隧道光面爆破施工技术研究

科技创新导报2017 NO.29Science and Technology Innovation Herald工程技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald55DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.29.055隧道光面爆破施工技术研究①叶吉军(杭黄铁路有限公司 安徽黄山 242700)摘 要：近年来，随着我国城市化建设的加快，隧道及地下工程建设项目日益增多，铁路、公路、地铁隧道“数量多、长度大、大埋深、大断面”是21世纪我国以及世界隧道工程发展的总趋势。本文对隧道光面爆破施工关键技术进行了研究,深入开展隧道光面爆破精细化施工技术的基础研究，对于推动本企业的隧道工程技术发展、保证隧道工程安全生产、节约成本创造更多效益具有重要的理论价值与实际意义。关键词：隧道 爆破精细化 基础研究中图分类号:U41 文献标识码：A 文章编号:1674-098X(2017)10(b)-0055-041 工程概况新建杭州到黄山铁路工程位于皖南及浙西地区，线路东起浙江省杭州市萧山区，向西经杭州市萧山区、富阳市、桐庐县、建德市、淳安县，越皖浙交界的天目山山脉进入安徽省，经宣城市所辖绩溪县和黄山市所辖歙县、徽州区至黄山市。起点为杭长客专萧山南线路所（杭黄DK23＋817.328=杭长客专L3DK6+730.230=杭长客专里程HCDK23+817.328），终点黄山北站南端（杭黄DK288+220.366），长264.785km,其中浙江省境内184.728km，安徽省境内80.057km。锣鼓山隧道位于剥蚀低丘区，丘陵地形起伏较大，自然坡度30°～50°，多呈“V”字形，地表植被发育，多为竹林、蕨类植物。隧道起讫里程DK71+178～DK73+984，全长2806m，隧道最大埋深171.5m，为山岭深埋隧道。隧道洞身穿过围岩主要以砂岩为主，地下水主要为基岩裂隙水，基本不发育。全隧Ⅱ级围岩237m，Ⅲ级围岩1332m，Ⅳ级围岩955m，Ⅴ级围岩198m，明洞长55m，洞门长29m，施工难度较大。本隧道为双线隧道，采用复合式衬砌支护。设计Ⅱ级围岩开挖断面面积约120m2，宽(13.62m)×高(10.31m)；Ⅲ级围岩开挖断面面积约134m2，宽(13.98m)×高(11.81m)；Ⅳ级围岩开挖断面面积138m2，宽(14.12m)×高(12.03)m；Ⅴ

①作者简介:叶吉军(1966—)，男,汉族,甘肃兰州人，本科,高级工程师，长期从事铁路建设管理工作。级围岩开挖断面面积144m2，宽(14.28m)×高(12.39m)。隧道施工遵循新奥法施工原理组织施工，各工序依次开展。为了保护围岩，减少开挖爆破对围岩的损伤，充分发挥围岩的自承能力，采用光面爆破开挖。避免多次开挖爆破围岩损伤，原则上一次爆破成型，结合设计文件及相关规范要求，Ⅱ级围岩采用全断面开挖，Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖。2 研究的主要内容(1)隧道围岩爆破机理研究。(2)钻爆设备、爆破器材性能与各项参数的掌握。(3)围岩级别的分级与钻爆可爆性的判定。(4)光面爆破钻爆参数的设计。(5)现场炮眼布置、装药结构与起爆网路的优化。3 关键技术研究3.1 现有光面爆破钻眼设备与爆破器材的选用(1)钻眼设备。在隧道掘进中，钻眼爆破工作是一项主要工序，约占循环工序时间的20%～30%。根据国内目前成熟技术，钻眼采用YT28型气腿式凿岩机。凿岩机配用2m、2.5m、3m、4m、5m、6m五种长度的钎杆，配备直径42mm的一字型钎头。

图1 周边光面爆破孔装药结构Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.科技创新导报2017 NO.29Science and Technology Innovation Herald工程技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald56(2)爆破器材。根据不同岩石强度选用不同爆速的炸药，本工程爆破采用2号岩石乳化炸药，规格为32mm（200g/卷），周边眼连线采用导爆索，起爆器材为1～15段非电毫秒雷管、导爆管和MFB200型发爆器。3.2 围岩级别的分级与钻爆可爆性的判定根据铁路隧道设计、施工规范，现场隧道围岩分级比较复杂，其综合了岩石坚硬程度、岩体完整程度，采用定性划分与定量指标两种方法确定围岩基本分级。另外，光爆的效果不仅与工艺参数有关，而且与围岩质量有紧密关系。现行爆破安全规程、隧道施工技术指南及隧道施工相关文献均指出隧道光面爆破参数（周边眼间距、周边眼抵抗线等）的选取与隧道围岩的坚硬程度、裂隙发育程度等性质有关，并给出了或定性或定量的关系。当断面较小或围岩软弱、破碎或对开挖成形要求较高时，周边眼间距应取较小值。由此可见，在隧道设计轮廓、断面大小固定条件下，迅速确定围岩岩石坚硬程度、岩体完整程度是光面爆破设计的基础工作，对准确选取光面爆破参数具有指导意义。

O1隧道中心90100150120701201201209055709090

5512080

32040

140136033064°73°87°77°90907090120160210 图2 台阶法掘进爆破炮孔布置立面布置图(cm)

图3 掘进爆破炮孔布置剖面图(cm)

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald573.3 光面爆破设计(1)炮眼直径。炮眼直径的大小直接影响钻眼速度、工作面的炮眼数目、单位岩石炸药消耗量、爆落岩石的块度和隧道轮廓的平整性。一般隧道的炮眼直径在32～50mm，并根据钻孔设备选择。本工程钻孔选用YT28气腿式凿岩机，炮眼直径选择42mm。(2)炮眼深度。本工程开挖高度7m，最大炮孔深度为0.6×7=4.2m。按每掘进循环的进尺数来确定： ηlL=式中：L为炮眼的平均深度;l为计划每循环进尺;η为炮眼利用率，一般取0.8～0.95。本工程按η取0.9，计划每循环进尺3m，最大炮孔深度为3.33m。(3)每循环炸药耗量。每循环开挖爆破的炸药耗量一般根据所爆破的岩石体积计算，即由下式给出：Q=qsLη 式中：Q为每一循环炸药耗量，kg;q为炸药单耗，取1.0～1.2kg/m3;s为隧道掘进断面面积，76.9m2;L为掌子面上炮孔的平均深度(孔底至掌子面的距离),m;η为炮孔利用率，一般在0.85～0.95，设计按照0.9计算。计算得每循环爆破的炸药耗量为207～249kg。(4)炮眼数目。炮眼数量主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关，炮眼的多少直接影响凿岩工作量。由开挖断面面积、进尺、炸药单耗计算炮眼总数：τγqsN=式中：N为炮眼数量，不包括未装药的空眼数；q为单位体积岩石炸药消耗量，一般取q=1.0kg/m3;S为开挖断面积，76.9m2；τ为装药系数,取0.43～0.55;γ为每米药卷的炸药重量,1kg/m。计算得炮眼数目为178～140个。(5)周边眼间距。周边眼通常布置在距开挖断面边缘0.1～0.2m处,光爆孔的孔底朝隧道开挖轮廓线方向倾斜3°～5°。当爆孔孔径D为42mm时，周边孔间距E=(10～16)D，即E=42～672cm，E取45～65cm。(6)光爆层厚度W(最小抵抗线)。光爆层厚度就是周边眼最小抵抗线，它与开挖的隧道断面大小有关。一般取炮孔直径的10～20倍，锣鼓山隧道光爆层厚度W=0.5～0.8m。 (7)密集系数。炮眼密集系数也称炮眼邻近系数，它表达了炮眼间距E与最小抵抗线W之间的关系即m=E/W，是光面爆破参数确定中的一个关键值。目前，在工程施工中，光面层厚度的确定，一般情况下，周边眼间距E与光面层厚度W的比值为:m=E/W=0.8～1.0当m>1时，说明E值偏大，W值偏小，爆破时易出现眼间裂缝，周边眼尚未沟通前应力波已传到二圈眼，这样光面眼就变成偏斗爆破；当m=1，即E=W时，爆破时光面眼之间的裂缝形成较好；当m=0.5，即2E=W时，光面层不易爆下来。实践表明m=0.8～1.0时较好。(8)不耦合系数B。炮眼直径与药包直径的比值称为不耦合系数。当不耦合系数B=1时，表示药包与孔壁紧密接触;当B>1时，表示药包与孔壁之间存在着空气间隙。炸药起爆后产生爆炸冲击波和大量的高压爆生体，爆炸冲击波迅速向外膨胀。空气间隔层可以缓冲爆炸冲击波，使其峰值压力大大降低，避免或降低了压缩区的破坏，同时空气间隔层可以延长爆生气体在孔内的膨胀时间。当炮眼直径为32～45mm时,不耦合系数B=1.5～2.0。（9）装药结构。所有炮孔设计采用Φ32mm、长度为200mm的药卷，单卷质量200g，炮孔均采用反向起爆方法引爆孔内炸药，装药前用小直径高压风管将炮眼内石屑吹净，装药需分片、分组按炮眼设计图确定的装药量自上而下进行，雷管要“对号入座”不得混装。所有炮孔均用炮泥堵塞，堵塞长度不小于40cm。周边眼采用导爆索连接间隔装药，相邻周边眼之间采用导爆索连接，以增加不耦合系数和爆破时的缓冲作用，炮孔装药均采用反向装药结构。

图4 现场光面爆破效果图

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald58装药结构如图1所示。(10)光面爆破参数设计取值。按照上述计算分析结合光面爆破参考值，本工程爆破参数设计取值如下：周边眼间距55cm，光爆层厚度70cm，周边眼线装药密度0.33kg/m(见图2和图3)。(11)试爆。周边眼间距、光爆层厚度是影响光面爆破效果的主要因素，因此试爆主要考虑不同周边眼间距和光爆层厚度，现场试爆周边眼间距分别取50cm、55cm、60cm，光爆层厚度分别取60cm、70cm、80cm，分7次进行试爆。爆破效果见图4。3.4 经济性分析(1)时间效益。 光面爆破炮眼数量较多，装药及连线数量增加，累计钻眼及装药延长30min。普通爆破时，为控制超挖量，已形成局部凸起，造成拱架无法安装或侵限，岩石较硬，人工用风镐无法清理，必须进行补炮，每次补炮需90min，按4循环补炮一次，每次需22.5min。爆破面不平整，清理危石需10min。初期支护时拱架安装较快，同时喷射混凝土时超方量较小，累计缩短30min。总体时间缩短约32.5min，加快了隧道施工速度，开挖循环加快。 (2)节省材料。 光面爆破比非光面爆破减少超挖量近12.3cm，即每延米少开挖28.5×0.123=3.5m3。回弹量按20%计算，每延米可减少同标号喷射混凝土超挖回填量约3.5×1.2=4.2m3，节省费用4.2×595.33=2500元，减少超挖的同时还减少了出渣量和炸药施工数量。(3)安全质量效益。光面爆破施工，爆破后面平整，岩石无破损和裂隙，减少了对围岩的扰动，增强了围岩的自承能力，符合新奥法施工原理。在隧道初期支护无拱架地段，开挖面平顺，有利于二次衬砌防水板施工，同时无凸起，防水板施工质量较好，有利于隧道整体防水质量提高。4 结语在现场施工过程中，根据光面爆破设计方案进行光面爆破试验，对周边眼间距、光爆层厚道、密集系数等进行组合调整，寻求最优光面爆破参数组合。现场钻爆施工过程中，通过全炮眼放样、作业台架调整、分区定钻等，有效地控制了炮眼精度，提高了站仪光面爆破效果。杭黄铁路隧道光面爆破施工技术研究，在方便、快捷、准确判定现场围岩级别的基础上，为光面爆破设计参数的合理选取提供依据。参考文献[1] TB10753-2010,高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].[2] 高速铁路隧道工程施工技术指南(铁建设[2010]241)[Z].[3] TB10204-2002，铁路隧道施工规范[S].1.稿件应具有科学性、先进性和实用性，论点明确、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。2.计量单位以国家法定计量单位为准；统计学符号按国家标准《统计学名词及符号》的规定书写。3.所有文章标题字数在20字以内。4.参考文献应引自正式出版物，在稿件的正文中依其出现的先后顺序用阿拉伯数字加方括号在段末上角标出。5.参考文献按引用的先后顺序列于文末。6.正确使用标点符号，表格设计要合理，推荐使用三线表。7.图片要清晰，注明图号。《中外医疗》投稿说明