光面爆破技术探讨与实践

徐少东 XU Shao-dong

（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300）

0 引言

近年来，我国在建的特长和长大隧道的建设规模与数量呈不断上升的趋势[1]。但多数隧道仍采用传统的钻爆法进行施工，使得设计轮廓线成型不甚理想。为此，杨玉银[2]提出微量装药光面爆破技术并应用于实践取得良好效果；马芹永[3]探讨了合理的不耦合装药条件下周边炮眼间距和光面层厚度的计算；陆鹏举[4]对软垫层装药爆破进行了深入的理论分析，确定了垫层装药的光爆参数；戴俊[5]提出软岩隧道应考虑崩落眼爆破对光爆层的损伤效应；邓师泉[6]应用决策理论优选出一组合理的爆破参数（周边孔间距、光爆层厚度、线装药密度），并运用ANSYS/LS-DYNA 进行验证。

综上所述，为控制隧道超欠挖现行研究多集中在爆破参数、装药结构、装药量的调整与修正上，而在起爆技术方面却鲜有研究。鉴于此，开展隧道光面爆破与优化导爆索起爆技术具有工程意义。

1 工程概况

旗杆山隧道为重庆城口（陕渝界）至开州高速公路A3合同段控制性工程，隧址位于穿越重庆城口县高燕乡与蓼子乡间界山旗杆山，为双向行驶的双洞四车道高速公路隧道，隧道全长15296m，其中Ⅲ级围分布总长5810m、Ⅳ级围岩分布总长5085m、Ⅴ级围岩分布总长4402m。

隧道最大埋深1400m；开挖高度9.1 m，宽度11.1m；现场试验研究在YK51+875-YK51+825 区段内进行，围岩属Ⅲ级；岩性主要为灰岩，全-弱风化，节理裂隙较发育；由于设计和施工中存在较多问题，导致施工进度缓慢。

2 存在的问题

①未采用光面爆破技术，周边孔采用导爆管雷管起爆，其本身就存在±50ms 的间隔，不能保证周边炮孔同时起爆，爆破效果较差且较为浪费雷管。

②周边孔与内圈孔采用跨段雷管，内圈孔起爆雷管为13 段，周边孔起爆雷管为15 段，起爆隔时间相差约200ms。

③周边孔孔距布置不均匀，孔距为50～80cm；光爆层厚度80cm；周边孔装药结构不合理；爆破后孔痕率不足10%，轮廓面成锯齿状，造成较大的超欠挖。

3 周边孔爆破参数优化与施工工艺

3.1 周边孔爆破参数研究

①炮孔直径。隧道内采用的钻孔设备为YT-28 型手持式风钻，故炮孔直径为40mm。

②炮孔深度。炮孔深度为2.5m。

③单孔装药量。周边眼的装药量按线装药密度确定，其计算公式为：

式中：L—炮孔深度，m；f—线装药密度，kg/m。

根据公式，计算出单孔装药量为400g。

④堵塞长度。

炮孔堵塞长度一般根据炮孔深度确定，深度超过1m的炮孔，堵塞长度必须≥0.5m，周边孔深2.5m，因此，堵塞长度选择0.5m。

⑤周边孔间距。

目前，用于计算周边孔间距E 主要使用岩石的断裂理论式、半经验半理论式等。

1）岩石的断裂理论式[7]：

式中：r—炮孔半径，mm；f—岩石普氏系数，坚固的砂岩f=6~8，取f=7；K—调整系数，k=10~16；围岩较硬时，取大值。

炮孔半径为20mm，经过计算

2）半经验半理论：

式中：d—炮孔直径，mm。

炮孔直径为40mm，经过计算得出周边孔间距为48～60cm。

对于节理较发育、层理明显的地下开挖工程，周边孔间距可适当减小。综合考虑式（2）及式（3），选取45cm 作为合理的周边孔间距，其符合一般情况下周边孔取值范围。

⑥光爆层厚度。

光爆层厚度W 直接影响光面爆破效果，W 间距过大，光爆层间岩石将得不到适当的破碎，甚至不能完整的切割下来；反之，围岩容易受到反向拉伸波的作用，岩体产生大量的微观裂隙，影响围岩稳定。

光爆层厚度可根据豪柔公式来确定：

式中：q——装药量，kg；C——爆破系数；Ib——炮孔长度，cm；E——周边孔间距，cm。

根据当前隧道岩性，确定爆破系数C=0.65、周边孔装药量（0.4kg）、炮孔长度（2.5m），周边孔间距（45cm）代入式（4）有：

取W=55cm。

⑦炮孔密集系数。由前文设计可知周边孔间距45cm，光爆层55cm，因此，炮孔密集系数为0.82。

3.2 周边孔施工工艺研究

3.2.1 装药结构

严格控制周边炮孔装药量，采用合理的装药结构，尽量使炸药沿孔深均匀分布，是实现光面爆破的重要条件。为使爆炸能量沿炮孔均匀分布，需将炸药沿炮孔轴向布设，即周边孔采用空气间隔装药。

用导爆索铺设整个炮孔，导爆索送入孔底过程中应避免打结。另外，导爆索在孔口预留30cm 左右用于绑接主导爆索。为确保药卷均匀的放置在炮孔内，根据炮孔深度用标有长度记号的炮棍将炸药送入周边孔相应位置，装药结构如图1 所示。

图1 周边孔装药结构示意图（cm）

3.2.2 导爆索连接

周边孔能同时起爆是光面爆破的一个基本要求，故应采用导爆索起爆网路。导爆索起爆采用了“T”型搭接法，如图2 所示。T 型接法可以不用考虑传爆方向，便于在主导爆索两端设置起爆雷管，增加网路可靠性；杜绝了采用传统的搭接方式时，需要考虑主导爆索的传爆方向以及搭接长度不小于15cm 的问题。

图2 导爆索“T”搭接法

3.2.3 雷管段别优选

内圈孔与周边孔之间延期时间应为50～110ms，通过现场调查发现，内圈孔起爆雷管为ms13、周边孔起爆雷管为ms15，两者起爆时间间隔约为220ms，过长的时间间隔可能导致先起爆的内圈孔飞石破环周边孔起爆网路，因此，周边孔起爆雷管的段别应比内圈孔起爆雷管高一个段别，即周边孔起爆雷管为ms14，可满足延期要求。

若现场没有连段雷管，周边孔与内圈孔起爆雷管可设置成相同段别，但周边炮孔和内圈孔之间需要连接ms3 或ms5 段雷管进行孔外延期，以便于将其延期时间控制在50～110ms。

3.2.4 起爆端设置

为了减少爆破振动对围岩的影响，将周边孔分为左右两幅，分别用一个主导爆索起爆。由于周边孔起爆网路是暴露在孔口位置，特别是导爆索起爆端因下垂离内圈孔更近，更容易受到内圈炮孔冲出孔口的爆生气体破坏[8]，从而导致周边炮孔出现盲炮，因此需要对导爆索起爆端进行专门设置。

导爆索起爆端设置在两个拱顶内圈炮孔中间的位置，使导爆索起爆端尽量远离内圈孔孔口。导爆索起爆雷管绑接方式如图3 所示，边墙的两个导爆索起爆端绑接方式与拱顶相似。

图3 起爆端设置方式

4 爆破效果

实验前，旗杆山隧道爆破后轮廓面上上基本无孔痕，多呈现凹凸不平的形态。通过对原有的爆破技术和起爆方式进行优化，可以从轮廓面上很直观的观察到孔痕，并且孔痕率在90%以上，达到文献[9] 规定的中硬岩孔痕率需≥60%的标准；实验前后爆破效果如图4 所示。

图4 光面爆破效果对比

表1 给出旗杆山隧道实验前、实验后一星期内初支混凝土消耗情况，图5 为实验前后超挖情况。

表1 光面爆破前后初支混凝土消耗量对比

由表1 可知，采用光面爆破技术后，混凝土消耗量平均每循环减少4.57m3，大大降低了初支混凝土超耗。

由图5 可知，实验前最大超挖区间为31cm~36cm，实验后最大超挖区间为17cm~26cm；相比实验前最大超挖有了较大改善，平均超挖降低了36.86%，从侧面证明了实施光面爆破是控制超欠挖的一项重要举措。

图5 实验前后超挖情况对比

5 体会

在光面爆破施工中，影响爆后效果的并不仅仅有周边孔参数、装药结构、炮孔密集系数等，还应考虑周边孔起爆网路的连接以及周边孔与内圈孔之间起爆时差的影响，尽可能将风险因素降到最低。改进后的光面爆破技术在旗杆山隧道取得良好的效果，并推广应用于城开高速公路各在建隧道。