公路隧道聚能切縫光面爆破實驗方案分析

武利春

（山西路橋第三工程有限公司,山西 忻州 034000）

0 引言

相較于周邊孔采用常規裝藥爆破，在周邊孔采用切縫聚能裝藥爆破時能夠明顯地降低周邊孔單孔裝藥量，拉大周邊孔間距。基于某隧道掘進采用的聚能水壓新型光面爆破施工技術，該項目歷經理論研究、應用試驗、示范工程、實際應用四個階段取得了較好的成果，起到了有效的示范指導作用。

1 聚能切縫光面爆破實驗方案分析

某隧道采用非仰拱全斷面開挖，周邊孔同斷面光面爆破實驗方案設計如表1。

表1 同斷面周邊孔切縫聚能藥包光面爆破的實驗方案設計表

1.1 切縫聚能藥包輔材的設計與制備

爆破輔材主要包括藥卷、炮泥、導爆索、數碼電子雷管等。表2 所示為32 mm 直徑的巖石乳化炸藥和直徑25 mm 的巖石乳化炸藥。導爆索參數見表3。

表2 巖石乳化炸藥相關參數

表3 導爆索參數

1.2 切縫藥包的設計與制備方案分析

1.2.1 方案一

方案一周邊孔采用藥卷直徑25 mm，單孔裝藥量900 g，切縫管設計參數如表4 所示。

1.2.2 方案二

方案二周邊孔采用的藥卷直徑32 mm，單孔裝藥量900 g，周邊孔光爆實驗選用的切縫藥包裝藥結構參數見表5。

表5 方案二的切縫管參數

1.2.3 方案三

方案三周邊孔藥卷直徑32 mm，單孔裝藥量900 g，采用拼接式的切縫管管材（便攜），切縫管外徑38 mm，炮孔直徑43 mm，徑向不耦合系數1.13。切縫管的設計參數見表6。

表6 方案三的切縫管參數

2 切縫聚能藥包光面爆破實驗效果的對比分析

2.1 切縫藥包裝藥與常規裝藥光面爆破對比實驗

2.1.1 方案一爆破后的效果分析

方案一爆破后的效果圖如圖1 所示。在圍巖破碎的情況下，實驗孔部分能清晰地看到存在9 條半孔痕，半孔率達到90.0%以上，形成的圍巖壁面的平整度較好，無超挖。實驗孔部分切縫聚能裝藥徑向不耦合系數K=1.54，相較于K=1.13 時，半孔痕條數增多，壁面開挖的平整度更高，在切縫方向即開挖輪廓線方向，能量更加集中，切縫藥包聚能爆破效應更明顯，同時在非切縫方向即被保護巖體面受到的能量作用小，壁面保留完整，巖體損傷小，相較于常規光面爆破，光面爆破效果得到極大提高[1]。

圖1 方案一的光面爆破效果圖

2.1.2 方案二爆破后的效果分析

方案二爆破后效果如圖2 所示，實驗孔部分能清晰地看到存在2 條半孔痕，形成的巷道壁面的平整度較好，相反在圖2 中右側壁面超挖嚴重，壁面平整度低[2]。

圖2 方案二的光面爆破效果圖

通過圖2 可以看出在實驗孔部分留下兩條半孔痕，壁面的開挖平整度高，相反在對比孔部分，超挖嚴重，圍巖受到的損傷大，光面爆破效果差。實驗孔、對比孔的徑向不耦合系數分別為K實=1.07、K對=1.31，前者的徑向不耦合系數較小，但仍然存在半孔痕，說明切縫管的存在，能在一定程度上實現對巖石的聚能定向斷裂爆破效果，加強在切縫方向對巖體的致裂作用，同時削弱炸藥能量對被保留巖體的損傷。在圍巖性質較弱的情況下，實驗孔的切縫聚能光面爆破效果相對常規光面爆破效果好，說明切縫聚能光面爆破技術在軟弱圍巖中應用的效果較好。

2.1.3 方案三爆破后的效果分析

方案三爆破后的效果圖如圖3 所示，在爆破后的30 min 進入隧道，在圖3 中左側實驗孔部分能清晰地看到存在4 條半孔痕，同時形成的巷道壁面的平整度較好，相對于使用切縫管輔材的巷隧道頂拱左部分，右壁面平整度較低。實驗孔的徑向不耦合系數K=1.13 時，實驗孔爆后留有4 條半孔痕，壁面開挖平整度提高，相較于第一次徑向不耦合系數值增大，半孔率提高，說明在采用切縫聚能光面爆破時，適當地增加徑向不耦合系數可以得到較好的光面爆破效果。同樣，在不使用切縫藥包聚能光面爆破時，周邊孔的超挖嚴重，圍巖損傷嚴重，圍巖穩定性降低[3]。

圖3 方案三的光面爆破效果圖

2.2 全斷面周邊孔切縫藥包光面爆破對比實驗

（1）基于常規裝藥與切縫藥包裝藥光面爆破對比實驗，方案一的徑向不耦合系數為1.51 時切縫藥包取得的光面爆破效果最佳。故開展周邊孔徑向不耦合系數為1.54的切縫聚能光面爆破和常規裝藥光面爆破。

（2）周邊孔全斷面切縫聚能藥包光面爆破實驗，實驗地點在隧道加寬段，斷面周長增大，周邊孔35 個，孔距增大，現場測量周邊孔孔距由之前的550~650 mm 增大到700~1 000 mm。每個實驗孔裝6 卷小直徑1 號巖石乳化炸藥，孔底兩卷，單卷重0.25 kg，采用單發數碼電子雷管孔底起爆，導爆索傳爆，炮泥填塞。

（3）周邊孔在使用切縫聚能光面爆破爆破時，實驗孔部分整體壁面的開挖效果好，前期進行周邊孔三種不同徑向不耦合系數切縫聚能裝藥結構的同斷面光面爆破實驗，在周邊孔切縫聚能裝藥結構徑向不耦合系數為1.54時，光面爆破效果最佳。對比分析在此徑向不耦合系數條件下使用切縫藥包聚能光面爆破和常規裝藥爆破下的超欠挖量、每延米噴漿量對比，同時通過上述的全斷面周邊孔爆破對比實驗，對比分析切縫聚能藥包定向斷裂控制爆破技術，相較于常規爆破技術手段的優勢及其在現場應用的可行性。

（4）周邊孔全斷面爆破效果分析。見表7～8。

表8 爆破效果的統計表

通過表7～8可得出在周邊孔中使用常規裝藥爆破時，平均爆破循環進尺3.3 m，平均炮孔利用率82.5%，平均炸藥單耗0.72 kg/m3，頂拱部分平均半孔率基本為0，平均超挖693 mm，一個循環平均噴漿量52.76 m3需耗時150 min；當周邊孔中使用切縫藥包聚能控制爆破時，平均爆破循環進尺3.7 m，平均炮孔利用率92.5%，炸藥單耗0.61 kg/m3，頂拱部分平均半孔率93%，平均超挖84 mm，一個循環噴漿量41.36 m3耗時115 min。與周邊孔常規裝藥爆破相比，當周邊孔采用切縫聚能藥包控制爆破時，平均爆破循環進尺提高0.4 m，平均炮孔利用率提高12%，平均炸藥單耗降低0.1 kg/m3，平均超挖降低80.7%，一個循環噴漿量降低21.6%，一個循環噴漿時間縮短35 min，周邊孔孔距拉大21.5%~35%。

3 結語

綜上述，該文開展了切縫聚能藥包光面爆破的現場應用研究，首先進行了同斷面周邊孔不同徑向不耦合系數的切縫聚能光面爆破實驗，基于爆破效果的比較，選擇周邊孔切縫聚能裝藥結構的徑向不耦合系數K=1.54，進行全斷面周邊孔切縫聚能光面爆破對比實驗。經過統計，對比分析了全斷面常規裝藥光面爆破和切縫聚能光面爆破的實驗結果，結果如下：

（1）與周邊孔采用常規裝藥光面爆破相比，當周邊孔采用切縫聚能光面爆破時，隧道的一次爆破循環由3.3 m 提高到3.7 m，進尺提高0.4 m，炮孔利用率提高12%。

（2）當采用切縫聚能藥包光面爆破時，光面爆破效果明顯提高，半孔痕由0 條增加到19 條，頂拱半孔率由0 增加到93%，平均超挖由693 mm 降低到134 mm，降低80.7%。

（3）當周邊孔采用切縫聚能光面爆破時，與周邊孔采用常規裝藥光面爆破相比時，周邊孔單孔藥量由1 200 g 降低至900 g，一次循環炸藥單耗由0.72 kg/m3降低至0.61 kg/m3，降低0.1 kg/m3；周邊孔孔距由55~65 cm拉大到70~100 cm，拉大21.5%~35%，在降低周邊孔單孔裝藥的同時，拉大周邊孔孔距，切縫聚能藥包光面爆破效果具有明顯提高，表明切縫聚能藥包爆破提高了炸藥爆炸能量在切縫方向的利用率，加強了炸藥爆炸能量在隧道輪廓線方向對巖體的致裂作用。

（4）當采用切縫聚能藥包光面爆破時，一個循環噴漿量由52.76 m3/m 降低到41.36 m3，降低21.6%，噴漿時間縮短35 min。