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東泰安271000）

1 引言

張吉懷鐵路隧道地屬紅層地質，為典型易滑地形。地層巖性主要以泥質粉砂巖為主，受雪峰山隆起帶影響，褶皺、構造發育、斷層等，隧道多具壓性特征。線路以大角度穿越，受構造影響較小。Ⅳ、Ⅴ級圍巖占隧道總長的95.2%。因此，Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段如何更好地控制隧道開挖的安全，及隧道超挖引起的噴射混凝土超方，減少工序循環時間尤為關鍵。而光面爆破這一施工工藝，可以更好地保證施工安全，控制超挖引起的材料消耗和時間成本，從而提高經濟效益。

2 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路線路從張家界地區黔張常鐵路張家界西站引出，途經湘西土家族，苗族自治州管轄的永順縣、古丈縣、吉首市和鳳凰縣，由麻陽苗族自治縣至滬昆客專懷化南站，正線全長243.265km。鐵路等級：高速鐵路；正線數目：雙線；設計行車速度：350km/h；線間距：5.0m。ZJHZQ-9標段3 分部起訖起止里程為：DK215+126.27～DK225+202.53，線路全長10.076km。其中，橋梁1 032.28m，隧道8 468.44m，路基585.83m，正線隧道比83.96%。混凝土總方量約47.39m3。隧道穿越圍巖較差，多數為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，以紅褐色泥質粉砂巖為主。隧道產值占據絕大部分。全線隧道初支噴射混凝土作業所有圍巖均采用光面爆破和濕噴工藝。隧道Ⅲ級圍巖410m 占比4.8%、Ⅳ級圍巖3930m 占比46.4%、Ⅴ級圍巖4 128.44m 占比48.8%，噴射混凝土8.72m3，其他混凝土34.19m3。

3 爆破參數設計和施工

3.1 光面爆破機理

光面爆破機理是：光面爆破自掏槽眼開始起爆，形成臨空面，由內向外逐層起爆。在形成圓順臨空面的前提下，周邊眼互為導向孔。起爆后光爆層巖體沿周邊眼連線開裂，產生圓順的開挖輪廓。又稱為輪廓爆破或周邊爆破[1]。

3.2 光面爆破施工

3.2.1 開挖作業工序

工序：測量放線—鉆孔平臺就位—鉆孔—鉆孔質量驗收—裝藥堵塞炮孔—連接起爆網路—起爆—通風—危石排險處理—本循環總結。

3.2.2 技術要點和參數選擇

本項目部圍巖多為Ⅳ、Ⅴ級泥質粉砂巖，巖體較破碎，巖石強度不高，飽和單軸抗壓強度普遍少于15MPa，巖體波速2 600～4 400m/s，多為軟質巖[2]。

本文選取代表性較強的Ⅳ級圍巖參數和應用進行論述。

1）根據圍巖的特性，使用低沖擊度和低爆速的小直徑炸藥。

經現場適用率抽檢后，采用φ32mm 的2 號巖石乳化炸藥，炸藥長30cm，0.3kg/節。爆炸性能試驗指標：密度1 300kg/m3，爆速≥4 600m/s，猛度≥16mm，做功能力≥260mL，殉爆距離≥6cm。

2）周邊眼常用參數的選擇是控制開挖輪廓平整度的重要因素。周邊眼間距較大，會減弱應力波在周邊眼中心連線上的疊加效果，增加裂紋貫通的難度，對于相鄰周邊眼，“空孔效應”也會增大，易形成欠挖。距離較小，則應力波在周邊眼連線中的疊加效果越大，裂紋擴展的范圍增加，易形成超挖。通常，周邊眼的距離E=（12～15）d，炮孔的直徑為d=35～45mm。最小抵抗線W（光爆層的厚度），直接影響光面爆破效果和爆碴塊度。其取值在（13～22）d范圍內，且W≥E。結合文獻，并通過現場試驗優化確定，采用E=45cm，d=42mm，W=60cm。

3）周邊眼密集系數K=0.75，一般情況，以K=E/W=0.7～1.0為宜。

4）確定炸藥的單耗量q和周邊眼裝藥集中度Q。炸藥單耗量對裝藥效率，炮孔利用率，開挖壁面的平整度和圍巖的穩定性有很大影響。它取決于巖性，斷面面積，炮孔直徑和炮孔深度等多種因素。炸藥單耗量取0.693kg，周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度Q=qEW=0.19kg·m-1。

5）周邊眼裝藥結構和裝藥量，是達到光面爆破效果的重要條件。周邊眼采用間隔空氣非耦合裝藥形式，徑向不耦合系數D=d炮眼/d炸藥=1.31。即藥節與炮孔內存在著空氣間隙時，爆破將在間隙中衰減，從而降低了對孔壁的沖擊力，減少傳遞到巖面的爆炸能量。具體周邊眼裝藥方式：竹片間隔綁扎為串，0.3kg 藥節分成3 小節。孔底裝藥1/3 節，間隔60cm/小節，依次向孔口裝藥，炮泥堵塞距離孔口30cm 處。周邊眼均設置導爆索，導爆索引到孔底藥節處。孔底藥節采用反包導爆索形式。導爆索均采用“T”形連接，自兩側拱腳向上依次連接，交匯于拱頂。為保證爆破質量，避免瞎爆，周邊眼設置5 處加裝雷管，于周邊眼藥卷第2 小節。

6）選擇合適的掏槽形式以獲得理想的掏槽效果，形成新的臨空面。并采用毫秒微差有序起爆，使爆破按掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底板眼的順序進行，以便從內到外逐次開辟臨空面。

3.2.3 炮孔布置和爆破實施

根據不同圍巖的裝藥系數進行計算，并結合現場爆破效果調整爆破參數至最優。Ⅳ級圍巖爆破參數、炮孔布置如下，如圖1 所示。

設計炮孔深度3.3m，進尺3m 循環，炮孔利用率100%，開挖量257.34m3，炸藥單耗量0.693kg。

圖1 鉆爆設計圖（ 單位：cm）

3.2.4 光面爆破成果展示

選取的掌子面是項目常見Ⅳ級圍巖，紅層節理裂縫較陡傾，拱頂存在與掌子面成80°夾角節理；拱腰、拱腳節理裂隙發育，圍巖局部破碎。爆破完成后，開挖輪廓線完整，拱部平整度好，巖面超挖較少，炮眼殘眼率90%。

結合現場的開挖輪廓3D 掃描圖分析得：采用光面爆破后的超挖量從平均35cm 減少到15cm，上臺階平均超挖量減少了4m3/m。炮眼殘存率和超挖深度滿足光面爆破標準。

4 效益總結

4.1 材料效益

4.1.1 混凝土消耗

上臺階噴射混凝土用量減少4m3/m，結合現場實際稱重和相關文獻，噴射混凝土回彈量取20%計算，噴射混凝土的實際使用量減少4.8m3/m。噴射混凝土單價380 元/m3，施工成本164.27 元/m3。

綜上，混凝土消耗方面產生直接經濟效益2 612.4 元/m。

4.1.2 炸藥、雷管消耗

綜合分析表明，光面爆破的使用與常規爆破炸藥的使用，以及炮孔的布置基本相同，根本區別在于光面爆破的周邊眼采用串狀裝藥結構結合導爆索的形式。

光面爆破3m 循環，消耗導爆索181.6m，成本908 元，周邊眼雷管節約46 發，減少成本230 元。因此，上臺階炸藥和雷管的成本增加了226 元/m。

4.1.3 總計

由于材料消耗減少的成本為2 386.4 元/m。全線隧道8 468.44m，產生經濟效益2 020.91 萬元。

4.2 時間效益

在當前的圍巖條件下，項目多采用2 臺階施工工法光面爆破鉆孔裝藥時間增加了0.5h，但是光面爆破減少了對圍巖的擾動和超挖，因此，減少了出渣排險和噴射混凝土的時間。整個一循環減少工序時間1h。

隧道正常進尺施工過程中，一個掌子面工人約90 人，每月所需人工費和機械費，共計費用90.2 萬元，定額到每小時為1 252 元。故掌子面因工序時間縮短，減少3.75 萬元/月。

隧道施工中，安全步距牽扯整體的挖掘進尺，故以二襯臺車工作面計為正常施工工作面來計算時間效益。項目全線共計12 個二襯臺車，即每臺車施工705m 二襯，正常施工工期為7 個月/掌子面。工序時間產生經濟效益315.7 萬元。

4.3 安全質量效益

使用光面爆破技術，周邊眼會留有大量空氣柱，應力集中變小，從而減少了炮震對圍巖的松動深度、破碎程度和震動范圍，避免了常規爆破對圍巖干擾大的問題，充分利用了圍巖的自承能力，減少落石概率，保證隧道施工的安全。光面爆破的使用也極大限度地減少了超挖，并避免了由于超挖而在初支背后面形成空洞的隱患和后續注漿費用，減少了濕噴厚度過厚產生掉塊的危險。

5 結語

光面爆破需根據圍巖級別，斷面大小，循環進尺，機械設備等綜合考慮。通過與工班簽訂鉆爆技術合同，加強管理，嚴格施工工藝，共同配合，可以取得良好的光爆效果。

通過對山嶺隧道爆破工程中光面爆破帶來的經濟效益的研究，切實論證了光面爆破可以控制成本，加快工程進度，提高生產的安全和質量，并產生巨大的經濟效益。在當前嚴峻的市場條件下，光面爆破對于山嶺隧道施工，具有切實可行的推廣和使用的適用性。