隧洞開挖典型掏槽設計方法

楊玉銀，張艷如，楊仕杰，劉志輝，張俊嬌

(1.中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384；2.四川大學錦城學院，成都 611731；3.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

隧洞開挖炮孔按照位置和作用不同分為掏槽孔、崩落孔和周邊孔。在隧洞開挖爆破前，只有掌子面一個自由面，周圍巖體夾制作用比較大，爆破條件困難。掏槽孔一般布置于開挖面的中下部，主要作用是在巖體內掌子面中下部首先爆破形成一個較大、較深的槽腔，形成第2個爆破自由面，為后續的崩落孔爆破減弱周圍巖體的夾制作用，創造良好的爆破條件[1]。一般掏槽深度越深、掏槽面積越大，爆破效率就會越高。

在硬質巖石隧洞開挖爆破施工中，爆破效率的高低是爆破施工技術人員最關心的問題之一，因為它直接影響著開挖進度和開挖成本，是開挖工作能否順利進行，能否盈利的關鍵。而每茬炮爆破效率的高低，又是由掏槽效果直接決定的，如果掏槽掏的干凈、徹底，炮后孔底不留殘孔或殘孔極少，那么，該茬炮的爆破效率必然會很高，單循環進尺就會很理想，炸藥單耗就會比較低，開挖進度和成本都會得到有效保證。然而，現有文獻中[1-2]，關于掏槽的論述雖然具有一定指導意義，但均比較寬泛，缺少明確而具體的掏槽設計方法、參數選取方法，這就需要我們在大量工程實踐基礎上，對掏槽及其設計方法進行進一步的探討、研究。

1 掏槽效果的關鍵

1)掏槽孔孔距。保證各排掏槽孔孔距與圍巖硬度和韌性相適應，對于最先起爆的內掏槽孔和主掏槽孔(也稱外掏槽孔)以及后續的各級輔助掏槽孔(擴槽孔)，如果圍巖硬度和韌性很高，而掏槽孔的孔距又比較大，即便掏槽孔內除了必要的填塞長度完全裝滿炸藥，也不足以保證掏槽孔起爆后爆破效率達到100%。對于硬度和韌性較高的圍巖，尤其是內掏槽和主掏槽孔，應采用較小的掏槽孔孔距[3-4]，來保證最先起爆的掏槽孔爆破效率達到100%，這是掏槽效果的有效保證。對于硬度高、韌性好的圍巖，主掏槽孔的孔距應不大于25 cm。

2)孔底抵抗線。保證各級掏槽孔間的孔底抵抗線與圍巖硬度和韌性相適應，在最先起爆的內掏槽孔和主掏槽孔起爆后，即便爆破效率達到了100%，如果后續各級輔助掏槽孔(擴槽孔)的孔底抵抗線過大，也無法保證后續各級掏槽的爆破效率達到100%，從而影響掏槽的整體爆破效果，因此，應保證后續各級掏槽孔的孔底抵抗線不宜過大[3-4]。對于硬度高、韌性好的圍巖，孔底抵抗線應不大于100 cm。

3)成對主掏槽孔孔底間距。保證成對主掏槽孔的孔底間距與圍巖硬度和韌性相適應，對于成對的主掏槽孔，如果孔底間距過大，可能造成主掏槽孔爆破后，孔底間巖石未能徹底粉碎，留下突出的根坎，從而導致后續起爆的輔助掏槽孔、崩落孔留下大面積殘孔，影響爆破效率。對于硬度高、韌性好的圍巖，成對主掏槽孔的孔底間距應不大于25 cm。

4)孔內裝藥量。保證各級掏槽孔內裝藥量與圍巖硬度和韌性相適應，對于各級掏槽孔，尤其是內掏槽孔和主掏槽孔，應有足夠的裝藥量徹底剪斷、粉碎、拋出各自負責爆破的巖體，對于硬度高、韌性好的圍巖，孔內裝藥量應不低于孔深的75%[5]。

5)填塞長度。保證掏槽孔足夠的孔口填塞長度，在隧洞開挖的工程實踐中，有些施工技術人員不重視炮孔的填塞，這是錯誤的。對于較軟的圍巖，填塞質量差或不填塞，可能對掏槽效果影響不大，但是如果圍巖硬度高、韌性好，炮孔的填塞，尤其是掏槽孔的填塞就尤為重要了。良好的填塞可以阻止爆轟氣體過早逸出，使炮孔內在相對較長的時間內保持高壓狀態，能有效地提高爆破效率；良好的填塞加強了它對炮孔內炸藥爆炸時的約束作用，降低了爆炸氣體逸出自由面的壓力和溫度，提高了炸藥的熱效率，使更多的熱能轉變為機械功[1]。因此，必須保證掏槽孔的填塞長度，對于孔徑42 mm的掏槽孔，填塞長度應不小于60 cm。

2 典型楔形掏槽設計

2.1 掏槽要素

常用典型楔形掏槽基本要素如表1所示。

表1 典型楔形掏槽基本要素Table 1 Basic elements of typical wedge cutting

2.2 布孔方式

在隧洞開挖爆破施工中，楔形掏槽主要用于中斷面、大斷面[6]隧洞開挖，一般隧洞跨度B>5 m、斷面面積A>25 m2。常用典型布孔方式如圖1所示。各種掏槽孔主要作用如下：①內掏槽孔。主要作用是當圍巖較硬時，最先起爆，為主掏槽孔創造臨空面；當圍巖較軟時，可不設置內掏槽孔;②主掏槽孔。主要作用是在內掏槽孔起爆后，接著起爆，將掏槽深度掏至最深處，為后續爆破孔創造較深的臨空面，它是整茬炮爆破效果的關鍵，也是單循環進尺的保證;③輔助掏槽孔。主要作用是在主掏槽起爆后，接著起爆，繼續擴大掏槽空腔，為后續的崩落孔起爆創造更大的臨空面；輔助掏槽根據開挖斷面大小、圍巖的堅硬程度，可設置1～4級，圖1中僅設置了2級輔助掏槽。

注：1-內掏槽孔；2-主掏槽孔；3-輔助掏槽孔1；4-輔助掏槽孔2；5-臨近崩落孔。圖1 典型楔形掏槽布孔Fig.1 Layout of typical wedge cut holes

2.3 主要參數設計

2.3.1 基本參數

1)鉆孔直徑D。對于手風鉆鉆孔，常取D=38～42 mm；對于多臂鉆，常取D=43～52 mm。本文以手風鉆孔徑D=42 mm為例進行設計，多臂鉆可參考該參數設計方法。

2)設計單循環進尺L。根據開挖斷面大小及鉆孔設備情況，一般在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖中，采用手風鉆鉆孔時取L=2.0～4.0 m，采用多臂鉆鉆孔時取L=4.0～5.0 m；在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，鉆孔多采用手風鉆，根據自身鉆爆作業能力、水平，取L=0.5～2.2 m[5]。

2.3.2 內掏槽孔設計

1)深度l。內掏槽孔深度一般取主掏槽孔深度的2/3，即l=0.67(L+ΔL)。

2)孔底距離c1。一般軟巖不需要設置內掏槽孔，中硬巖取c1=25～40 cm；堅硬巖取c1=15～25 cm。圍巖越硬，取值越小，可參照楔形掏槽孔布置參數(見表2)選取。

表2 楔形掏槽孔布置參數Table 2 Arrangement parameter of wedge cut holes

3)與掌子面夾角α1。可根據圍巖硬度情況，按照表2選取[1-2]。

4)長度L1。L1=l/sinα1。

5)孔距a1。內掏槽孔對掏槽效果起主要輔助作用，一般軟巖不設置內掏槽孔；中硬巖取a1=40～50 cm；堅硬巖取a1=30～40 cm。

6)開口距離b1。b1=c1+2L1cosα1。

2.3.3 主掏槽孔設計

1)孔底距離c2。一般軟巖取c2=40～60 cm；中硬巖取c2=25～40 cm；堅硬巖取c2=15～25 cm。圍巖越硬，取值越小，可參照表2選取。

2)與掌子面夾角α2。可根據圍巖硬度情況，按照表2選取[1-2]。

3)超深ΔL。一般軟巖取ΔL=0～20 cm；中硬巖取ΔL=20～40 cm；堅硬巖[5]取ΔL=40～60 cm。圍巖越硬，取值越大。

4)長度L2。L2=(L+ΔL)/sinα2。

5)孔距a2。主掏槽孔對掏槽效果起決定性作用，對于硬度較高的圍巖，如果孔距偏大，掏槽效果就會較差，一般軟巖取a2=50～70 cm；中硬巖取a2=35～50 cm；堅硬巖取a2=15～35 cm。圍巖越硬，取值越小。

6)開口距離B。B=c2+2L2cosα2。

2.3.4 排距設計

1)掌子面上主掏槽孔與內掏槽孔排距b2。b2=(B-b1)/2。

2)掌子面上輔助掏槽孔與前排孔的排距b3。各級輔助掏槽孔可以選用相同的排距,一般根據需要等距選取b3=30～70 cm。

3)輔助掏槽孔孔底排距d。輔助掏槽孔一般可設置1～4排，其孔底距離可將臨近崩落孔和主掏槽孔間距離等分(見圖1b)，圖中設置了2排輔助掏槽孔，則d=LCE/3。一般軟巖可不設置輔助掏槽；中硬巖取d=100～120 cm；堅硬巖取d=70～100 cm。圍巖越硬，取值越小。

2.3.5 其他參數設計

1)輔助掏槽孔孔距a3。輔助掏槽的作用是進一步擴大掏槽空腔，各級輔助掏槽可取相同的孔距，一般軟巖取a3=70～80 cm；中硬巖取a3=60～70 cm；堅硬巖取a3=30～60 cm。圍巖越硬，取值越小。

2)輔助掏槽孔和臨近崩落孔的孔底抵抗線W。為了取得良好的擴槽效果，一般中硬巖取W≤120 cm；堅硬巖取W≤100 cm。圍巖越硬，取值越小。

3)輔助掏槽孔與掌子面夾角α。α3、α4為第1、2排輔助掏槽孔與掌子面夾角,每排輔助掏槽孔的開口位置、孔底位置按以上方式確定后，其角度大小就自然確定了；α5為臨近崩落孔，與掌子面夾角為90°。

4)第1排、第2排輔助掏槽孔長度L3、L4。L3=L/sinα3，L4=L/sinα4。

5)臨近崩落孔長度L5。L5=L。

2.4 裝藥結構

1)炸藥。目前隧洞開挖炸藥以乳化炸藥為主，掏槽孔主要選用φ32 mm藥卷，每米質量為1.0 kg。

2)裝藥系數n。裝藥系數是指孔內裝藥長度與炮孔長度的比值，%。一般內掏槽孔裝藥系數取n內=60%～80%；主掏槽孔裝藥系數n主=65%～85%[5]；各級輔助掏槽孔n輔=55%～75%。圍巖越硬，取值越大。

3)裝藥長度l1。為各類掏槽孔長度與裝藥系數之積，l1=nLn。

4)填塞長度l2。l2=Ln-l1，Ln為各類掏槽孔長度，cm。各類掏槽孔的填塞長度一般取l2=60～80 cm[5]。圍巖硬，取大值。

5)單孔藥量Q。各級掏槽孔的單孔藥量可按Q=0.25πd2ρl1計算。式中：d為藥卷直徑，cm；ρ為炸藥密度，g/cm3。

6)裝藥結構。各類掏槽孔均采用連續裝藥結構(見圖2)。孔底第2只炸藥卷裝入雷管，雷管聚能穴朝向孔口，應保證孔口填塞長度和填塞質量。

圖2 掏槽孔基本裝藥結構Fig.2 Basic charge structure of cut hole

2.5 網路連接

孔內均采用非電毫秒雷管,內掏槽孔采用MS1段，主掏槽孔采用MS3段，第1排輔助掏槽孔采用MS5段，第2排輔助掏槽孔采用MS7段，以后依次采用MS8、MS9段；孔外聯炮均采用MS1段。

3 典型平行直孔掏槽設計

3.1 掏槽基本要素

常用典型平行直孔掏槽基本要素如表3所示。

表3 典型平行直孔掏槽基本要素Table 3 Basic elements of typical parallel straight hole cutting

3.2 布孔方式

平行直孔掏槽主要用于特小斷面、小斷面[6]隧洞開挖，一般隧洞跨度B≤5 m、斷面面積A≤25 m2。常用典型布孔方式如圖3所示。各種掏槽孔主要作用如下：①中心裝藥孔。最先起爆，主要作用是強制粉碎周圍空孔以內的巖體，首先創造出較小的掏槽空腔;②周圍空孔。爆破時孔內不裝藥，主要作用是作為中心裝藥孔爆破時的輔助自由面和破碎體的補償空間;③擴槽孔。在中心裝藥孔起爆后逐級起爆，通過擴槽孔爆破，逐圈擴大掏槽空腔。擴槽孔一般設置3～4級，圖3中以3級擴槽孔為例，擴槽后的空腔面積應達到1.0 m2以上。

注：1-中心裝藥孔；2-周圍空孔；3-一級擴槽孔；4-二級擴槽孔；5-三級擴槽孔。圖3 典型平行直孔掏槽布孔Fig.3 Cut holes of typical parallel straight holes

3.3 主要參數設計

3.3.1 基本參數設計

1)鉆孔直徑D。由于平行直孔掏槽主要用于小斷面、特小斷面，鉆孔以手風鉆為主，鉆孔直徑φ38～42 mm。施工中一般取D=42 mm。

2)設計單循環進尺L。由于開挖斷面較小，設計單循環進尺不宜過大。一般在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖中，取L=1.8～3.0 m；在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，取L=0.5～1.8 m。

3)中心裝藥孔及周圍空孔超深ΔL。為了取得較好的掏槽效果，一般中心裝藥孔及周圍空孔的鉆孔深度比崩落孔略深，軟巖取ΔL=0～15 cm；中硬巖取ΔL=15～30 cm；堅硬巖取ΔL=30～50 cm。圍巖越硬，取值越大。

4)中心裝藥孔位置。一般位于掌子面中下部。

3.3.2 孔深設計

1)中心裝藥孔及周圍空孔孔深L0。L0=L+ΔL。

2)擴槽孔孔深LK。各級擴槽孔孔深均取設計單循環進尺，則L1=L2=L3=L。式中：L1、L2、L3分別為一級、二級、三級擴槽孔孔深，cm。

3.3.3 周圍空孔設計

1)周圍空孔半徑r。一般周圍空孔半徑不宜過大，不能超出中心裝藥孔的粉碎圈[2]。根據爆破實踐，一般取r≤20 cm，軟巖取r=3.5～4.5D；中硬巖取r=2.5～3.5D；堅硬巖取r=1.5～2.5D[2，7-8]。

2)周圍空孔孔距e。周圍空孔為非裝藥孔，根據需要可設置4～8個，在中心裝藥孔周圍均勻布置。以最常用的六空孔平行直孔掏槽為例進行設計，一般軟巖取e=15～20 cm；中硬巖取e=10～15 cm；堅硬巖取e=6.5～10 cm。

3.3.4 擴槽孔間m值設計

1)周圍空孔至一級擴槽孔連線的垂直距離m1。一般軟巖取m1=15 cm；中硬巖取m1=10 cm；堅硬巖取m1=5 cm。

2)一級擴槽孔至二級擴槽孔連線的垂直距離m2。一般取m2=5～10 cm，軟巖取大值，硬巖取小值。

3)二級擴槽孔至三級擴槽孔連線的垂直距離m3。取值方法同m2，一般取m3=5～10 cm。

3.3.5 擴槽孔孔距設計

1)一級擴槽孔孔距e1。e1=2(r+m1)。

2)二級擴槽孔孔距e2。e2=2(m2+e1sin 45°)。

3)三級擴槽孔孔距e3。e3=2(m3+e2sin 45°)。

3.3.6 擴槽孔抵抗線設計

1)一級擴槽孔抵抗線W1。W1=e1sin 45°-r，一般堅硬巖應控制W1≤20 cm。

2)二級擴槽孔抵抗線W2。W2=e2sin 45°-0.5e1，一般堅硬巖應控制W2≤30 cm。

3)三級擴槽孔抵抗線W3。W3=e3sin 45°-0.5e2，一般堅硬巖應控制W3≤50 cm。

3.4 裝藥結構

1)裝藥系數n。目前隧洞開挖炸藥以乳化炸藥為主，掏槽孔主要選用φ32 mm藥卷，一般中心裝藥孔裝藥系數取n0=85%～90%[1-2]；一級擴槽孔裝藥系數取n1=80%～85%[5]；二級擴槽孔裝藥系數取n2=75%～80%；三級擴槽孔裝藥系數取n3=70%～75%。

2)裝藥長度l1。中心裝藥孔裝藥長度l1=n0(L+ΔL)；各級擴槽孔裝藥長度l1=nL。

3)填塞長度l2。中心裝藥孔填塞長度l2=(L+ΔL)-l1；各級擴槽孔填塞長度l2=L-l1。各類掏槽孔的填塞長度一般取l2=60～80 cm[5]，至少不應低于40 cm。

4)單孔藥量Q。各級掏槽孔的單孔藥量可按Q=0.25πd2ρl1計算。式中：d為藥卷直徑，cm；ρ為炸藥密度，g/cm3。

5)裝藥結構。各類掏槽孔均采用連續裝藥結構(見圖2)。孔底第2只炸藥裝入雷管，雷管聚能穴朝向孔口，并保證孔口填塞質量。

3.5 網路連接

孔內均采用非電毫秒雷管，中心裝藥孔采用MS1段，一級擴槽孔采用MS3段，二級擴槽孔采用MS5段，三級擴槽孔采用MS7段；孔外聯炮均采用MS1段。

4 提高爆破效率的輔助方法

4.1 采用水平V形掌子面

在傳統的隧洞開挖施工中，要求采用平齊掌子面，掌子面的形狀是個跟洞軸線垂直的平面，這樣便于鉆孔作業。但這種平齊掌子面在巖石堅硬、完整、韌性好時，一般爆破效率比較低，每茬炮后掌子面都會留下很深的殘孔，很難使鉆孔利用率達到100%。這種情況下，我們可以嘗試改變掌子面的形狀，采用水平V形掌子面(見圖4)：掌子面整體上是兩側向外凸出，中間向內凹進，水平剖面上呈V字形。其基本原理是：前排炮孔爆破后創造的臨空面深度均大大超過了后排炮孔孔底，使后排孔孔底爆破夾制作用減少到最小，從而使后排孔的鉆孔利用率達到100%，也就使堅硬巖石開挖爆破鉆孔利用率達到100%成為現實。水平V形掌子面適用于各種開挖斷面，可以與楔形掏槽和直孔掏槽結合使用[9]。

注：1-水平V形掌子面；2-炮后預形成掌子面；3-掏槽爆破后形成的空腔；4-臨空面；5-崩落孔；6-周邊孔；7-設計開挖線。圖4 水平V形掌子面Fig.4 Horizontal V-shape tunnel face

4.2 采用分部楔形掏槽

隧洞開挖爆破施工中，掌子面掏槽面積的大小對鉆孔利用率的提高是非常重要的，掌子面掏槽面積增大，可以創造較大的掏槽空腔，這有利于周圍崩落孔爆破時克服環向和孔底巖石的夾制作用[10-11]。對于中型斷面、大型斷面，在圍巖堅硬、完整，爆破效率低時，我們可以嘗試采用分部楔形掏槽(見圖5)，將常規的集中布置掏槽方式改變為分部掏槽方式：分為上部掏槽、下部掏槽兩部分，中間間隔80～120 cm，在盡量減少掏槽孔的情況下，有效增大掏槽面積，擴大掏槽空腔，從而減少由于爆破空腔過小產生的夾制作用，有效提高鉆孔利用率，提高爆破效率[3-4]。

圖5 分部楔形掏槽布孔Fig.5 Wedge cut hole by part

5 工程效果與結語

2種掏槽設計方法和提高爆破效率的輔助方法均在工程實踐中得到檢驗：①在溫州趙山渡引水工程許岙隧洞進口段長2 063.5 m的硬巖開挖中，提出并采用了水平V形掌子面[7-9]；②在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞工程10#施工支洞，及其負責開挖的1#主洞上游1 642 m和2#主洞上游1 540 m的主洞硬巖開挖中，均采用了分部楔形掏槽和水平V形掌子面[3-4]。以上應用鉆孔利用率均達到100%。

本文結合工程實踐，詳細闡述了典型楔形掏槽和典型平行直孔掏槽的掏槽要素、布孔方式、主要參數設計方法，同時提出了水平V形掌子面和分部楔形掏槽等能有效提高鉆孔利用率的2種輔助方法，可供硬巖隧洞爆破設計參考使用。掏槽設計中應尤其重視主掏槽孔孔距、各級掏槽孔間的抵抗線、成對主掏槽孔的孔底間距、孔內裝藥長度、孔口填塞長度的選取，這是保證掏槽效果的關鍵。這兩種掏槽設計方法，可將硬巖隧洞開挖鉆孔利用率提高到100%，能有效提高單循環進尺、加快開挖速度、降低開挖成本。