隧道光面爆破施工技术

凤凰关隧道光面爆破施工技术

1 工程概述

凤凰关隧道出口段位于湖北省武汉至英山高速公路一期土建第9合同段。该隧道双幅全长575m，隧道采用左线、右线分离的双洞单向行车双车道。隧道设计为净跨10.79m，净高7.0m的三心圆曲墙半圆拱，拱部半径为5.5m，边墙半径为8.5m，为特长隧道。隧址区属乌江侵蚀河谷发育的低山峡谷地貌，地形总体呈不规则M形态，最大埋深667.16m，主要出飞仙关组及长兴组地层，岩性主要为灰岩，部分洞身段为泥质灰岩，出口段处于陡岩上，出口段主要由灰岩组成，弱风化，围岩级别高。出口段隧道穿越以灰岩为主，其围岩级别主要为Ⅲ、Ⅳ级，其中Ⅲ级占61%。采用全断面法开挖，锚、喷、网初期支护，全断面复合式衬砌。

2 光面爆破的特点

根据公路隧道“新奥法”施工的需要和工程地质条件，结合施工现场实际情况，决定采用光面爆破施工。光面爆破施工，可以减少对围岩的扰动，增强围岩的自承能力，特别是在不良地质条件下效果更为显著，不仅可以减少危石和支护的工程量，而且保证了施工的安全；由于光面爆破使开挖面平整，岩石无破碎，减少了裂隙，这样可以大大减少超欠挖量。据有关资料统计，光面爆破与普通爆破相比，超挖量由原来的15%～20%降低到4%～7%，不但减少出碴量，而且还很大程度的减少了支护的工作量，从而降低了成本，加快了施工进度。

3 光面爆破方案的确定

目前，大断面隧道光面爆破施工有2种方法：一是预留光爆层法；二是全断面一次性开挖法，根据施工现场的实际条件及本合同段围岩情况，该隧道采用全断面一次性开挖法（图1）。

4 爆破方案设计

4.1 爆破参数的选择

光面爆破参数选择主要与地质条件有关，其次是炸药的品种与性能，隧道开挖断面的形状与尺寸，装药结构与起爆方法。凤凰关隧道出口段主要为III级围岩，全断面法开挖断面的面积为81.86m2，采用2号岩石硝铵炸药，周边眼采用空气间隔装药，其他炮眼采用连续柱状装药，采用火雷管和塑料导爆管孔内微差非电毫秒雷起爆。

严格控制周边眼的装药量，采用合理的装药结构，尽可能使药沿炮眼长均匀的分布，这是实现光面爆破的重要条件。

在光面爆破中，周边眼间距E、最小抵抗线V、相对距系数K、装药密度q是相互制约的。

4.1.1 最小抵抗线（V）

周边眼最小抵抗线与开挖的隧道断面大小有关。在断面跨度大，光爆眼所受到的夹制作用小，岩石比较容易崩落，最小抵抗线可以大些；断面小，光爆眼所受到的夹制作用大，最小抵抗线可以小些。最小抵抗线与岩石的性质和地质构造也有关，坚硬岩石最小抵抗线可小些，松软破碎的岩石最小抵抗线可大些。凤凰关隧道确定最小抵抗线（V）为50～80cm。

4.1.2 相对距系数（K）

相对距系数是周边眼间距（E）与最小抵抗线（V）的比值，是影响爆破效果的重要因素。

K= E/V

式中E为周边炮眼间距，cm；

V为最小抵抗线，cm；

K值总是小于1当E=40～50cm，

V=50～80cm时，K=0.5～1.0。

4.1.3 装药量计算

光面爆破装药量的计算，主要是确定周边光爆孔炮眼装药集中度，即以kg/m表示，一般采用实验方法求得或从同类工程中选取。

q=QaB

式中q—装药集中度，kg/m；

Q—单位体积耗药量，kg/m3；

a—周边眼间距，m；

B—最小抵抗线，m；

通过现场试验和施工经验数据，用计算法进行校核，确定q=0.15～0.25kg/m 。

单位：厘米

图1 全断面开挖炮眼布置示意图

4.1.4 装药结构和起爆方式

光面爆破采用不耦合装药，一般不耦合系数为 1.5～2.0，炮眼装药按装药集中度计算出的药量均匀装入炮眼内。为克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半个标准药卷，使光爆层易于脱离岩体。施工中采用如下（图2）装药结构：①1/2普通标准药卷（?32）起爆；②小直径药卷（?25）空气间隔装药。

导爆管

竹片支架

1/2φ32

起爆药卷

φ25药卷

堵塞物

导爆索

图2 周边眼装药结构示意图

4.1.5 光面爆破的起爆顺序

起爆顺序为：掏槽眼——辅助眼——底板眼——二周边眼——周边眼。采用多段微差起爆（由内向外），其中主爆区的周边眼比辅助眼眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆区使用非电毫秒雷管。光爆眼用导爆索一次同时起爆。

装药量（表1）及光面爆破参数（表2）

全断面开挖爆破装药量表 表1

炸药单耗量：k=0.75kg/立方米。

复式楔形掏槽：槽口尺寸80cm×240cm和120cm×280cm。

周边眼直径：φ42mm，使用小直径药卷φ25mm，装药不耦合系数λ=1.7。

周边眼间距E=45cm，最小抵抗线V=50～80cm，E/V=0.6～0.9，单孔装药量q=0.4kg。

5 施工方法及工艺

5.1 钻爆机具材料

钻孔采用13台YT—28型凿岩机和4台20m3空压机，人工钻孔，钻孔直径为42mm，一字形合金钢钻头。周边眼采用? 25mm小直径药卷，其余炮眼采用? 32mm×200mm2号岩石硝铵炸药。引爆雷管为8号工业纸壳火雷管，爆破网络采用塑料导爆管连接孔内微差非电毫秒雷管起爆，掏槽眼采用跳段雷管以利用扩大掏槽效果。

5.2 光面爆破施工工艺

5.2.1 放样布眼

钻眼前，测量人员用全站仪和水准仪，准确定出隧道中心线和拱顶面高程；用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不得超过5cm；每次测量放线的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳爆破效果。

5.2.2 钻眼要求

掏槽眼：深度、角度按设计施工，眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5cm。

辅助眼：深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不大于5cm。

周边眼：开眼位置在设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm；周边眼外斜率不得大于5cm/m，眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。内圈眼至周边眼的排距，误差不得大于5cm；炮眼深度超过2.5m时，内圈眼与周边眼宜采用相同的斜率。钻眼装药率调整，当开挖面凹凸较大时，应按实际情况

调整炮眼深度并相应调整装药量，力求所有炮眼（除掏槽眼外）眼底在同一垂直面上。钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，有不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后，方可装药爆破

5.2.3 炮眼布置要求

（1）先布置掏槽眼，其方向在岩层层理明显时应尽量垂直于层理，掏槽眼应比其他眼加深20cm。

（2）周边眼严格按设计开挖轮廓线布置，在硬岩层中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线上，眼底超出轮廓线小于10cm；在软岩中，周边眼的眼口在断面设计轮廓线内小于8cm，眼底落在轮廓线上。

（3）辅助眼均匀分布的原则布置。

5.2.4 孔口堵塞长度

已装药的炮眼应及时用炮泥堵塞、密封，周边眼的堵塞长度不宜小于20cm，其余炮眼的堵塞长度不宜小于35cm，且堵塞密实，严禁用纸箱等易燃物进行堵塞。

5.2.5 清孔装药

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，堵塞长度周边眼不小于20cm，其它眼不小于35cm。周边眼采用小直径药卷配导爆索，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。

5.2.6 连接起爆网络

起爆网络采用复式网络，以保证起爆的可靠性和准确性。导爆管采用四通管连接，不能打结和拉伸，各类炮眼雷管连接段数相同。引爆雷管应用绝缘胶布包扎在离一根导爆管自由端15cm处，聚能穴背向传爆方向，网络连好后要有专人负责检查后再起爆。

5.2.7 光面爆破施工技术措施

（1）对所有爆破作业人员进行岗前培训，使他们充分了解光面爆破的重要性及一些有效可行的施工方法，以提高操作熟悉程度。

（2）选用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威力大的2号岩石硝铵炸药。

（3）用不耦合装药结构，光面爆破不耦合系数为1.5～2.0，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定传爆。

（4）严格掌握与周边眼相邻的内圈眼的爆破效果，为周边眼爆破创造临空面。炮眼深度大于2.5m时，内圈眼应与周边眼有相同的外插角，周边眼应尽量同时起爆。

（5）控制周边眼装药集中度，必要时采取间隔装药结构，为克服眼底岩石的夹制作用，可在眼底加强装药。

（6）当岩石层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面，如节理发育，炮眼应尽量避开节理，以防卡钻和影响爆破效果。

6 光面爆破实施效果与经济效益

6.1 光爆效果

凤凰关隧道开挖掘进工作已接近尾声，隧道开挖全部实行光面爆破，除开始的试验段外，现已开挖地段光爆效果良好。

6.1.1 爆破后周边炮眼痕迹保存率达80%～90%，两茬炮衔接台阶最大尺寸为8cm，超欠挖量仅为5%左右，比非光面爆破的超欠挖量（达20%）要低得多。

6.1.2 岩碴块度较小亦均匀，利于装碴，节省装运时间。

6.1.3 减少支护投入，降低工程造价。

6.1.4 岩面平整，应力集中小，减少安全隐患。

6.2 经济效益

6.2.1 节省时间：光面爆破施工钻眼及装药延长20min，清理危石或补炮缩短20min，初期支护缩短20min，装碴及出碴缩短20min，并方便了后续工作的施工。

6.2.2 节省材料：光面爆破比非光面爆破减少超挖量15%，按现行规范标准平均超挖值为10cm，即每延米少开挖约2.0m3。减少同标号喷射混凝土超挖回填量约2m3，同时也节省了火工品和因非光面爆破所造成的围岩破碎所需锚杆、钢筋网等初期支护的工程量。