隧洞开挖光面爆破技术应用中施工细节管控

张自解，覃相和

(中国电建贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

随着国内经济、工程行业的发展，基于水利水电行业、公路行业，市政行业、建筑行业隧洞工程更为普遍。纵观隧洞开挖爆破技术的发展历史，从火药的发明至今，理论上已形成成熟的爆破施工技术，并在军事、工业、工程上广泛应用。早在葛洲坝、小浪底、三峡、二滩等水电站建设中，理论及实践已论证了光面爆破法是隧洞工程爆破开挖的最优爆破技术。光面爆破技术不仅能完美的实现“新奥法”原理在隧洞开挖施工阶段的控制效果，还能最大限度满足洞渣清理、运输、二次利用的工程要求，从而实现进度、成本最优。

隧洞开挖爆破施工直接关系到整个隧洞工程的施工质量、安全，爆破效果也同时影响施工进度及成本。国家推行建设模式的多样化，项目管理层级分化严重，工程施工技术有层级衰减情况；工程建设引入专职爆破公司，隧洞工程责任主体单位对开挖爆破施工管理弱化，爆破施工管理有时因此变得被动。笔者认为，作为隧洞工程责任主体单位工程技术人员及管理人员，应认识工程爆破控制的重要性，继承先辈们的宝贵工程经验，结合工程中隧洞实际地质条件及项目管理要求，强化爆破施工技术管理，充分发挥光面爆破技术优势，提升洞挖质量，保障合同履约效果。

1 火工产品性能认识与领用管理

国家法律与治安管理规定对爆破器材供应严控，对合同约定、技术管理的一般程序有所规定，有些过程管理内容，一般工程技术人员不易涉及。项目技术人员与管理人员培训中，也缺少爆破器材认识的教育环节，在生产管理过程、行政主管单位巡视检查过程，在讨论交流包括危险性、品种、品质等知识内容时，时有项目技术人员对相关内容不够了解的现象发生。

工程建设中，爆炸器材逐渐固定在一定品种、规格范围，爆破器材种类趋于单一化。调查市场供应情况发现，隧洞工程光面爆破施工用到的爆破器材主要包括起爆雷管、毫秒延迟雷管、导爆管、导爆索、炸药等火工品。其中使用的炸药，常用安全性能最优的乳化炸药类型。

根据工程建设需要，工程技术人员及项目管理人员需要补充对爆破器材中的火工品性能的认识理解。

1.1 火工产品性能认识

起爆雷管：用于爆破网络的起爆，一般有电雷管、非电雷管、火雷管等，隧洞开挖爆破中采用电雷管最为安全，电雷管采用相应的电起爆器起爆。雷管为高猛度爆炸材料，传爆速度约5000m/s。

毫秒延迟雷管：用于不同梯段爆破网络或不同梯段爆破孔中炸药的引爆，采用非电雷管，雷管中延迟起爆功能可实现爆破孔分段引爆效果，由导爆管和雷管两部分组成，可分开使用。

导爆管：非电雷管的组成部分，也可以单独用于爆破网络连接导管，电雷管间的爆轰波靠导爆管传送，没有爆炸猛度，传爆速度约2000m/s。

导爆索：俗称“红线”，属于火具，用于炸药或炸药包之间的连接传爆，有一定的爆炸猛度，传爆速度约6000m/s，在光面爆破中用于周边孔的爆破或起爆。

炸药：爆破中具有爆炸功能的主要材料，目前工程中均使用乳化炸药，是一种油包水型的乳胶状炸药，受到高压冲击才会被引爆。根据爆破药量控制需要，可选购不同直径的药卷。为猛度适宜的爆炸材料，传爆速度约4000m/s。

1.2 火工产品的运输及使用管理

火工产品属于高风险材料，一旦发生意外，后果严重。火工产品应由责任单位委派专人负责领取、登记、运输、移交、退库等工作，所有参与人员均应登记、备案，持证上岗。火工产品的运输，采用专用火工品运输车辆运输，由有相关资质的人员押送到工作面。

责任单位与派出机构/项目部，应该重视相应的制度建设，明确包括管理人员、爆破工等各层级人员的岗位职责，开展培训交底，严格执行安全技术交底。建设过程主动报备，并定期检查，不得出现人工管理、监控设施监控盲区。

2 隧洞爆破设计的粗放问题

2.1 爆破药量与网络设计

隧洞工程开挖光面爆破设计内容应包括分区设计、爆破网络、爆破孔布置、爆破孔装药结构。根据洞室围岩的岩体特性拟定洞挖炸药单耗药量，当计算的单耗药量与预定单耗药量明显不符时，应考虑修改爆破设计。根据洞室围岩的稳定性拟定单响药量，当计算的最大单响药量超过围岩的自稳承受能力时，应该考虑调整爆破网络设计中爆破孔分段情况。

爆破网络设计主要是对爆破网络的节点、爆破分区、爆破孔分段情况的设计，主要控制整个网络有效引爆、按段序引爆，避免瞎跑、拒爆、窜爆等情况发生。由于爆破网络属于一次性工序，没有可复查性，有效网络保障措施容易被忽视。

在实施过程中，若出现拒爆情况，除了检查绑扎、连接部位的可靠性，还可以在节点处增加雷管保障起爆。延迟毫秒雷管用于爆破孔的分段，掏槽孔、主爆孔、底板孔、周边光爆孔必须设为不同段位，根据主爆孔位置不同，按照爆破需要可以再细分为不同段位。在实践中分段不明显影响爆破效果的，可以增加段位时差。

2.2 爆破设计一炮一总结的落实问题

施工组织设计或施工方案中的爆破设计，主要针对常规洞段的设计开挖轮廓、围岩结构及特性参数进行设计。在施工过程中，需要根据实际揭露的围岩情况，结合开挖效果、成本控制、质量控制等，动态进行爆破设计，或修改既有爆破设计参数。

爆破设计的精细化管理在于及时调整。每次爆破前的施工技术管理人员应结合开挖面实际揭露的岩体结构、特性，溶洞、断层、节理、裂隙发育情况，生产管理人员与爆破技术人员商量调整相应的参数，并将这些调整及时通知库房管理人员，用于领用提取火工产品，保证现场所需。对重要部位的这些内容，还应通知爆破监测人员实施过程监测。

这些设计参数调整及调整效果，均应有相应的记录。

2.3 爆破设计主体责任落实问题

隧洞工程的爆破设计应贯穿整个施工过程。行业规范规定，爆破设计是隧洞工程施工组织设计、洞挖施工方案的重要内容，应由工程技术负责人审签、报送监理机构审批，用于指导和管控现场施工的依据，也作为工程造价控制的依据。在爆破设计正式实施前，责任单位应组织技术交底。

业界已经推行了爆破工作外委实施的合作方式，也有委托持有爆破监理资质的单位进行监督管理。对于工程建设责任单位来说，爆破设计有时出现两张皮的情况：由技术人员参考类似项目设计，但单位组织有经验的专业人员审查环节容易被忽视。作为责任单位的项目管理人员，应依据合同约定落实主体责任，安排有经验的人员负责设计，培养相关技术人员参与爆破设计，保证爆破设计的针对性、实用性。

3 爆破控制细节管理

3.1 开挖面分区

隧洞开挖成型，应遵循“全过程保持洞身拱形效应”的原则。按照设计开挖体形及支护设计要求，对设计断面进行分区开挖，以减小单次爆破药量。爆破分区时，具备较完整的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩条件的中小型断面隧洞，可采用全断面爆破；将大断面、特大断面分为中小型断面，分区爆破；将地质条件不允许全断面爆破的Ⅳ、Ⅴ类围岩条件的中小型断面按支护施工要求分台阶开挖爆破。分区涉及周边轮廓爆破质量需要的，严格按照光面爆破设计要求控制。

先期爆破范围，采用机械清挖，存在残留岩埂或爆破不理想的部位，由爆破技术人员再次补孔爆破清理；分离出来的下半洞，已经形成较好的临空面，做好已开挖部位的初期支护或加强支护后，按照明挖方式松动爆破、抛掷爆破挖除。

3.2 掏槽与主爆孔的控制要求

3.2.1掏槽孔

可将岩石从整体中分层剥离到临空面方向。掏槽孔作为首段爆破孔，必须实现洞挖爆破主爆孔的临空面。

掏槽孔的形式分为直眼掏槽、楔形掏槽，其孔数量、造孔深度，均通过机械成孔、爆破调整参数来试验确定。

单次循环爆破最大进尺，更多来自于造孔精度、最大爆炸猛度的满孔装药来实现，但有经验的爆破手会对围岩的固有特性进行预判定，并结合软硬岩、是否破碎、是否存在地下水的影响等，会有更好的效果。

3.2.2主爆孔

主爆孔借助于掏槽孔产生的临空面，分层剥离岩体。主爆孔区的单耗药量决定本次爆破的药量，也决定爆破后岩体的破碎程度。布孔密度根据爆破材料性能参数、岩体条件参数、岩体自重来计算，同时考虑满足便于运输、洞渣二次利用的要求。

3.3 体形控制与光面爆破孔的外插值经验数据

3.3.1隧洞底板坡度与底板孔控制

底板孔的放样，是隧洞开挖纵坡控制的重点之一，至于底板孔是否有必要采用光面爆破，则可以根据地质条件和项目质量要求来决定。

3.3.2光爆层及光面爆破孔外插值经验数据

光爆孔的爆破是开挖轮廓线成形的爆破，是光面爆破开挖的特点和关键。光爆孔孔位布置于轮廓线上，设置目的是形成完美的开挖轮廓线。光爆孔的施工决定超欠挖情况、轮廓线的线形、爆破对周边围岩扰动。

1989年西安矿业学院戴俊教授完整论述了光爆层厚度W在光面爆破技术中的作用及计算方法。由于光爆层影响的效果不直观，且在诸多教科书中均被忽略，在工程实践中易被忽视。

光爆层是主爆孔最外圈孔与光爆孔之间的岩层，光爆层厚是光爆孔有效爆破、爆破效果的关键。值得注意的是，光面爆破的效果是靠光爆孔爆破拉裂围岩，裂缝连通光爆孔形成完整的轮廓线，靠爆轰波和光爆层自重共同作用剥落岩体。故光爆层厚不足会导致光爆孔失效(主爆孔崩落光爆孔)，形成欠挖；光爆层厚过大会导致光爆孔超强发挥效果(光爆层自稳作用导致光爆孔独立作用，爆轰波外传)，无法形成合格的轮廓线，加大爆破对周边围岩的扰动，从而形成超挖，甚至塌方。

光爆层厚度W与外插值见公式(1)，如图1所示。

图1 光爆层厚度与外插值示意图

(1)

式中，δ—外插值；L—孔深。

外插值是控制错台、欠挖与超挖的关键值。一般取3°～4°或取3～5cm/m。

3.4 光面爆破装药参数选用

装药参数系指：每m炮孔的平均线装药量q(单位g/m)；装药密度ρ(单位g/cm3)；炸药的爆炸性能(爆速、威力、猛度、殉爆)、药卷直径。

光爆孔应不耦合装药，以间断装药、装小径药卷来实现。采用竹片、PVC管、粘胶带等辅助形成间断装药，小径药卷应在采购爆破材料时提前考虑，也可将普通药卷切分为小径药卷使用。光爆孔中使用导爆索连接各个药卷，爆破设计计算中，光爆孔的药量应计算导爆索药量。

合理选择装药参数：平均线药量：q=100～350g/m，或者按照经验公式进行计算选择：软岩取偏小值，硬岩取偏大值。

底部适当加强装药含量可用的经验数据：3m及以上中深孔爆破，为克服底部夹制作用影响，通常装入不小于100g药量；小于3m不小于75g药量。

装药密度：对梯铵类炸药，取ρ=0.85～0.90g/cm3，对于乳化炸药，取ρ=0.90～1.10g/cm3。

药卷规格：药卷直径Ф=20～25mm，长度可向厂家订购，选用低威力、中等爆速的炸药，其爆速不应大于4500m/s。

合理确定不耦合参数：通常选用η=1.5～2.0，成孔选用Ф38钻头，宜使用Ф=20mm药卷；成孔选用Ф42钻头，宜使用Ф=25mm药卷。

4 爆破效果措施细节管理

4.1 技术措施细节管理

4.1.1钻孔质量的控制

爆破孔孔位、角度直接影响爆破效果，孔位和角度的保障来源于钻爆工的工作平台。隧洞施工中，钻爆施工、锚杆施工、喷混凝土施工、钢架支护施工对工作台车有不同要求，难以实现各自的要求，故而钻爆工的工作平台要求容易被忽视。在施工准备前应结合各班组要求制作多功能的台车，以实现各班组的要求。为了保证工程质量，隧洞施工中配置钻孔台车是非常必要的，既能满足钻爆要求，又能满足锚杆施工质量控制要求，同时提高施工效率。

4.1.2爆破孔的封口

根据爆破机理，所有爆破孔均应进行严密封堵，才能实现正常爆破设计效果，否则形成“冲天炮”现象，大量能量损失，爆破技术效果大打折扣。封堵需要充足的粘土，爆破班往往嫌麻烦忽略封堵工作，应在该问题上对爆破班组进行考核，提前提供粘土及加工场地。

4.1.3预防爆破孔漏气

爆破孔漏气问题的解决涉及多个工序，人为因素、协调工作是否到位等原因，容易被忽视。为保证效果，除了孔口封堵，也应预防爆破孔漏气。应开展超前地质预报、工作面清理，由地质素描人员对裂隙、空洞进行预判，并告诉爆破工、装药工。成孔后，可以采用泥浆洗孔等措施封堵裂隙，避免漏气。

4.2 组织措施细节管理

4.2.1责任落实与控制

在工程施工过程中，如果非地质条件出现较大异常而产生洞身变形、塌方情况，应开展爆破设计与现场调整方面的分析。该过程中，应经常性开展以下工作：①单独分离掏槽孔进行爆破、验证掏槽孔设计的合理性；②预留光爆层单独进行周边孔爆破、论证光爆孔设计的合理性。

4.2.2辅助材料的保障

除了主要爆破材料外，保障光爆孔间断装药的绑扎材料、炮泥也是非常重要的辅助材料。由于爆破材料的一次性，施工班组均不愿花费精力解决辅助材料问题，相应的保障措施被忽视，导致无法达到预期效果。针对辅助材料的保障，需要靠管理层的奖惩措施、辅助措施进行激励、促进。

5 结语

隧洞开挖爆破施工直接关系到整个隧洞工程的施工质量、安全，爆破效果也同时影响施工进度及成本。忽视隧洞爆破技术应用施工中的管控细节不一定导致施工的失败，但一定会导致项目不必要的浪费，并会导致爆破施工技术的停滞或倒退。落实以上施工细节控制措施，基本能够把控隧洞开挖光面爆破技术应用并保障良好的爆破效果。隧洞开挖光面爆破施工技术容易受到多方面的因素影响，项目负责人应层层交底；施工技术人员应提取控制要点，结合实际管控条件，采取相应的保障措施来确保施工技术有效发挥作用。