第7章 隧道爆破法施工技术

第7章隧道爆破法施工技术华北水利水电大学资源与环境学院地下工程施工与管理王江锋副教授CONTENTS7.1隧道爆破的基本概念7.2隧道爆破器材及起爆方法7.4隧道光面爆破技术7.3隧道掏槽爆破技术7.5隧道爆破设计7.1隧道爆破的基本概念华北水利水电大学资源与环境学院7.1隧道爆破的基本概念隧道爆破的原则：先做出设计，在掌子面上布置炮眼，而后根据设计的炮眼深度和方向钻眼，然后根据设计装药量及起爆顺序将炸药及不同级别的雷管装入炮眼，待做好安全防护工作后，连接回路并起爆。一般要求：按照爆破顺序，最初的几个炮眼要形成一个槽腔，破岩深度取决于掏槽效果。理想的爆破：成功的隧道爆破，应该是达到预定的进尺，掌子面较平整，岩渣块度适宜装运，轮廓壁面平顺，超欠挖在预定的范围之内，围岩稳定。7.1隧道爆破的基本概念主要名词解释掏槽：在开挖面的中部，钻一定数量的眼，并且超量装药，以破碎抛掷岩石，首先形成一个槽腔，增加自由面，为其他炮眼的爆破增加条件。光面爆破：使岩体沿开挖轮廓线爆除，最大限度少受损伤的爆破技术。预裂爆破：周边眼在断面上所有炮眼爆破前先起爆，其工艺与光面爆破基本一样。循环进尺：一次开挖爆破的隧道进尺。炮眼间距：同一并排同段号爆破两相邻炮眼的中心距离。抵抗线：药包中心至自由面的最小距离。7.1隧道爆破的基本概念主要名词解释炸药单耗：1m3岩石所需要的炸药量。炮眼利用率：实际循环进尺与炮眼深度之比。掏槽眼：开挖断面中部，最先起爆的炮眼，为其它炮眼爆破创造条件。扩槽眼：随掏槽眼之后爆破的一部分炮眼。周边眼：周边轮廓线上的炮眼。内圈眼：紧挨周边眼的二圈眼。底板眼：隧道底边上的炮眼。二台眼：紧挨底板眼之上的炮眼。7.1隧道爆破的基本概念主要名词解释敏感度：炸药在外能作用起爆的难易程度，简称为敏感度，简称感度。爆力：增加一定量的介质体积的能力，叫做爆力。炸药的爆力是表示炸药爆炸作功的一个指标。猛度：指爆炸瞬间爆轰波和爆炸产物直接对于之接触的固体介质局部产生破碎的能力。爆速：炸药爆炸的稳定性爆轰波在炸药中传播的速度。7.2隧道爆破器材及起爆方法华北水利水电大学资源与环境学院7.2隧道爆破器材及起爆方法起爆方法：火雷管起爆法电雷管起爆法塑料导爆管非电雷管起爆法混合起爆法常用起爆器材：火雷管导火索电雷管塑料导爆管非电雷管7.2隧道爆破器材及起爆方法1.火雷管起爆法：主要用火源点燃导火索，用导火索来传导火焰，直接喷射于火雷管的正起爆药上而使火雷管起爆，使炸药发生爆炸。①火雷管：如图7-1所示。②导火索：以黑火药为索心，棉线、塑料等材料被覆盖形成的索状起爆材料，用来传递火焰。③点火材料：自制导火索、点火线、点火棒、点火筒等。④导火索的长度计算公式：12[(1)60]/LnttV7.2隧道爆破器材及起爆方法2.导火索起爆法：所需器材：雷管、主导爆索、炮眼导爆索。原理：用雷管首先引爆主导爆索，然后引爆炮眼导爆索，引起炸药的爆炸。3.电雷管起爆法：所需器材：起爆电源、导线、电雷管。原理：利用电能首先引起电雷管的爆炸，然后再引爆工业炸药。电雷管分为瞬发电雷管和延期电雷管，后者又分为秒延期电雷管和毫秒延期电雷管。7.2隧道爆破器材及起爆方法瞬发电雷管延期电雷管7.2隧道爆破器材及起爆方法电爆网络的连接方式：(1)串联(2)并联7.2隧道爆破器材及起爆方法4.塑料导爆管非电起爆法：所需器材：击发元件、传爆元件、起爆元件、连接元件。优点：抗杂电、操作简单、使用安全可靠、成本较低等。塑料导爆管常用的起爆网络连接方式：簇联法和并联法。7.3隧道掏槽爆破技术华北水利水电大学资源与环境学院7.3隧道掏槽爆破技术概述隧道爆破开挖成败关键是掏槽技术。掏槽的成功与否直接影响爆破效果，直接影响隧道掘进的循环进尺。隧道（或导坑）开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创造新的临空面，必须先在开挖面上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽，这个槽子内的炮眼就叫做掏槽炮眼。7.3隧道掏槽爆破技术一、小断面浅眼掏槽爆破技术所谓小断面，一般指分部开挖的局部断面，平行导坑、上导坑、下导坑、断面积约力20m2以下的隧道。炮眼深度小于1.5m时，属于浅眼爆破。一般情况下构槽眼应布置在开挖面的中下部。在岩质软硬不均的岩层中，应布置在岩层较为薄弱的位置，一般布置在软岩层中。掏槽眼必须比其它眼深15～25cm，才能为辅助眼创造出足够深度的临空面，保证循环掘进进尺。小断面浅眼掏槽爆破有以下几种形式：7.3隧道掏槽爆破技术（一）斜眼掏槽1、单向掏槽由数个炮眼向同一方向倾斜组成。炮眼的布置形式有爬眼掏槽、侧向掏槽、插眼掏槽。爬眼掏槽侧向掏槽插眼掏槽7.3隧道掏槽爆破技术单向掏槽一般用于中硬以下的层状岩层，炮眼方向要尽量垂直于岩层层理。一般在450～650之间，应尽量同时起爆，效果更好。爬眼掏槽：适用岩层层理明显的倾斜工作面；侧向掏槽：适用于断面一侧有软弱层或岩层具有垂直的层理并与开挖方向成一角度；插眼掏槽：适用于断面下部有软弱层或岩层层理倾向工作面的场合。7.3隧道掏槽爆破技术2、锥形掏槽由数个共同向中心倾斜的炮眼组成，爆破后槽子呈角锥形。炮眼布置形式有三角锥形、四角锥形（四门斗）、五角锥形等。(a)三角锥形(b)四角锥形(c)五角锥形7.3隧道掏槽爆破技术锥形掏槽一般用于较坚硬的整体岩层中。三角锥形掏槽：适用于小断面且岩层节理不发育，层理不明显，石质较破碎的情况。四角锥形掏槽：又称为四门斗。适用于岩层整体均匀，节理不发育，层理不明显，石质较坚硬的岩层。五角锥形掏槽：适用于较坚硬的倾斜岩层与整体岩层。锥形掏槽炮眼倾斜角度一般在600～700之间，岩石越硬，倾角越小。眼底距离0.2～0.4m左右，石质越硬，距离越小。同时起爆效果较好。7.3隧道掏槽爆破技术3、楔形掏槽由数对（一般为2～4对）对称的相向倾斜的炮眼组成，爆破后形成楔形的槽子。爆力比较集中，爆破效果较好，掏出的槽子体积较大，适应各种不同坚固程度的岩层。楔形掏槽根据岩层层理不同，分成水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽两类。7.3隧道掏槽爆破技术•水平楔形掏槽：适用于层理接近于水平或倾斜平缓层面、裂缝和夹层的围岩或均匀整体的围岩。水平楔形掏槽炮眼布置7.3隧道掏槽爆破技术•垂直楔形掏槽：适用于层理大致垂直或倾斜的各种岩层。因为它的所有炮眼都是接近水平的，钻凿方便，利用和装碴同时平行作业，应用比较广泛。其主要形式有普通、剪式和层状三种，(a)普通(b)剪式(c)层状7.3隧道掏槽爆破技术（二）减轻地震动掏槽形式在隧道开挖中，软弱围岩段，关键是减小爆破震动强度，确保围岩的稳定。一般掏槽爆破在整个断面爆破中产生最大的地震动强度，因此减小掏槽爆破的地震动强度，常是确保围岩稳定的主要手段。软岩隧道减轻地震动掏是可靠的掏槽形式。其减振原理是从第一段承担小部分岩体爆破开始，分多段爆破，逐步扩大形成槽腔。这样掏槽爆破的每段药量比其它炮眼的每段药量小得多（一般不超过1kg）。7.3隧道掏槽爆破技术软岩减轻地震动掏槽形式7.3隧道掏槽爆破技术（三）直眼掏槽是由若干个彼此距离很近的垂直于开挖面的互相平行的炮眼组成。其中有一个或几个不装药的炮眼（空眼），空眼的作用是给装药眼创造临空面，保证掏槽眼范围内的岩石被破碎。直眼掏槽就是利用一些相互平行、眼距不大的一组炮眼内药包爆炸的巨大功能，爆破处于掏槽内部的岩石，并使之抛出槽外，从而形成一个设定的槽腔。7.3隧道掏槽爆破技术1、直眼掏槽的优缺点用于中硬岩层或坚硬岩层；由于炮眼与掌子面垂直，炮眼深度不受开挖断面的宽度和高度的限制，适宜钻凿较深的炮眼而提高每循环的进尺。优点：炮眼均垂直掌子面钻进，容易控制，钻眼时各台凿岩机间互相干扰少，便于多台凿岩机同时作业，提高凿眼效率；容易控制眼底深度，使眼底在同一垂直面上；炮眼利用率高，可达90～100%；石碴抛掷距离较近，不易打坏支护及机具设备等。缺点：需要较多的炮眼数目和较多的炸药，而且钻眼位置一定要精确，误差不能太大，必须具备熟练的钻眼操作技术。7.3隧道掏槽爆破技术2、浅眼直眼掏槽的典型形式龟裂直眼掏槽五梅花小直径中空直眼掏槽螺旋形掏槽菱形掏槽无空眼直眼掏槽小直径中空直眼掏槽7.3隧道掏槽爆破技术（四）掏槽形式的选定1、掏槽选定的条件由以下几方面条件考虑决定：（1）开挖断面的大小及宽度；（2）地质条件；（3）机具器材条件；（4）钻眼爆破技术水平；（5）开挖之技术要求等。2、直眼掏槽与斜眼掏槽的选用条件根据以上条件把两大类掏槽适用条件加以对比，如下表。7.3隧道掏槽爆破技术序号直眼掏槽斜眼掏槽1大小断面均可以，小断面更优越大断面较适用2韧性岩层不适用对各种地质条件均适用3一次爆破深度可以较大受隧道宽度限制，不宜太深（5m）4技术要求高，钻眼精度影响大相对来说可稍差些5炸药用量较多相对较少些6需用雷管段数多需用雷管段数少7钻眼互相干扰少钻眼时，钻机干扰大8渣堆较集中抛渣远，易打坏设备直眼掏槽与斜眼掏槽的适用条件7.3隧道掏槽爆破技术二、大断面中深眼掏槽爆破技术所谓大断面，目前尚没有确切的定义，本节所指的大断面是铁路隧道分上下台阶开挖、全断面开挖；（其断面积约在20～50m2的范围内）。中深眼也没有统一的规定，一般将炮眼深度1.5～3.5m定为中深眼。大断面中深眼隧道爆破有以下几种掏槽类型：三级复式楔形掏槽V型掏槽二级复式楔形掏槽大断面中深眼掏槽扇形掏槽大直径中空直眼掏槽7.3隧道掏槽爆破技术三、全断面深眼掏槽爆破技术依赖于钻大直径空眼钻机，主要应用的是大直径中空孔掏槽，（直眼掏槽的一种）。该技术要求钻眼精确，按设计的装药量起爆顺序起爆。炮眼利用率比小直径炮眼掏槽高。一般适用于中硬岩、硬岩的大断面深眼爆破。7.3隧道掏槽爆破技术掏槽设计应考虑以下问题：1、岩石的特性2、空眼的直径与数量3、最先一段起爆的掏槽眼与空眼的距离4、炸药性能与装药量5、瞎炮的发生可能6、钻眼爆破的管道效应问题7、钻眼偏差的允许值8、起爆顺序与段间隔时差9、顺向起爆与反向起爆7.3隧道掏槽爆破技术四、竖井掏槽爆破技术由于竖井是为隧道开挖增加工作面而设置的，故一般是从上往下开挖掘进。常用圆锥型掏槽与大直径空眼掏槽。圆锥形掏槽大直径空眼掏槽7.4隧道光面爆破技术华北水利水电大学资源与环境学院7.4隧道光面爆破技术定义：光面爆破是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术，是通过一系列措施对开挖工程周边部位实行正确的钻孔和爆破，并使周边眼最后起爆的爆破方法。光面爆破（包括预裂爆破）区别于普通爆破的主要特点是：轮廓成型规整，符合设计断面的轮廓要求，围岩保持稳定，不产生或很少产生炮震裂隙。创造舒适安全的施工条件，能加快施工进度，节省隧道工程造价。轮廓线钻眼法光面爆破的三大类型预裂爆破法光面爆破法7.4隧道光面爆破技术（一）光面爆破作用机理爆破时产生的冲击波和高温高压气体作用在眼壁上，炮眼周围的岩石受到强烈的压缩而破碎，粉碎圈以外的岩石在压缩波作用下产生径向裂缝，当压缩波传到自由面时，因弹性能的释放又以拉伸波的形式向反方向传播，此二拉伸波在其传播过程中把岩石拉成切向裂缝，将岩体拉成岩块，剩余气体的压力把岩块从岩体中抛掷出去，形成相互作用的爆破漏斗。7.4隧道光面爆破技术（二）预裂爆破成缝机理1、成缝机理爆破时产生的应力波向眼壁四周传播。当应力超过岩石的抗拉强度时，便产生以眼轴为中心的放射短裂缝，其冲击的高温高压气体进入裂缝内，使它们扩展。由于眼与眼之间存在的空眼导向作用，使眼中心连线方向的裂缝得到进一步的扩展，最后形成贯通裂缝。炮眼直径、眼距、装药量及装药结构等选择适当，爆破后就能沿炮眼中心连线方向形成一定宽度的裂缝。这就是应力波和高温高压气综合作用的结果。预裂缝的形成过程如图所示。7.4隧道光面爆破技术预裂缝形成过程7.4隧道光面爆破技术2、基本技术要求（1）预裂缝应达到一定的宽度，通常不宜小于1cm，以便在立体爆破时能有效地削减应力波的强度，减少对保留区围岩产生的破坏。（2）预裂壁面要求比较平整，有效地做到避免欠