隧道工程爆破基础知识

隧道工程爆破基础知识

一、爆炸

1.爆炸的定义

爆炸是某一物质系统在有限空间和极短时间内，大量能量迅速释放或急骤转化的物理、化学过程。在这种变化过程中通常伴随有强烈放热、发光和声响等效应。

2.爆炸分类

根据爆炸产生的原因及特征，爆炸现象可分为3类：物理爆炸、化学爆炸、核爆炸。

3.炸药爆炸

炸药爆炸是一种化学爆炸，炸药爆炸时应具备3个条件，这3个条件相辅相成、缺一不可，称为炸药爆炸的“三要素”即：化学反应过程大量放热，反应过程极快，生成大量的气体。其中热是作功的能源，如果没有足够的热量放出，自身又不能供给继续变化所需的能量，化学变化就不可能自行传播，爆炸过程就不能产生。而高速的化学反应，可忽略能量转换过程中热传导和热辐射的损失，在极短的时间内完成爆炸过程。另外炸药爆炸时所生成的气体产物是作功的源泉，炸药爆炸对爆破对象所作的机械功就是由可压缩性和膨胀系数很大的气体产物产生的。

二、爆破作用的基本原理

1.爆破破岩理论简介

炸药在爆破对象内爆炸，形成对周围介质的作用称为爆破作用。

当药包埋置深度不大、接近地表时，药包爆破除了使岩石破裂和振动外，被破裂的岩块由于碎胀而在地表隆起，或被抛离地表并形成一个爆破坑----爆破漏斗。爆破作用已显现在地表，这种情况叫做爆破的外部作用。

（2）有关爆破外部作用的术语

1）自由面

自由面又叫临空面，通常是指被爆岩石与空气的交界面，也是对爆破作用能产生影响并能使爆后岩石发生移动的岩面。

自由而的数目、自由面的大小、自由而与炮孔的夹角以及自由面的相对位置等，都对爆破作用产生不同程度的影响。自由面越多，爆破破岩越容易，爆破效果也越好。当岩石性质、炸药品种相同时，随着自由面的增多，炸药单耗将明显降低。

―般来说，随着自由面面积的增加，岩石爆破夹制作用将变小，这有利于岩石的爆破。当其他条件不变时，炮孔与自由面的夹角愈小，爆破效果将愈好。炮孔方向垂直于自由面时，爆破效果最差；炮孔方向与自由面平行时，爆破效果最好。另外，能否利用岩石的自重下落亦对爆破效果有影响。

2）最小抵抗线与底盘抵抗线

最小抵抗线是指爆破时岩石产生抵抗力（阻力）最小的方向。工程爆破中，通常将药包中心或重心到最近自由面的最短距离称为最小抵抗线，一般常用W表示。

最小抵抗线代表了爆破时岩石阻力最小的方向，所以在此方向上岩石运动速度最高，爆破作用最集中。因此最小抵抗线是爆破作用的主导方

向，也是岩石移动的主导方向。

底盘抵抗线是指台阶炮孔爆破时，坡底线与炮孔中心线之间的水平距离。它是决定前排炮孔装药量及爆破时有无根底的重要参数。

3）爆破漏斗

爆破漏斗由下列要索构成（见图3-3）

①爆破漏斗半径r。表示爆破破坏在自由面上范围的大小。

②最小抵抗线W。在自由面为水平的情况下，它近似于药包的埋置深度

③漏斗破裂半径R。爆破漏斗的侧向边线长，表示爆破作用在自由面以下的破坏范围。

④漏斗可见深度P。药包爆破后，一部分岩块被抛掷到漏斗以外，一部分又回落到漏斗内.形成一个可见漏斗。从自由面到漏斗内岩块堆积表面的最大深度，就叫漏斗可见深度。

⑤漏斗张开角θ。即爆破漏斗的锥角，它表示漏斗的张开程度。

4）爆破作用指数n及爆破漏斗的分类

在岩石性质和爆破条件一定，当装药量不变而改变药包的埋置深度，或药包埋置深度固定不变而改变装药量时，都可发现爆破漏斗的尺寸和爆破作用性质发生变化。这种变化可用爆破漏斗半径r与最小抵抗线W

的比值来表示，此比值称为爆破作用指数，用n=r/W 表示。当n发生变化时，爆破作用性质，爆破漏斗的大小，破碎岩块的抛掷量和抛掷距离都将发生变化。所以，根据n的不同，可将爆破作用性质和爆破漏斗进行如下分类（如下图）

各种爆破漏斗

a-标准掷爆破漏斗，b-加强抛掷爆破蒲斗，c-减弱抛掷爆破漏斗，d-松动爆破漏斗

①标准抛掷爆破漏斗。当爆破作用指数n=1时，药包爆破后即可形成标准抛掷爆破漏斗。此时，漏斗中的岩石不仅全部被破碎，而且有相当数量的岩块被抛掷到漏斗以外，出现了明显的漏斗坑，且漏斗半径r 等于最小抵抗线W，漏斗张开角等于90。形成这种标准抛掷爆破漏斗的爆破作用，称为标准抛掷爆破。

②加强抛掷爆破蒲斗。当1?n?3时，药包爆破后漏斗中的大部分岩石将被抛掷到漏斗以外，所形成的漏斗半径r大于最小抵抗线W，漏斗张开角θ也大于90，这种漏斗称为加强抛掷爆破漏斗，形成这种漏斗的爆破作用叫做加强抛掷爆破。

③减弱抛掷爆破漏斗。当0.75?n?1时，药包爆破后所形成的漏斗的底圆半径r小于最小抵杭线W，漏斗张开角θ也小于90，漏斗范围的岩石遭受到破坏，而且有少部分岩块被抛掷到漏斗以外，出现深度不大的漏斗坑。这种漏斗称为减弱抛掷漏斗，或加强松动爆破漏斗。其爆破作用叫减弱抛掷爆破或加强松动爆破。

④松动爆破漏斗。当爆破作用指数0.4?n?0.75时，药包爆破后只是使漏斗范围内的岩石破碎，基本上没有抛掷作用，在水平地表上只看到鼓包现象，而看不到爆破漏斗，这样的漏斗称为松动爆披漏斗，其爆破作用叫做松动爆破。松动爆破由于装药量较小，爆堆比较集中，几乎不产生飞石，因此在工程爆破中，使用比较广泛。

由此可见，爆破作用指数n反映着爆破作用的性质。在工程爆破中，可通过选择适宜的n 值来控制爆破作用的性质，从而达到预期的爆破目的。

4.爆破效果的影响因数

影响爆破效果的因素很多，除爆破对象的因素外，还有以下因素：炸药因素、装药结构、爆破参数、爆破工艺。

三、常用的爆破器材

1.炸药

（1）炸药的分类

①按炸药应用范围和成分分类，可将炸药分为起爆药和猛炸药。

起爆药：感度高，反应速度快，主要用作雷管装药。如二硝基重氮酚(DDNP)，雷汞，叠氮化铅等。

猛炸药：感度适中，用雷管可以引爆，起爆威力大。猛炸药又可分成单质炸药和混合炸药等。工业上常用的单质炸药有梯恩梯TNT、黑索金RDX、太安PENT、奥克托金NMX等；工程爆破中常用的硝铵类炸药属混合炸药。

②按炸药使用条件分类，第一类是煤矿安全炸药、第二类是岩石炸药、第三类是露天岩石炸药。

③按照炸药的主要化学成分分类，按照炸药的主要化学成分分类又可将工业炸药分为硝铵类炸药，硝化甘油类炸药，芳香族硝基化合物类炸药。

④常用工业炸药，铵油炸药、膨化硝铵炸药、乳化炸药、水胶炸药，我们工地上常用的炸药为乳化炸药。

⑤乳化炸药

乳化炸药具有抗水性，主要成分有：氧化剂水溶液，碳质燃料，敏化物质和乳化剂。其中氧化剂由硝酸铵和硝酸钠组成。乳化剂的作用是将油、水两类互不相溶的物质经过乳化作用而形成油包水型的混合整体。敏化剂起敏化炸药、提高感度的作用。

根据包装形式和产品形态可将乳化炸药分为5种：药卷品、袋装品、散装品、乳胶液产品等。

乳化炸药优点：

a、抗水性能强，在水中放96小时其爆炸性能基本不变；

b、爆炸性能好,临界直径为12～16毫米；

c、机械感度低，安全性好；

d、起爆感度适当，可用8号雷管直接起爆；

②殉爆

当炸药（主发装药）发生爆轰时，由于冲击波的作用引起相隔一定距离的另一炸药（被发装药）爆轰的现象称为殉爆。

2.雷管

雷管有火雷管、电雷管、非电雷管（导爆管雷管）、电子雷管。目前火雷管已淘汰不用了（2008年6月30日后停止使用火雷管），主要用到的是延期电雷管、导爆管雷管，目前市场也在推广应用电子雷管，但由于

成本较高（约20元/发）推广阻力较大。

毫秒延期电雷管结构

导爆管雷管

电子雷管

3.导爆材料

目前用到的导爆材料主要有导爆索（俗称红线）、塑料导爆管。

4.起爆器材

电子雷管有专用的起爆器材（详见“数码电子雷管使用说明”视频）。

1—掏槽眼；2—辅助眼；3—周边眼

（1）掏槽眼。针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点，为提高爆破效果，宜先在开挖断面的适当位置（一般在中央偏下部)布置几个装药量较多的炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创造新的临空面。隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽。

三级复式楔形掏槽（也称“V”型掏槽）

炮眼与开挖面间的夹角α、上下两对炮眼的间距a和同一平面上一对掏槽眼眼底的距离b，是影响此种掏槽爆破效果的重要因素。

）辅助眼。位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。其作用是利用掏槽眼爆破后创造的平行于炮眼的自由面，扩大掏槽眼炸出的槽腔，大大改善爆破条件，为周边眼爆破创造临空面。

）周边眼。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼，其作用是炸出较

①先布置掏槽眼，其次是周边眼，最后是辅助眼。掏槽眼一般应布置在开挖面中央偏下部位，其深度应比其它眼深15cm～20cm。为爆出平整的开挖面，除掏槽和底部炮眼外，所有掘进眼眼底应落在同一平面上。底部炮眼深度一般与掏槽眼相同。

②周边眼应严格按照设计位置布置。断面拐角处应布置炮眼。为满足机械钻眼需要和减少超欠挖，周边眼设计位置应考虑0.03～0.05的外插斜率。并应使前后两排炮眼的衔接台阶高度（即锯齿形的齿高）最小为佳。此高度一般要求为10cm左右，最大也不应大于15cm。

③辅助眼的布置主要是解决炮眼间距和最小抵抗线的问题，这可以由施工经验决定，一般抵抗线W约为炮眼间距的60%～80%，并在整个断面上均匀排列，当采用2号岩石铵梯炸药时，W值一般取0.6m～0.8m。

④当炮眼的深度超过2.5m时，靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角。

⑤当岩层层理明显时，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。

3.光面爆破

（1）定义

光面爆破（smooth blasting）：是一种控制硬质岩体开挖轮廓线，使之光滑、平整，通过一系列措施对开挖轮廓周边实施正确的钻眼和装药，并使周边眼最后起爆的爆破方法。光面爆破是通过正确确定爆破参数和施工方法，在设计断面内的岩体爆破崩落后，才爆周边孔，使爆破后的围岩断面轮廓整齐，最大限度地减轻爆破对围岩的扰动和破坏，尽可能地保持