隧道控制爆破及超欠挖控制

前言：钻爆法(drillingblastmethod)由于对地质条件适应性强、开挖成本低，特别适合于坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道及大量短隧道的施工。虽然我国也在引进全断面隧道掘进机(tunnelboringmachine)，但是根据我国的国情，钻爆法与掘进机在相当长的时间内将同时并存和使用，钻爆法仍是隧道掘进的主要手段。隧道爆破开挖(excavationbyblasting)是以钻孔、爆破工序为主，配以装运机械出碴，完成隧道施工的方法，是隧道施工的主要工序，开挖的成败与好坏直接影响经济效益、安全、质量和施工速度。“向开挖要效益，向支护要安全，向铺底要环境，向衬砌要形象”的理念已经得到隧道施工同仁的高度认同。隧道超欠挖是影响隧道施工综合效益的关键因素，在经济、安全、质量和进度方面均影响显著。经济性方面，超挖增加爆破费用、增加出碴量，延长出碴作业时间、增加回填混凝土和增加额外的工程量；欠挖则会造成处理误工和窝工。隧道结构安全可靠性方面，超欠挖造成隧道局部应力集中，围岩的塑性变形显著增大，洞身围岩变形增大；欠挖超过允许限度时须处理，造成再次超挖和增加围岩扰动次数。以高铁双线1000米长、平均线性超挖10cm的隧道来计算经济损失：（1）超挖量：39.5（周长）×0.1×1000=3950m³；（2）炸药超耗：3950m³×1kg/m³×10.2元/kg=40290元；（3）出渣：3950m³×15元/m³=59250元（4）二衬砼：3950m³×400元/m³=1580000元（2）～（4）合计：1679540元=167.9万元。平均每米损失：1679540/1000=1680元。由此可以看出：将隧道超挖控制在允许范围10cm内，每米也要损失1680元，如果超挖增大，损失也增大，这还不包括超挖造成的轮廓不圆顺，而用初支砼补喷的情况，初支砼单价比二衬砼单价高，成本更大。目前，我们的隧道超挖控制基本上没有达到这个标准，也就是说，隧道开挖施工这一块损失严重，亏损很严重，成为隧道施工经济效益的决定因素。钻爆法施工要消除超欠挖难度非常大，但通过努力，可将超欠挖控制到最低限度。隧道施工中，我们对开挖方法描述最常见的就“光面爆破”。什么是光面爆破？怎么控制超欠挖和“向开挖要效益”？带着这些问题，我们共同学习隧道开挖爆破技术和超欠挖控制。一、岩石隧道爆破特点二、炮眼的种类及作用三、掏槽眼类型及布置四、周边眼控制爆破五、隧道爆破参数及爆破设计六、隧道钻爆施工七、隧道爆破设计实例隧道爆破施工主要内容一、岩石隧道爆破特点1、临空面少临空面：被爆破的岩石或介质与空气接触的表面。爆破的临空面少，岩石的夹制作用大，耗药量大，不能充分发挥爆破效果。钻眼爆破作业条件差，操作空间狭窄。一、岩石隧道爆破特点2、要求高；既要使隧道方向正确，满足精度要求；又要使爆破后隧道断面达到设计标准，不能超挖过大。爆破时要预防飞石崩坏支架、风管、水管、电线等，爆落岩石块度要均匀，便于装碴运输。3、地质条件复杂隧道地质条件变化多样，有涌水、突泥、溶洞、瓦斯等各种不良地质，要根据不同的地质调整爆破参数。二、炮眼的种类及作用岩石隧道开挖前，应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破器材等做好钻爆设计。合理地确定炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法、起爆顺序，安排好循环作业等，以正确指导钻爆施工，达到预期的效果。隧道开挖爆破的炮眼数目，与隧道断面的大小有关，多在几十至数百范围内。炮眼类型按其所在位置、爆破作用、布置方式和有关参数的不同可分为三种：掏槽眼、辅助眼和周边眼。（一）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,如图-1中的红色炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为辅助眼提供新的自由面，是后续爆破效果能好的基础，直接影响隧道爆破的循环进尺和掘进效果。图-1炮眼布置图（二）辅助眼位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。如图-1中的黑色炮眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，破碎隧道岩体，为周边眼爆破创造临空面。图-1炮眼布置图（三）周边眼周边眼(perimeterhole)。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。如图-1中的蓝色炮眼。其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。直接关系着到隧道开挖边界的超欠挖大小和对保留围岩损害的程度。按其所在位置的不同，又可分为帮眼、顶眼、底眼。图-1炮眼布置图（一）斜眼掏槽三、掏槽眼类型及布置斜眼掏槽（inclinecut）的特点是掏槽眼与开挖断面斜交，它的种类很多，如锥形掏槽、爬眼掏槽、各种楔形掏槽、单向掏槽等。隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽和锥形掏槽。单向掏槽特点A、由数个朝同一方向倾斜的炮眼组成。B、适用于隧道断面内有软弱夹层、层理、节理和裂隙C、单向掏槽法可根据巷道断面大小或软夹层的厚度不同，布置一排或两排掏槽眼。D、掏槽眼的倾斜角度（钻杆与掌子面的夹角）一般为50°~70°，岩石坚固程度高，角度取小值。(1)斜眼掏槽布置形式(a)顶部掏槽(b)底部掏槽(d)扇形掏槽(c)侧向掏槽楔形掏槽特点：由两排或以上（复式楔形掏槽）相对称的倾斜炮眼组成，爆破后形成一个楔形槽。楔形掏槽的分类及适用条件分为：水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽水平楔形掏槽适用于岩层为水平层理时。垂直楔形掏槽适用于中硬以上的均质岩石。(a)垂直楔形掏槽(b)水平楔形掏槽ab垂直楔形掏槽爆破参数f:普氏系数,又称岩石的坚固性系数或紧固系数，是岩石或土壤的单轴抗压强度极限的1/10，f=R/10。垂直楔形掏槽爆破参数围岩级别α（°）斜度比a(cm)b(cm)炮眼数量（个）Ⅳ级以下Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级75～8075～8070～7555～701:0.27～1:0.181:0.27～1:0.181:0.37～1:0.271:0.47～1:0.3770～8060～7050～6030～503030252044～666掏槽数目较少，掏槽体积大，易将岩石抛出。掏槽眼深度受到隧道断面尺寸的限制，岩堆分散。楔形掏槽的特点bαL=(0.5~0.7)BBLB——开挖断面宽度。为了提高循环进尺，可以采用复式楔形掏槽。复式楔形掏槽为了增加淘槽效果，可以使用半秒或秒延期雷管（加大前后掏槽眼的爆破延迟时间，充分爆破）α锥形掏槽这种炮眼呈角锥形布置，各掏槽眼以相等或近似相等的角度向工作面中心轴线倾斜，眼底趋于集中，但互相并不贯通，爆破后形成锥形槽。根据掏槽炮眼数目的不同分为三角锥、四角锥、五角锥等。(a)三角锥(b)四角锥(c)五角锥锥形掏槽围岩级别α（°）a(cm)眼数（个）Ⅳ级以上Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级706865601009080703456锥形掏槽爆破参数斜眼掏槽具有操作简单，精度要求比直眼掏槽低，能按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度，易把岩石抛出，掏槽眼的数量少且炸药耗量低等优点。优点眼深易受开挖断面尺寸的限制，不易提高循环进尺，也不便于多台凿岩机同时作业。缺点(2)斜眼掏槽的优缺点（二）直眼掏槽直眼掏槽(cylindercut)由若干个垂直于开挖面的炮眼所组成，掏槽深度不受围岩软硬和开挖断面大小的限制，可以实现多台钻机同时作业、深眼爆破和钻眼机械化，从而为提高掘进速度提供了有利条件。(1)直眼掏槽的类型及布置形式柱状掏槽(a)菱形布置(b)矩形布置(c)三角形布置它是充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空间，使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。作为临空孔(freehole）的空眼(busterhole)数目，视炮眼深度而定:一般当孔眼深度小于3.0m时采用1个；当孔眼深度为3.0m～3.5m时，采用2临空孔；当孔眼深度为3.5m～5.15m时采用3个。试验表明：第一个起爆装药孔距离临空孔的距离应不大于1.5倍的临空孔直径。螺旋形掏槽螺旋形掏槽是由柱状掏槽发展而来，其特点是中心眼为空眼，邻近空眼的各装药眼至空眼之间的距离逐渐加大，其连线呈螺旋形，并且由近及远依次起爆。a=(1.0～1.5)Db=(1.2～2.5)Dc=(3.0～4.0)Dd=(4.0～5.0)DD为空眼钻孔直径，一般不小于100mm。1234acdb(2)直眼掏槽的特点适用于中硬岩层或坚硬岩层；适宜采用中深孔爆破；凿眼效率高；炮眼利用率高；抛掷距离短；耗药量大；要求严格。(3)影响掏槽效果的因素眼距最先一段起爆的炮眼与空眼的距离空眼直径、眼距与岩石爆破效果关系隧道爆破施工2daA)(22ddaφdaA中空眼炮眼隧道局的经验公式一般情况下不大于空眼直径的2倍；常用的空眼直径为102mm，眼距采用18~20cm。隧道爆破施工空眼数目空眼数目越多掏槽爆破效果越好；炮眼越深空眼数目越多。装药采用过量装药，装药长度占全眼长的70~90%。辅助抛掷当眼深在2.0m以上时，将空眼加深100~200mm，并在空眼底部放1~2卷炸药，在掏槽眼全部起爆后接着起爆，加强淘槽眼的抛掷效果。钻眼质量钻眼使各炮眼之间保持等距、平行是极为重要的。钻穿，易造成爆生气体过早损失，降低槽内岩石抛出率。距离过大或钻眼偏斜，易发生单个炮眼直径扩大或单个炮眼爆炸，炮眼间的岩石不易崩落。隧道爆破施工(4)直眼掏槽实例雷公尖、大瑶山隧道灰黑色厚层加中厚层隐晶质灰岩，Ⅱ级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工花果山隧道致密块状的花岗岩，Ⅲ级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度3.9m和5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工瑞典样板直眼掏槽隧道爆破施工（三）混合掏槽混合掏槽是指两种以上的掏槽方式的混合使用，一般在岩石特别坚硬或隧道开挖断面较大时使用。隧道爆破施工（四）减轻爆破震动的掏槽形式为了减少掏槽眼的爆破震动，经常采用特殊掏槽形式。复式楔形掏槽隧道爆破施工混合掏槽隧道爆破施工直眼分层掏槽隧道爆破施工增加空眼直眼掏槽隧道爆破施工（一）隧道控制爆破的分类四、周边眼的控制爆破光面爆破预裂爆破光面爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。起爆顺序：掏槽眼—辅助眼—周边眼。预裂爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。起爆顺序：周边眼—掏槽眼—辅助眼。隧道爆破施工（二）光面爆破与预裂爆破的关系相同点区别周边眼的孔距(E)必须与最小抵抗线（W）匹配；采取不耦合装药或装填低威力炸药；同组光爆孔(预裂孔)同时起爆。起爆顺序不同；光面爆破起爆顺序：掏槽眼—辅助眼—周边眼；预裂爆破起爆顺序：周边眼—掏槽眼—辅助眼。光面爆破描述的是爆破效果，预裂爆破则是为了达到光面效果而采用的爆破方法。隧道爆破施工（三）光面爆破效果隧道爆破施工（四）光面爆破的意义光面爆破对围岩扰动小，又尽可能保存了围岩自身原有的承载能力，从而改善了衬砌结构的受力状况；由于围岩壁面平整，减少了应力集中和局部落石现象，增加了施工安全，减少了超挖和回填量，若与锚喷支护相结合，能节省大量混凝土，降低工程造价，加快施工进度；因光面爆破可减轻振动和保护围岩，所以它是在松软及不均质的地质岩体中较为有效的开挖方法。其主要标准为：开挖轮廓成形规则，岩面平整;围岩壁上保存有50%以上的半面炮眼痕迹，无明显的爆破裂缝;超欠挖符合规定要求，围岩壁上无危石等。隧道爆破施工（五）几个概念的理解不耦合装药：不耦合装药是指药包表面与炮眼孔壁之间保留一定间隙的装药方式。间隙是一般为空气，也可填入矿粉、石粉或水等。炮孔半径与药卷半径的比值，叫做不耦合系数为防止炮孔壁的破坏，该值一般取2～5。连续装药：药卷之间不留间隙。不连续装药：也叫间隔装药，药卷之间有空隙，一般用空气或填塞料分隔。正向装药和反向装药：将起爆药卷放在眼口第二个药卷位置上，雷管聚能穴朝向眼底，并用炮泥堵塞眼口，传爆方向由眼口传向眼底，反之为反向装药。隧道爆破作业