牛郎河隧道光面爆破设计及应用

牛郎河隧道光面爆破设计及应用
周伯倩
（隧道局一处）
摘要：本文介绍了晋焦高速公路牛郎河隧道光面爆破的设计参数及技术措施。

可供同类工程参考。

关键词：隧道光面爆破设计参数
晋焦高速公路隧道密布，在众多隧道施工中普遍推广光面爆破，这种典型的施工方法，创造了巨大的经济效益和社会效益，现就牛郎河隧道光面爆破开挖设计与应用谈点笔者体会，希望能与同行者一起探讨，以达到抛砖引玉的目的。

1.牛郎河隧道光面爆破设计
牛郎河隧道地质复杂，围岩差别较大，主要以Ⅲ类为主，现遵照Ⅲ类围岩断面进行设计。

Ⅲ类围岩开挖面积89.27m2，拱墙开挖周长21.8m。

1.1炮眼布置
掏槽眼采用楔形（如图1），眼数布置10个，眼距1.1m，眼底间距0.3m，水平角82°52′，深2.8m。

图1 楔形掏槽
辅助眼（工地又称“二槽”）布置在掏槽眼与周边眼之间，眼间距1.0m 炮眼与工作面垂直布设。

其中掏槽眼附近布设一圈扩槽眼，与掏槽眼间距0.6m、眼深2.6m，水平角82°。

炮眼布置：先布设一圈内圈眼，再在设计开挖线上布设周边眼（如图二），最小抵抗线W=0.65m，周边眼间距E=0.55m，相对距离K=E/W=0.85。

图2 光面层布眼示意图
说明：W取65cm，E取55cm。

内圈眼及周边眼的炮眼轴线均与隧道纵轴线保持平行，眼深2.5m。

底眼沿隧道底板平行布设，眼深2.5m，眼距0.8m。

1.2爆破设计
光爆药卷选用2号岩石销铵炸药，药卷规格25×200mm，炸药密度0.98g/cm3，爆速3000~3200m/s。

炮眼采用气腿式YT-25凿岩机钻眼，钻头直径φ42mm，固而采用不耦合装药结构，不耦系数α=42/25=1.68。

起爆器材采用非电毫秒延期雷管，延期雷管选用5、6、7、9、10、12、14、15等8个段别。

掏槽眼、扩槽眼、辅助眼、底眼均采用连续装药结构，装药集中度分别为0.85kg/m、0.8kg/m、0.7kg/m、0.8kg/m，内圈眼及周边眼采用间隔装药，装药集中度分别为0.3kg/m、0.2kg/m。

按设计每个断面炮眼数140个，炮眼总长度354.44m，计算总炸药量182.49kg。

起爆顺序为：掏槽眼——扩槽眼——辅助眼——内圈眼——周边眼——底眼（详见表1及图3）。

图3 牛郎河隧道全断面开挖爆破设计炮眼布置图
说明：1、图中尺寸以cm计。

2、5、6、7……代表毫秒雷管段别,各雷管爆序与炮眼名称见表一。

2. 光面爆破技术措施
周边眼爆破对光面成型起到决定性作用，为此，必须落实光面爆破的技术措施：
(1)合理布置周边孔，周边孔孔距较小，常用E=400~700mm，即采用周边密孔法；
周边孔孔位应精确，外插应小于100mm，外倾角应小于4~5°；最小抵抗线W=400~800mm，布孔时应严格掌握好周边孔密集系数K=E/W，通常K=0.8~1.0，弯曲处可取K=1，岩石较破碎时，可取K=0.5，难爆韧岩取K≥1。

(2)合理安排开挖顺序。

可用多段微差爆破，光面层最后爆，以克服夹制作用。

(3)合理选用炸药品种和装药结构。

应采用猛度低、威力适当的炸药，例如岩石炸药、
铵油炸药等。

由于周边孔密，光爆装药结构应用不耦合装药，不耦合系数α=d/d。

（d—孔径，d。

—药卷直径），一般取2~3时，光面爆破效果较好。

每延米装药量较小，一般不大于0.15~0.25kg/m，即只用通常装药量的1/3到1/4即可。

还要考虑使炸药在整个光面孔内均匀分布，不使炸药集中孔底，以免引起岩石“鼓包”现象（如图4），所以宜采用间隔装药（如图5）。

图4 岩石“鼓包”现象图5 周边眼装药结构
(4)保证周边孔同时起爆。

起爆的同时性十分重要，孔距较小的炮孔同时起爆，在两孔相
邻处，其应力波相遇时，可形成叠加应力，它主要是垂直于两药包中心边线方向上的合成拉应力。

由于岩石抗拉强度极小，合成拉应力在炮孔中心连线（即巷道轮廓线）方向上首先产生裂隙而破坏，形成平整的破坏面，而其余方向上因裂隙来不及扩展，破坏作用微弱。

若周边孔不同时起爆就得不到叠加应力，从而加大了岩壁的不平整度。

(5)合理调整光面爆破参数。

由于隧道围岩难于定量预测，围岩类别变化较大，在实际施工中采取动态管理爆破设计，根据不同的围岩类别及时调整爆破参数，显得尤为重要。

针对不同围岩的状况提供爆破参数如表2。

3. 光面爆破应用
光面爆破对围岩的扰动、破坏较轻（特别是在软弱围岩中利于自稳），并能给锚喷支护提供平顺的岩面而利于安全质量，应大力提倡。

光面爆破应根据岩石和选用的炸药，经试验确定爆破参数，准确掌握划线布眼，平行钻眼，装药结构和起爆方式等重要环节。

(1)布眼：由于周边眼的连线就是爆破后的开挖轮廓线，因此必须准确放样画线布眼，施工中一般用经纬仪、水平仪测出中线、水平，再用“五寸台”法画线布眼，这种方法在牛郎河隧道开挖中普遍采用。

其特点是简便易行，但效益低、精度差。

今后应尽可能采用激光导向仪和进一步研制幻灯式布眼机布眼。

测量人员应根据设计施工图，精确划出开挖轮廓线，在开挖轮廓线上按相应的距离且均匀的布设周边眼。

(2)平行钻眼：由于光爆需要多个炮眼联合作用，故多个炮眼轴线保持平行是很重要的，务使凿岩机尽量紧贴岩壁，顺帮打眼，可在已打好的眼中插入炮棍作为平行标志，以便掌握方向。

(3)正确的装药结构和准确起爆。

将硝铵炸药加工成小直径药卷，同一断面开挖分成两种装药结构装入相应的炮眼中。

周边眼及内圈眼采用空气间隔装药，按照爆破设计将药卷连同导爆索均匀绑扎在已加工好的竹篾上，利用炮棍装入炮眼，并达到设计深度。

其余炮眼采用连续装药。

将粘土作为炮泥堵塞炮眼口，堵塞长度不得小于30cm。

在现有的起爆器材中，只能使用同类别的毫秒雷管或导爆管毫秒雷管，还可以采用导爆索起爆。

而火雷管和秒差电雷管由于秒量误差较大，不能用于光爆。

(4)周边眼宜同时起爆。

所有周边眼采用同一段别的毫秒雷管，相邻起爆时间误差值不得大于0.1s（即100ms）。

当软岩隧道需要对爆破震动加以控制时，方可分组起爆。

4.经济效益测算
经现场施工测算，按上述光面爆破开挖与非光面爆破施工对比，每掘进一延米（80~90m2断面）的隧道（III类）：
(1)节省时间约35分钟。

光爆施工钻眼及装药需延长20分钟，通风缩短约5分钟，清理危石缩短约5分钟，初期支护缩短约15分钟，装碴及出碴缩短约20分钟。

后期挂防水板及二次衬砌约缩短10分钟。

(2)节省材料费用估计1768.98元。

光爆施工比非光爆施工减少超挖量15%，按现行的规范规定平均超挖值150mm计算，每延米开挖减少方量为21.8m×0.15m×15%=0.491m3，为达到防水板设置所需的平整岩面（严防岩面尖凸不平，后期衬砌受力将防水板刺破损坏，达不到隧道防水要求）相应喷砼处理，增加初喷数量0.491 m3砼,按合同单价计算(开挖石方为136.65元/ m3, 喷砼为924.91元/ m3), 每延米节省造价为0.491×136.65+0.491×924.91=521.23元。

非光面爆破并不比光面爆破节省炸药等火工品，而相应增加了围岩破碎所需钢支撑、锚杆等初期支护工程量，按现场测算，增加费用1247.75元(即增加锚杆量为5根×3m/根×2.98kg/m×14.29元/kg=638.76元；减小格栅拱架间距1/4，增加设计数量为416.40kg/榀×1/4×5.85元/kg=608.99元等)。

按1、2项计算，牛郎河左右线隧道共计长7850延米，单因光面爆破开挖一项，预计节省开挖时间90天（按每天24小时作业计算），缩短工期1.5个月（按四个单口开挖核算）。

5. 爆破成果综述
经过精心爆破设计，严密的施工组织，多次试验，光面爆破在牛郎河隧道应用非常成功。

(1)爆破后炮眼痕迹保留率达到：硬岩≥80%，中硬岩≥70%，软岩≥50%，两茬炮衔接台阶最大尺寸小于15cm，超欠挖量仅为5%左右，比非光面爆破超欠挖量（达20%左右）要低得多。

(2)岩碴块度均匀且较小，利于装碴，节省了装运时间。

(3)减少支护投入节约了工程造价，缩短了清理危石、衬砌支护等工序作业时间。

(4)新暴露的岩面稳定可靠，不产生或少产生爆震裂隙，不降低原岩的承载能力，应力集中小，施工安全，并节约了支护费用。

(5)新岩壁光滑平整，通风阻力小，改善了地下作业条件提供了防水板铺设的光滑岩面，确保隧道防、排水施工质量，二次衬砌砼厚度均匀，工程结构合理，延长了隧道的使用寿命。

通过牛郎河隧道光面爆破的应用，已得到了各级管理人员的肯定和广泛的社会赞誉，同时取得了较大的经济效益和社会效益。