隧洞开挖典型掏槽设计方法

杨玉银，张艳如，杨仕杰，刘志辉，张俊娇

(1.中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384；2.四川大学锦城学院，成都 611731；3.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

隧洞开挖炮孔按照位置和作用不同分为掏槽孔、崩落孔和周边孔。在隧洞开挖爆破前，只有掌子面一个自由面，周围岩体夹制作用比较大，爆破条件困难。掏槽孔一般布置于开挖面的中下部，主要作用是在岩体内掌子面中下部首先爆破形成一个较大、较深的槽腔，形成第2个爆破自由面，为后续的崩落孔爆破减弱周围岩体的夹制作用，创造良好的爆破条件[1]。一般掏槽深度越深、掏槽面积越大，爆破效率就会越高。

在硬质岩石隧洞开挖爆破施工中，爆破效率的高低是爆破施工技术人员最关心的问题之一，因为它直接影响着开挖进度和开挖成本，是开挖工作能否顺利进行，能否盈利的关键。而每茬炮爆破效率的高低，又是由掏槽效果直接决定的，如果掏槽掏的干净、彻底，炮后孔底不留残孔或残孔极少，那么，该茬炮的爆破效率必然会很高，单循环进尺就会很理想，炸药单耗就会比较低，开挖进度和成本都会得到有效保证。然而，现有文献中[1-2]，关于掏槽的论述虽然具有一定指导意义，但均比较宽泛，缺少明确而具体的掏槽设计方法、参数选取方法，这就需要我们在大量工程实践基础上，对掏槽及其设计方法进行进一步的探讨、研究。

1 掏槽效果的关键

1)掏槽孔孔距。保证各排掏槽孔孔距与围岩硬度和韧性相适应，对于最先起爆的内掏槽孔和主掏槽孔(也称外掏槽孔)以及后续的各级辅助掏槽孔(扩槽孔)，如果围岩硬度和韧性很高，而掏槽孔的孔距又比较大，即便掏槽孔内除了必要的填塞长度完全装满炸药，也不足以保证掏槽孔起爆后爆破效率达到100%。对于硬度和韧性较高的围岩，尤其是内掏槽和主掏槽孔，应采用较小的掏槽孔孔距[3-4]，来保证最先起爆的掏槽孔爆破效率达到100%，这是掏槽效果的有效保证。对于硬度高、韧性好的围岩，主掏槽孔的孔距应不大于25 cm。

2)孔底抵抗线。保证各级掏槽孔间的孔底抵抗线与围岩硬度和韧性相适应，在最先起爆的内掏槽孔和主掏槽孔起爆后，即便爆破效率达到了100%，如果后续各级辅助掏槽孔(扩槽孔)的孔底抵抗线过大，也无法保证后续各级掏槽的爆破效率达到100%，从而影响掏槽的整体爆破效果，因此，应保证后续各级掏槽孔的孔底抵抗线不宜过大[3-4]。对于硬度高、韧性好的围岩，孔底抵抗线应不大于100 cm。

3)成对主掏槽孔孔底间距。保证成对主掏槽孔的孔底间距与围岩硬度和韧性相适应，对于成对的主掏槽孔，如果孔底间距过大，可能造成主掏槽孔爆破后，孔底间岩石未能彻底粉碎，留下突出的根坎，从而导致后续起爆的辅助掏槽孔、崩落孔留下大面积残孔，影响爆破效率。对于硬度高、韧性好的围岩，成对主掏槽孔的孔底间距应不大于25 cm。

4)孔内装药量。保证各级掏槽孔内装药量与围岩硬度和韧性相适应，对于各级掏槽孔，尤其是内掏槽孔和主掏槽孔，应有足够的装药量彻底剪断、粉碎、抛出各自负责爆破的岩体，对于硬度高、韧性好的围岩，孔内装药量应不低于孔深的75%[5]。

5)填塞长度。保证掏槽孔足够的孔口填塞长度，在隧洞开挖的工程实践中，有些施工技术人员不重视炮孔的填塞，这是错误的。对于较软的围岩，填塞质量差或不填塞，可能对掏槽效果影响不大，但是如果围岩硬度高、韧性好，炮孔的填塞，尤其是掏槽孔的填塞就尤为重要了。良好的填塞可以阻止爆轰气体过早逸出，使炮孔内在相对较长的时间内保持高压状态，能有效地提高爆破效率；良好的填塞加强了它对炮孔内炸药爆炸时的约束作用，降低了爆炸气体逸出自由面的压力和温度，提高了炸药的热效率，使更多的热能转变为机械功[1]。因此，必须保证掏槽孔的填塞长度，对于孔径42 mm的掏槽孔，填塞长度应不小于60 cm。

2 典型楔形掏槽设计

2.1 掏槽要素

常用典型楔形掏槽基本要素如表1所示。

表1 典型楔形掏槽基本要素Table 1 Basic elements of typical wedge cutting

2.2 布孔方式

在隧洞开挖爆破施工中，楔形掏槽主要用于中断面、大断面[6]隧洞开挖，一般隧洞跨度B>5 m、断面面积A>25 m2。常用典型布孔方式如图1所示。各种掏槽孔主要作用如下：①内掏槽孔。主要作用是当围岩较硬时，最先起爆，为主掏槽孔创造临空面；当围岩较软时，可不设置内掏槽孔;②主掏槽孔。主要作用是在内掏槽孔起爆后，接着起爆，将掏槽深度掏至最深处，为后续爆破孔创造较深的临空面，它是整茬炮爆破效果的关键，也是单循环进尺的保证;③辅助掏槽孔。主要作用是在主掏槽起爆后，接着起爆，继续扩大掏槽空腔，为后续的崩落孔起爆创造更大的临空面；辅助掏槽根据开挖断面大小、围岩的坚硬程度，可设置1～4级，图1中仅设置了2级辅助掏槽。

注：1-内掏槽孔；2-主掏槽孔；3-辅助掏槽孔1；4-辅助掏槽孔2；5-临近崩落孔。图1 典型楔形掏槽布孔Fig.1 Layout of typical wedge cut holes

2.3 主要参数设计

2.3.1 基本参数

1)钻孔直径D。对于手风钻钻孔，常取D=38～42 mm；对于多臂钻，常取D=43～52 mm。本文以手风钻孔径D=42 mm为例进行设计，多臂钻可参考该参数设计方法。

2)设计单循环进尺L。根据开挖断面大小及钻孔设备情况，一般在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩中，采用手风钻钻孔时取L=2.0～4.0 m，采用多臂钻钻孔时取L=4.0～5.0 m；在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，钻孔多采用手风钻，根据自身钻爆作业能力、水平，取L=0.5～2.2 m[5]。

2.3.2 内掏槽孔设计

1)深度l。内掏槽孔深度一般取主掏槽孔深度的2/3，即l=0.67(L+ΔL)。

2)孔底距离c1。一般软岩不需要设置内掏槽孔，中硬岩取c1=25～40 cm；坚硬岩取c1=15～25 cm。围岩越硬，取值越小，可参照楔形掏槽孔布置参数(见表2)选取。

表2 楔形掏槽孔布置参数Table 2 Arrangement parameter of wedge cut holes

3)与掌子面夹角α1。可根据围岩硬度情况，按照表2选取[1-2]。

4)长度L1。L1=l/sinα1。

5)孔距a1。内掏槽孔对掏槽效果起主要辅助作用，一般软岩不设置内掏槽孔；中硬岩取a1=40～50 cm；坚硬岩取a1=30～40 cm。

6)开口距离b1。b1=c1+2L1cosα1。

2.3.3 主掏槽孔设计

1)孔底距离c2。一般软岩取c2=40～60 cm；中硬岩取c2=25～40 cm；坚硬岩取c2=15～25 cm。围岩越硬，取值越小，可参照表2选取。

2)与掌子面夹角α2。可根据围岩硬度情况，按照表2选取[1-2]。

3)超深ΔL。一般软岩取ΔL=0～20 cm；中硬岩取ΔL=20～40 cm；坚硬岩[5]取ΔL=40～60 cm。围岩越硬，取值越大。

4)长度L2。L2=(L+ΔL)/sinα2。

5)孔距a2。主掏槽孔对掏槽效果起决定性作用，对于硬度较高的围岩，如果孔距偏大，掏槽效果就会较差，一般软岩取a2=50～70 cm；中硬岩取a2=35～50 cm；坚硬岩取a2=15～35 cm。围岩越硬，取值越小。

6)开口距离B。B=c2+2L2cosα2。

2.3.4 排距设计

1)掌子面上主掏槽孔与内掏槽孔排距b2。b2=(B-b1)/2。

2)掌子面上辅助掏槽孔与前排孔的排距b3。各级辅助掏槽孔可以选用相同的排距,一般根据需要等距选取b3=30～70 cm。

3)辅助掏槽孔孔底排距d。辅助掏槽孔一般可设置1～4排，其孔底距离可将临近崩落孔和主掏槽孔间距离等分(见图1b)，图中设置了2排辅助掏槽孔，则d=LCE/3。一般软岩可不设置辅助掏槽；中硬岩取d=100～120 cm；坚硬岩取d=70～100 cm。围岩越硬，取值越小。

2.3.5 其他参数设计

1)辅助掏槽孔孔距a3。辅助掏槽的作用是进一步扩大掏槽空腔，各级辅助掏槽可取相同的孔距，一般软岩取a3=70～80 cm；中硬岩取a3=60～70 cm；坚硬岩取a3=30～60 cm。围岩越硬，取值越小。

2)辅助掏槽孔和临近崩落孔的孔底抵抗线W。为了取得良好的扩槽效果，一般中硬岩取W≤120 cm；坚硬岩取W≤100 cm。围岩越硬，取值越小。

3)辅助掏槽孔与掌子面夹角α。α3、α4为第1、2排辅助掏槽孔与掌子面夹角,每排辅助掏槽孔的开口位置、孔底位置按以上方式确定后，其角度大小就自然确定了；α5为临近崩落孔，与掌子面夹角为90°。

4)第1排、第2排辅助掏槽孔长度L3、L4。L3=L/sinα3，L4=L/sinα4。

5)临近崩落孔长度L5。L5=L。

2.4 装药结构

1)炸药。目前隧洞开挖炸药以乳化炸药为主，掏槽孔主要选用φ32 mm药卷，每米质量为1.0 kg。

2)装药系数n。装药系数是指孔内装药长度与炮孔长度的比值，%。一般内掏槽孔装药系数取n内=60%～80%；主掏槽孔装药系数n主=65%～85%[5]；各级辅助掏槽孔n辅=55%～75%。围岩越硬，取值越大。

3)装药长度l1。为各类掏槽孔长度与装药系数之积，l1=nLn。

4)填塞长度l2。l2=Ln-l1，Ln为各类掏槽孔长度，cm。各类掏槽孔的填塞长度一般取l2=60～80 cm[5]。围岩硬，取大值。

5)单孔药量Q。各级掏槽孔的单孔药量可按Q=0.25πd2ρl1计算。式中：d为药卷直径，cm；ρ为炸药密度，g/cm3。

6)装药结构。各类掏槽孔均采用连续装药结构(见图2)。孔底第2只炸药卷装入雷管，雷管聚能穴朝向孔口，应保证孔口填塞长度和填塞质量。

图2 掏槽孔基本装药结构Fig.2 Basic charge structure of cut hole

2.5 网路连接

孔内均采用非电毫秒雷管,内掏槽孔采用MS1段，主掏槽孔采用MS3段，第1排辅助掏槽孔采用MS5段，第2排辅助掏槽孔采用MS7段，以后依次采用MS8、MS9段；孔外联炮均采用MS1段。

3 典型平行直孔掏槽设计

3.1 掏槽基本要素

常用典型平行直孔掏槽基本要素如表3所示。

表3 典型平行直孔掏槽基本要素Table 3 Basic elements of typical parallel straight hole cutting

3.2 布孔方式

平行直孔掏槽主要用于特小断面、小断面[6]隧洞开挖，一般隧洞跨度B≤5 m、断面面积A≤25 m2。常用典型布孔方式如图3所示。各种掏槽孔主要作用如下：①中心装药孔。最先起爆，主要作用是强制粉碎周围空孔以内的岩体，首先创造出较小的掏槽空腔;②周围空孔。爆破时孔内不装药，主要作用是作为中心装药孔爆破时的辅助自由面和破碎体的补偿空间;③扩槽孔。在中心装药孔起爆后逐级起爆，通过扩槽孔爆破，逐圈扩大掏槽空腔。扩槽孔一般设置3～4级，图3中以3级扩槽孔为例，扩槽后的空腔面积应达到1.0 m2以上。

注：1-中心装药孔；2-周围空孔；3-一级扩槽孔；4-二级扩槽孔；5-三级扩槽孔。图3 典型平行直孔掏槽布孔Fig.3 Cut holes of typical parallel straight holes

3.3 主要参数设计

3.3.1 基本参数设计

1)钻孔直径D。由于平行直孔掏槽主要用于小断面、特小断面，钻孔以手风钻为主，钻孔直径φ38～42 mm。施工中一般取D=42 mm。

2)设计单循环进尺L。由于开挖断面较小，设计单循环进尺不宜过大。一般在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩中，取L=1.8～3.0 m；在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，取L=0.5～1.8 m。

3)中心装药孔及周围空孔超深ΔL。为了取得较好的掏槽效果，一般中心装药孔及周围空孔的钻孔深度比崩落孔略深，软岩取ΔL=0～15 cm；中硬岩取ΔL=15～30 cm；坚硬岩取ΔL=30～50 cm。围岩越硬，取值越大。

4)中心装药孔位置。一般位于掌子面中下部。

3.3.2 孔深设计

1)中心装药孔及周围空孔孔深L0。L0=L+ΔL。

2)扩槽孔孔深LK。各级扩槽孔孔深均取设计单循环进尺，则L1=L2=L3=L。式中：L1、L2、L3分别为一级、二级、三级扩槽孔孔深，cm。

3.3.3 周围空孔设计

1)周围空孔半径r。一般周围空孔半径不宜过大，不能超出中心装药孔的粉碎圈[2]。根据爆破实践，一般取r≤20 cm，软岩取r=3.5～4.5D；中硬岩取r=2.5～3.5D；坚硬岩取r=1.5～2.5D[2，7-8]。

2)周围空孔孔距e。周围空孔为非装药孔，根据需要可设置4～8个，在中心装药孔周围均匀布置。以最常用的六空孔平行直孔掏槽为例进行设计，一般软岩取e=15～20 cm；中硬岩取e=10～15 cm；坚硬岩取e=6.5～10 cm。

3.3.4 扩槽孔间m值设计

1)周围空孔至一级扩槽孔连线的垂直距离m1。一般软岩取m1=15 cm；中硬岩取m1=10 cm；坚硬岩取m1=5 cm。

2)一级扩槽孔至二级扩槽孔连线的垂直距离m2。一般取m2=5～10 cm，软岩取大值，硬岩取小值。

3)二级扩槽孔至三级扩槽孔连线的垂直距离m3。取值方法同m2，一般取m3=5～10 cm。

3.3.5 扩槽孔孔距设计

1)一级扩槽孔孔距e1。e1=2(r+m1)。

2)二级扩槽孔孔距e2。e2=2(m2+e1sin 45°)。

3)三级扩槽孔孔距e3。e3=2(m3+e2sin 45°)。

3.3.6 扩槽孔抵抗线设计

1)一级扩槽孔抵抗线W1。W1=e1sin 45°-r，一般坚硬岩应控制W1≤20 cm。

2)二级扩槽孔抵抗线W2。W2=e2sin 45°-0.5e1，一般坚硬岩应控制W2≤30 cm。

3)三级扩槽孔抵抗线W3。W3=e3sin 45°-0.5e2，一般坚硬岩应控制W3≤50 cm。

3.4 装药结构

1)装药系数n。目前隧洞开挖炸药以乳化炸药为主，掏槽孔主要选用φ32 mm药卷，一般中心装药孔装药系数取n0=85%～90%[1-2]；一级扩槽孔装药系数取n1=80%～85%[5]；二级扩槽孔装药系数取n2=75%～80%；三级扩槽孔装药系数取n3=70%～75%。

2)装药长度l1。中心装药孔装药长度l1=n0(L+ΔL)；各级扩槽孔装药长度l1=nL。

3)填塞长度l2。中心装药孔填塞长度l2=(L+ΔL)-l1；各级扩槽孔填塞长度l2=L-l1。各类掏槽孔的填塞长度一般取l2=60～80 cm[5]，至少不应低于40 cm。

4)单孔药量Q。各级掏槽孔的单孔药量可按Q=0.25πd2ρl1计算。式中：d为药卷直径，cm；ρ为炸药密度，g/cm3。

5)装药结构。各类掏槽孔均采用连续装药结构(见图2)。孔底第2只炸药装入雷管，雷管聚能穴朝向孔口，并保证孔口填塞质量。

3.5 网路连接

孔内均采用非电毫秒雷管，中心装药孔采用MS1段，一级扩槽孔采用MS3段，二级扩槽孔采用MS5段，三级扩槽孔采用MS7段；孔外联炮均采用MS1段。

4 提高爆破效率的辅助方法

4.1 采用水平V形掌子面

在传统的隧洞开挖施工中，要求采用平齐掌子面，掌子面的形状是个跟洞轴线垂直的平面，这样便于钻孔作业。但这种平齐掌子面在岩石坚硬、完整、韧性好时，一般爆破效率比较低，每茬炮后掌子面都会留下很深的残孔，很难使钻孔利用率达到100%。这种情况下，我们可以尝试改变掌子面的形状，采用水平V形掌子面(见图4)：掌子面整体上是两侧向外凸出，中间向内凹进，水平剖面上呈V字形。其基本原理是：前排炮孔爆破后创造的临空面深度均大大超过了后排炮孔孔底，使后排孔孔底爆破夹制作用减少到最小，从而使后排孔的钻孔利用率达到100%，也就使坚硬岩石开挖爆破钻孔利用率达到100%成为现实。水平V形掌子面适用于各种开挖断面，可以与楔形掏槽和直孔掏槽结合使用[9]。

注：1-水平V形掌子面；2-炮后预形成掌子面；3-掏槽爆破后形成的空腔；4-临空面；5-崩落孔；6-周边孔；7-设计开挖线。图4 水平V形掌子面Fig.4 Horizontal V-shape tunnel face

4.2 采用分部楔形掏槽

隧洞开挖爆破施工中，掌子面掏槽面积的大小对钻孔利用率的提高是非常重要的，掌子面掏槽面积增大，可以创造较大的掏槽空腔，这有利于周围崩落孔爆破时克服环向和孔底岩石的夹制作用[10-11]。对于中型断面、大型断面，在围岩坚硬、完整，爆破效率低时，我们可以尝试采用分部楔形掏槽(见图5)，将常规的集中布置掏槽方式改变为分部掏槽方式：分为上部掏槽、下部掏槽两部分，中间间隔80～120 cm，在尽量减少掏槽孔的情况下，有效增大掏槽面积，扩大掏槽空腔，从而减少由于爆破空腔过小产生的夹制作用，有效提高钻孔利用率，提高爆破效率[3-4]。

图5 分部楔形掏槽布孔Fig.5 Wedge cut hole by part

5 工程效果与结语

2种掏槽设计方法和提高爆破效率的辅助方法均在工程实践中得到检验：①在温州赵山渡引水工程许岙隧洞进口段长2 063.5 m的硬岩开挖中，提出并采用了水平V形掌子面[7-9]；②在乌干达卡鲁玛水电站尾水隧洞工程10#施工支洞，及其负责开挖的1#主洞上游1 642 m和2#主洞上游1 540 m的主洞硬岩开挖中，均采用了分部楔形掏槽和水平V形掌子面[3-4]。以上应用钻孔利用率均达到100%。

本文结合工程实践，详细阐述了典型楔形掏槽和典型平行直孔掏槽的掏槽要素、布孔方式、主要参数设计方法，同时提出了水平V形掌子面和分部楔形掏槽等能有效提高钻孔利用率的2种辅助方法，可供硬岩隧洞爆破设计参考使用。掏槽设计中应尤其重视主掏槽孔孔距、各级掏槽孔间的抵抗线、成对主掏槽孔的孔底间距、孔内装药长度、孔口填塞长度的选取，这是保证掏槽效果的关键。这两种掏槽设计方法，可将硬岩隧洞开挖钻孔利用率提高到100%，能有效提高单循环进尺、加快开挖速度、降低开挖成本。