光面爆破技術探討與實踐

徐少東 XU Shao-dong

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來，我國在建的特長和長大隧道的建設規模與數量呈不斷上升的趨勢[1]。但多數隧道仍采用傳統的鉆爆法進行施工，使得設計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并應用于實踐取得良好效果；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算；陸鵬舉[4]對軟墊層裝藥爆破進行了深入的理論分析，確定了墊層裝藥的光爆參數；戴俊[5]提出軟巖隧道應考慮崩落眼爆破對光爆層的損傷效應；鄧師泉[6]應用決策理論優選出一組合理的爆破參數（周邊孔間距、光爆層厚度、線裝藥密度），并運用ANSYS/LS-DYNA 進行驗證。

綜上所述，為控制隧道超欠挖現行研究多集中在爆破參數、裝藥結構、裝藥量的調整與修正上，而在起爆技術方面卻鮮有研究。鑒于此，開展隧道光面爆破與優化導爆索起爆技術具有工程意義。

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與蓼子鄉間界山旗桿山，為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道，隧道全長15296m，其中Ⅲ級圍分布總長5810m、Ⅳ級圍巖分布總長5085m、Ⅴ級圍巖分布總長4402m。

隧道最大埋深1400m；開挖高度9.1 m，寬度11.1m；現場試驗研究在YK51+875-YK51+825 區段內進行，圍巖屬Ⅲ級；巖性主要為灰巖，全-弱風化，節理裂隙較發育；由于設計和施工中存在較多問題，導致施工進度緩慢。

2 存在的問題

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

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

③周邊孔孔距布置不均勻，孔距為50～80cm；光爆層厚度80cm；周邊孔裝藥結構不合理；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 周邊孔爆破參數優化與施工工藝

3.1 周邊孔爆破參數研究

①炮孔直徑。隧道內采用的鉆孔設備為YT-28 型手持式風鉆，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，其計算公式為：

式中：L—炮孔深度，m；f—線裝藥密度，kg/m。

根據公式，計算出單孔裝藥量為400g。

④堵塞長度。

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

⑤周邊孔間距。

目前，用于計算周邊孔間距E 主要使用巖石的斷裂理論式、半經驗半理論式等。

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，堅固的砂巖f=6~8，取f=7；K—調整系數，k=10~16；圍巖較硬時，取大值。

炮孔半徑為20mm，經過計算

2）半經驗半理論：

式中：d—炮孔直徑，mm。

炮孔直徑為40mm，經過計算得出周邊孔間距為48～60cm。

對于節理較發育、層理明顯的地下開挖工程，周邊孔間距可適當減小。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 間距過大，光爆層間巖石將得不到適當的破碎，甚至不能完整的切割下來；反之，圍巖容易受到反向拉伸波的作用，巖體產生大量的微觀裂隙，影響圍巖穩定。

光爆層厚度可根據豪柔公式來確定：

式中：q——裝藥量，kg；C——爆破系數；Ib——炮孔長度，cm；E——周邊孔間距，cm。

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

取W=55cm。

⑦炮孔密集系數。由前文設計可知周邊孔間距45cm，光爆層55cm，因此，炮孔密集系數為0.82。

3.2 周邊孔施工工藝研究

3.2.1 裝藥結構

嚴格控制周邊炮孔裝藥量，采用合理的裝藥結構，盡量使炸藥沿孔深均勻分布，是實現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，即周邊孔采用空氣間隔裝藥。

用導爆索鋪設整個炮孔，導爆索送入孔底過程中應避免打結。另外，導爆索在孔口預留30cm 左右用于綁接主導爆索。為確保藥卷均勻的放置在炮孔內，根據炮孔深度用標有長度記號的炮棍將炸藥送入周邊孔相應位置，裝藥結構如圖1 所示。

圖1 周邊孔裝藥結構示意圖（cm）

3.2.2 導爆索連接

周邊孔能同時起爆是光面爆破的一個基本要求，故應采用導爆索起爆網路。導爆索起爆采用了“T”型搭接法，如圖2 所示。T 型接法可以不用考慮傳爆方向，便于在主導爆索兩端設置起爆雷管，增加網路可靠性；杜絕了采用傳統的搭接方式時，需要考慮主導爆索的傳爆方向以及搭接長度不小于15cm 的問題。

圖2 導爆索“T”搭接法

3.2.3 雷管段別優選

內圈孔與周邊孔之間延期時間應為50～110ms，通過現場調查發現，內圈孔起爆雷管為ms13、周邊孔起爆雷管為ms15，兩者起爆時間間隔約為220ms，過長的時間間隔可能導致先起爆的內圈孔飛石破環周邊孔起爆網路，因此，周邊孔起爆雷管的段別應比內圈孔起爆雷管高一個段別，即周邊孔起爆雷管為ms14，可滿足延期要求。

若現場沒有連段雷管，周邊孔與內圈孔起爆雷管可設置成相同段別，但周邊炮孔和內圈孔之間需要連接ms3 或ms5 段雷管進行孔外延期，以便于將其延期時間控制在50～110ms。

3.2.4 起爆端設置

為了減少爆破振動對圍巖的影響，將周邊孔分為左右兩幅，分別用一個主導爆索起爆。由于周邊孔起爆網路是暴露在孔口位置，特別是導爆索起爆端因下垂離內圈孔更近，更容易受到內圈炮孔沖出孔口的爆生氣體破壞[8]，從而導致周邊炮孔出現盲炮，因此需要對導爆索起爆端進行專門設置。

導爆索起爆端設置在兩個拱頂內圈炮孔中間的位置，使導爆索起爆端盡量遠離內圈孔孔口。導爆索起爆雷管綁接方式如圖3 所示，邊墻的兩個導爆索起爆端綁接方式與拱頂相似。

圖3 起爆端設置方式

4 爆破效果

實驗前，旗桿山隧道爆破后輪廓面上上基本無孔痕，多呈現凹凸不平的形態。通過對原有的爆破技術和起爆方式進行優化，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，達到文獻[9] 規定的中硬巖孔痕率需≥60%的標準；實驗前后爆破效果如圖4 所示。

圖4 光面爆破效果對比

表1 給出旗桿山隧道實驗前、實驗后一星期內初支混凝土消耗情況，圖5 為實驗前后超挖情況。

表1 光面爆破前后初支混凝土消耗量對比

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

由圖5 可知，實驗前最大超挖區間為31cm~36cm，實驗后最大超挖區間為17cm~26cm；相比實驗前最大超挖有了較大改善，平均超挖降低了36.86%，從側面證明了實施光面爆破是控制超欠挖的一項重要舉措。

圖5 實驗前后超挖情況對比

5 體會

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、裝藥結構、炮孔密集系數等，還應考慮周邊孔起爆網路的連接以及周邊孔與內圈孔之間起爆時差的影響，盡可能將風險因素降到最低。改進后的光面爆破技術在旗桿山隧道取得良好的效果，并推廣應用于城開高速公路各在建隧道。