光面爆破在纱帽山隧道开挖中的应用

光面爆破在纱帽山隧道开挖中的应用更新时间：2007-9-616:26:23中国中铁二局机筑公司杨经伟摘要采用光面爆破与普通爆破相比，具有开挖面光滑平整，减少超欠挖，保持围岩的完整性等优点。本文根据光面爆破理论给出了光面爆破设计参数的计算过程以及在纱帽山隧道中的应用。关键词光面爆破隧道开挖推广应用1.工程概况辽宁中部环线本辽高速公路纱帽山隧道位于辽阳市三星村与游击沟之间。隧道采用分离式隧道结构型式，隧道右线长1520米，左线长1511.7米，属于长隧道。隧道断面为三心圆，净空（单洞）为10.25m×5.5m。洞身穿越地段按围岩分级划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占18%，Ⅲ级围岩占82%。Ⅲ级围岩主要为石英砂岩和变粒岩，节理裂隙局部发育，有少量的软弱结构面，围岩较完整，稳定性好，岩石强度为30～40MPa，地层变化大，有多种岩性岩石强度为10～20MPa。该隧道开挖主要采用钻爆开挖技术，其中Ⅲ级围岩采用全断面开挖技术。为有效控制开挖轮廓，减少超欠挖，减小对围岩的扰动，Ⅲ级围岩开挖决定采用光面爆破设计。2.光面爆破设计参数的合理确定确定合理的光爆参数[1]，[2]，是获得良好光面爆破效果的重要保障。由于工程地质条件和施工条件的千变万化，光爆参数的选择应根据经验初选参数，再通过现场试验来确定。2.1炮眼直径db炮眼直径应考虑炮眼利用率、打眼工作效率、围岩稳定等因素。采用小直径炮眼（24～48mm），能提高凿岩速度，使开挖面轮廓整齐，减轻对围岩的破坏。对于隧道开挖，常用的炮眼直径为32～45mm。2.2周边眼间距b周边眼间距和最小抵抗线是光面爆破的两个重要参。一般原则：软岩和层理节理发育的岩层上，眼距应小而抵抗线应大，在坚硬稳定的岩层上，眼距应大，抵抗线应小些。隧道跨度较小时，眼距应适当减小，反之加大。隧道开挖施工爆破可按式（1）确定周边眼距b。b＝(8～18)db(1)2.3最小抵抗线W最小抵抗线即光面层的厚度，光面爆破效果的好坏，除受周边眼距和周边装药结构的参数的影响外，更主要受最小抵抗线的影响，光面层厚度不仅影响周边眼裂纹的形成，而且还影响光面层的破碎和开挖后隧道围岩的稳定。因此，确定合理的光面层厚度，对提高光面爆破有积极的作用。光面层厚度可以用以下公式来确定V=Q/(cqbL)(2)式（2）中Q为光面炮眼的装药量；b为炮眼间距；L为炮眼深度；cq为爆破系数，相当于单位装药量，对于f=4～10的岩层，cq值的变化范围为0.2～0.5kg/m3。2.4炮眼密集系数m炮眼密集系数也称炮眼临近系数，它表达了炮眼间距b与最小抵抗线W之间的关系，即m=b/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，一般情况下，m=b/W=0.8～1.0。当m1时，说明b值偏大，w值偏小，爆破易出现间隙裂缝，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b=W时，m=1。爆破时光面眼之间的裂缝形成较好。当m=0.5时，即2b=W,光面层不易爆下来，实践证明m=0.8～1.0时，开挖面平滑，与设计轮廓线基本一致。图1周边眼间距与最小抵抗线概念图有关地下工程光面爆破参数如表1[2]所列：表1光面爆破参数岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb(Mpa)装药不偶合系数E周边眼眼距b(mm)周边眼最小抵抗线W(mm)相对眼距b/W周边眼装药集中度q(kg.m-1)硬岩〉601.25～1.50550～700700～8500.8～1.00.30～0.35中硬岩30～601.5～2.00450～600600～7500.8～1.00.20～0.30软岩≤302.00～2.50300～500400～6000.5～0.80.07～0.152.5装药量光面炮眼的装药量可按下式确定：Q＇=qb*W*L(3)式（3）中q为按定额确定的单位炸药消耗量，kg/m3；L为光面炮眼的平均深度，m；其它符号同前。线装药密度：qL=Q＇/L=qbW(4)2.6不偶合系数E炮眼直径与药包直径的比值称为不偶合系数。当不偶合系数E=1时，表示药包与孔壁紧密接触。当E1时，表示药包与孔壁之间存在着空气间隙。当药包与孔隙之间存在着空气间隙时，爆破将在间隙中衰减很多，导致作用孔壁的冲击压力大为减少，从而减少了传递给岩面的爆炸能量。因此，在实际施工中主要采取不偶合装药结构来实现控制爆破。当炮眼直径为32～45mm时，不偶合系数E=1.5～2.0。2.7光面炮孔的布置2.7.1掏槽眼布置掏槽眼位置一般布置在开挖断面的中下部，采用直眼螺旋掏槽布孔形式，即在开挖断面掏槽位置设置一空孔，各装药炮孔以空孔为中心呈螺旋状布设，距离依次递增，装药段位依次递增，顺序起爆，槽腔体积依次扩大。对岩质强度较大的岩石，可增加空孔数量以加大自由面及补偿空间体积。采用斜眼掏槽布孔形式取两对相对的炮孔，中间设一个或多个空孔作为装药爆破的辅助自由面，爆破形成锥形空间。每对孔底距取20～30cm,炮孔角度取60°～75°。图2掏槽孔布置形式说明：1.〇为空孔●为装药孔2.数字1、2、3、4表示起爆雷管段数3.单位为cm2.7.2周边孔和辅助孔的布置周边孔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面方向外侧倾斜4°～5°，在Ⅲ级围岩钻孔时，孔底可紧贴甚至稍稍超出轮廓线位置，周边眼的间距Ⅲ级围岩约0.5～0.6m。辅助孔根据设计的炮眼数目，均匀地布置在掏槽眼与周边眼之间的范围内，同时满足周边眼最小抵抗线要求，钻孔方向垂直于隧道开挖面2.7.3底板眼布置底板眼爆破主要用于形成隧道底板轮廓。施工过程中通常采用增加药量、减少堵塞长度等措施，以保证底眼爆破强度，产生翻碴作用，以便出碴作业。2.8光面爆破炮眼数目的计算由于光面爆破的周边眼距小，周边眼装药量少，因此，根据这一特点求出周边眼数目，然后按平均装药量原则计算出其它炮眼数目。2.8.1周边眼数目N1N1=(BL-B)/b+1(5)式（5）中B为隧道掘进宽度，m；b为周边眼平均间距，m；BL为隧道掘进周长，m,BL可按式（6）近似计算BL=c(6)式(6)中S为隧道掘进断面面积；c为断面形状系数，对于拱形隧道c=3.862.8.2掏槽眼、辅助眼和底板眼数目N2N2值按一次爆破所需要的总药量减去周边眼装药量，使剩余的药量平均分配在N2内来计算。N2=(Q-N1LqL)/Q0(7)式（7）中，Q为按定额确定的一茬炮所需的总装药量，kg；Q=qsLη(8)式（8）中，qL为周边眼每米装药量，kg/m；q为按定额确定的单位炸药消耗量，kg/m3。硬岩全断面开挖时，q取值范围为0.9～2.0；η为炮眼利用率，取值范围为0.80～0.95；Q0为除周边眼外，每个炮眼内的装药量，kg。Q0=LkQL/l(9)式（9）中，K为装药系数，采用直眼掏槽时k=0.8～0.9,采用斜眼掏槽时，k=0.7～0.8；QL为每个药卷的重量，kg，l为每个药卷的长度，m。2.8.3工作面的总炮眼数目NN=N1+N2（10）3.纱帽山隧道Ⅲ级围岩爆破参数的确定3.1光面爆破孔直径及炸药药卷规格本隧道钻孔采用YT-28式气腿式凿岩钻机，孔径约为38-42mm。光面爆破周边眼采用φ25mm×200mm乳化炸药，其它炮眼采用φ32mm×200mm2#岩石硝铵炸药,炸药爆速2600m/s～3000m/s。本隧道S=96.53m2，B=11.84m；根据现场情况，循环进尺取L=3.0m；根据表１，Ⅲ级围岩取b=60cm，W=70cm。3.2周边眼数目的确定按(6)式，BL=c=3.86×=37.92m按(5)式，N1=(BL-B)/E+1=（36.16-11.84）/0.6+1=44个；3.3掏槽眼、底板眼和辅助眼数目；根据工程类比经验，本隧道为中硬岩，取q=1.4kg/m3；按(9)式，Q0=LkQL/l=3.0×0.8×0.15/0.2=1.8kg；按(8)式，Q=qsLη=1.4×96.53×3×0.95=385.15kg；按(7)式，N2=(Q-N1LQL)/Q0=(385.15-44×3.0×0.20)/1.8=200个3.4炮眼布置掏槽眼采用直眼螺旋掏槽布孔形式，药卷直径为32mm，起爆雷管选用国家Ⅱ系列15段非电毫秒雷管，周边孔布置在距开挖断面边缘0.1m处，间距约0.6m，辅助眼间距为0.7m,底板眼紧贴隧道底部轮廓，适当增加装药量。具体炮眼布置见下图：图3Ⅲ级围岩炮眼布置图(单位:cm）3.5装药结构周边眼装药采用径向不偶合间隔装药结构，不偶合系数为1.6。装药方式为，将炸药以等间距15cm～20cm系于竹片上，竹片贯穿整个炮孔，竹片长度略长于孔深，以便于安装。导爆索系于竹片内侧，连接炸药起爆。孔口用炮泥堵塞。光面爆破装药结构见下图：图4光面爆破装药结构图掏槽眼、辅助眼及底板眼装药按照普通爆破要求装药即可。3.6装药参数装药参数见下表：表2Ⅲ级围岩装药参数炮孔类型起爆顺序（段号）炮孔个数孔深（m）单孔装药量（kg）同类型装药量（kg）装药长度（m）堵塞段长度（m）装药结构掏槽孔1、2、3、443.22.082.60.6连续辅助孔553.01.892.40.6连续辅助孔793.01.816.22.40.6连续辅助孔9173.01.830.62.40.6连续辅助孔11263.01.846.82.40.6连续辅助孔13、15703.01.81262.40.6连续周边辅助孔17463.01.673.62.10.9连续周边眼19443.00.626.42.250.75间隔底板眼21233.22.0462.60.6连续表3隧道爆破综合技术参数围岩级别开挖断面（m2）开挖进尺(m)爆破方量(m3)炮眼总数(个)雷管用量（个）炸药总量(kg)炸药单耗(kg/m3)Ⅲ96.533.0275.1244214382.61.39表4光面爆破技术参数围岩级别装药不偶合系数周边眼眼距（cm）周边眼最小抵抗线W（cm）相对距离E/W周边眼装药集中度（kg/m）Ⅲ1.6860700.850.204.光面爆破的质量标准目前，国内尚无鉴别光面爆破质量的统一标准，可根据工程种类和围岩条件，定出相应得标准。一般来说，光面爆破应达到以下标准。4.1开挖轮廓尺寸基本符合设计要求，欠挖不大于50mm，超挖不得大于150mm，壁面不平度小于150mm。4.2爆破后壁面上保留的半眼孔痕率为：坚硬岩且完整性好的岩石≥80%,中等强度的岩石≥65%，软岩或节理发育的岩石＞５０％。4.3爆破作用对周围岩体破坏轻微，壁面无明显的爆破裂隙。无松软破碎的岩体，无大的危岩浮石。5.光面爆破在纱帽山隧道取得的成果纱帽山隧道光面爆破设计经过近一个月的不断实践和改进，取得了初步的成果：5.1.开挖断面规则成型，工作效率提高。Ⅲ级围岩的平均超挖量＜100mm，最大超挖量＜250mm，局部欠挖＜50mm。5.2炮眼半眼孔痕率＞90%，爆破后围岩稳定，基本无剥落现象，爆破震动波影响轻微。5.3两次爆破衔接台阶最大尺寸＜150mm。5.4爆破石碴块度＜300mm，碴堆集中，抛距＜20m。图5纱帽山隧道Ⅲ级围岩爆破效果图6.施工中的体会6.1根据围岩的变化情况，及时调整光爆参数。对同级围岩，根据其结构特征，破碎程度等不同情况，分别选取不同的光爆参数，可获得较理想的爆破效果。在隧道施工中，同一隧道不同地段常有岩石软硬不均，风化程度不同、节理发育不同等实际情况，光爆参数也要随之调整，具体的说，对于岩石变软、风化严重或节理发育的情况，宜将周边眼眼距（b）、线装药密度（q）适当减小，反之应增大。6.2最大循环进尺的确定应考虑机械综合作业能力。从深眼爆破的经济效益来看，循环进尺一般取大值，但是，随着眼深的增加，钻眼效率降低，而且眼孔易出现弯曲，孔间误差过大，影响光爆效果。所以，循环进尺的确定，应根据凿岩机械的最大钻进深度，以及与之配套的装运机械的装运能力，循环作业能力来综合确定。纱帽山隧道循环进尺最初定为3米，但是根据现场围岩情况和综合作业能力来看，最后调整为2.5m循环时间和工作效率都有明显提高。6.3加强掏槽眼钻眼精度，提高凿岩效率