一種新型隧道下臺(tái)階爆破方法及其變形方案

楊志剛（中車建設(shè)工程有限公司，北京，100078）

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一種新型隧道下臺(tái)階爆破方法及其變形方案

楊志剛
（中車建設(shè)工程有限公司，北京，100078）

本文介紹了常規(guī)正臺(tái)階法開(kāi)挖的隧道在其下臺(tái)階爆破過(guò)程中存在的問(wèn)題。為解決問(wèn)題，本文提出了一種新型下臺(tái)階爆破方法，并對(duì)該爆破方法的炮眼布置、裝填炸藥和毫秒延期雷管、起爆等步驟進(jìn)行具體闡述；接著闡述了在具體實(shí)踐施工中提出的兩種變形實(shí)施方案，供爆破方案設(shè)計(jì)人員參考；最后歸納總結(jié)了新型爆破方法的優(yōu)點(diǎn)，梳理了采用該爆破方法需要注意的事項(xiàng)，以期在工程實(shí)踐中為爆破作業(yè)人員提供指導(dǎo)建議。

正臺(tái)階法；豎向炮眼；水壓爆破；微差爆破

引言

臺(tái)階法是隧道開(kāi)挖適用最廣的施工方法，根據(jù)上、下臺(tái)階開(kāi)挖的先后順序，臺(tái)階法分為正臺(tái)階法和反臺(tái)階法。反臺(tái)階法通常用在圍巖堅(jiān)硬、整體性較好地暗挖段；正臺(tái)階法多適用于雙線隧道Ⅲ、Ⅳ及圍巖和單線隧道Ⅴ級(jí)圍巖［1-3］。鉆爆法和機(jī)械開(kāi)挖法是隧道開(kāi)挖的兩種方法，由于鉆爆法適應(yīng)性強(qiáng)，開(kāi)挖成本低，在國(guó)內(nèi)的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，鉆爆法仍將是隧道掘進(jìn)的主要開(kāi)挖法［4-6］。

1　常規(guī)下臺(tái)階爆破方法介紹及其存在的弊端

當(dāng)前，采用正臺(tái)階爆破開(kāi)挖的隧道工程，其上、下臺(tái)階炮眼通常是采用人工或小型鑿巖臺(tái)車沿上、下臺(tái)階掌子面進(jìn)行布置的；在爆破開(kāi)挖上臺(tái)階時(shí)，由于只有一個(gè)自由面（上臺(tái)階掌子面），故只能在上臺(tái)階掌子面布置炮眼；當(dāng)上臺(tái)階往前推進(jìn)一定距離，開(kāi)始爆破開(kāi)挖下臺(tái)階，常規(guī)的下臺(tái)階爆破都是沿下臺(tái)階掌子面鉆垂直或傾斜的炮眼，隨后裝藥起爆。如果按常規(guī)沿下臺(tái)階掌子面布置炮眼，則爆破時(shí)一部分能量將用來(lái)克服被爆區(qū)域內(nèi)巖石的自重，從而增加炸藥用量；另外對(duì)于一些重要的隧道工程，為保證隧道開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，通常在上臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)時(shí)，還會(huì)在上臺(tái)階底面增加一道臨時(shí)剛性橫撐［7］，此時(shí)，如果下臺(tái)階爆破開(kāi)挖時(shí)繼續(xù)采用沿掌子面布置炮眼的方式，則下臺(tái)階爆破時(shí)，由于巖石的碎脹性和爆破飛石，則很可能破壞臨時(shí)剛性橫撐和上臺(tái)階初期支護(hù)體系如圖1所示。此外，沿下臺(tái)階掌子面布置炮眼需要將前一次下臺(tái)階爆破出來(lái)的渣石清理干凈，為本次爆破騰出足夠的作業(yè)空間；還需要采用人工撬毛或機(jī)械扒渣等方式清理下臺(tái)階掌子面浮石，以保證工人鉆眼時(shí)的安全；這些都將消耗一定時(shí)間，從而影響隧道整體掘進(jìn)速度。另外，沿下臺(tái)階掌子面布置炮孔起爆時(shí)，通常都未進(jìn)行錯(cuò)臺(tái)開(kāi)挖，下臺(tái)階爆破后，使上臺(tái)階拱架（腳）懸空，易造成安全隱患。因此，當(dāng)隧道采用正臺(tái)階法爆破開(kāi)挖時(shí)，采用一種新的下臺(tái)階炮眼布置和起爆方式來(lái)減小上述不利因素，是十分有必要的。

圖1　下臺(tái)階起爆破壞臨時(shí)剛性橫撐現(xiàn)場(chǎng)照片

2　一種新型下臺(tái)階爆破方法

當(dāng)上臺(tái)階往前推進(jìn)一段距離后，下臺(tái)階爆破時(shí)有兩個(gè)自由面，即下臺(tái)階頂面（或上臺(tái)階底面）和下臺(tái)階掌子面，本文將提供一種新的隧道下臺(tái)階爆破方法，解決上述下臺(tái)階爆破開(kāi)挖時(shí)存在的若干問(wèn)題，并將該方法的具體實(shí)施流程進(jìn)行描述。

改變?cè)瓉?lái)沿下臺(tái)階掌子面布設(shè)炮孔的方式，改由在下臺(tái)階頂面豎向鉆眼，以拱形隧道下臺(tái)階一次爆破進(jìn)尺4m為例，其具體實(shí)施流程有三大步驟。

圖2　炮眼布置圖（一）

圖3　炮眼布置圖（二）

步驟一：布設(shè)炮眼。在隧道下臺(tái)階頂面鉆設(shè)直徑為34～42cm呈矩形結(jié)構(gòu)排列的炮眼，如圖2中的直角梯形虛線框所示，炮眼間的距離為a，根據(jù)巖性的不同通常a取值為0.8～1.2m；炮眼間的排距為b，根據(jù)巖性的不同通常b取值為0.75a；每排炮眼端部的炮眼與開(kāi)挖輪廓線之間的距離為d，根據(jù)巖性的不同通常d取值為5cm～10cm；第一排炮眼與下臺(tái)階掌子面上邊緣線之間的距離為W （W為最小抵抗線），根據(jù)巖性的不同通常W取值為0.9～1.5m（即W=1.5b）；D為隧道一側(cè)的周邊眼與掏槽眼的距離，通常D取值為1.2W。所有炮眼均垂直于下臺(tái)階頂面，且每個(gè)炮眼長(zhǎng)度比底部開(kāi)挖輪廓線超深h，如圖4所示，根據(jù)巖性的不同通常h取值為0～10cm，在軟弱、破碎的圍巖中取小值，堅(jiān)硬、完整的圍巖中取大值。通過(guò)1～2次爆破試驗(yàn)后即可獲取各參數(shù)最佳取值。

圖4　炮眼布置側(cè)視圖

在本次爆破結(jié)束后，下臺(tái)階掌子面將呈現(xiàn)如圖3所示的形狀，在此后每次爆破中，下臺(tái)階炮眼布置和起爆順序如圖3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所示，每次布置4～5排炮眼，圖3中與圖2相同字母所代表的意義和數(shù)值一致。

步驟二：裝填炸藥和毫秒延期雷管。向所有炮眼裝填炸藥，按松動(dòng)爆破法計(jì)算靠近臺(tái)階坡頂線的兩排炮眼需要的炸藥量；按擠壓爆破法計(jì)算遠(yuǎn)離臺(tái)階坡頂線的兩排炮眼需要的炸藥量。在具體裝藥時(shí)，采用如圖5所示的水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)［8］，即先在炮眼底部裝入一節(jié)水袋，隨后根據(jù)計(jì)算值，在每個(gè)炮眼中裝入相應(yīng)炸藥量，再裝入若干節(jié)水袋，最后用炮泥進(jìn)行堵塞。最靠近下臺(tái)階掌子面的第一排炮眼裝藥量最少，通常裝藥長(zhǎng)度為炮眼長(zhǎng)度的1/3；距離下臺(tái)階掌子面最遠(yuǎn)一排炮眼裝藥量最多，通常裝藥長(zhǎng)度為炮眼長(zhǎng)度的1/2；位于兩者中間的幾排炮眼裝藥量隨炮眼與下臺(tái)階掌子面距離的增大而逐排增多。每個(gè)炮眼在最先裝入的一節(jié)炸藥中埋設(shè)一發(fā)毫秒延期雷管，為防止發(fā)生沖炮現(xiàn)象，炮泥堵塞一定要密實(shí)，堵塞長(zhǎng)度一定要夠，通常炮泥堵塞長(zhǎng)度為炮眼長(zhǎng)度的1/4～1/5左右。

步驟三：起爆。本方案采用微差爆破方式起爆，即逐排依次起爆，具體來(lái)講，在首次采用本方法進(jìn)行下臺(tái)階爆破時(shí)，爆破順序按圖2中編號(hào)1→2→3→4的順序逐排起爆。

在以后的每次起爆過(guò)程中，爆破順序如圖3所示，按圖中編號(hào)Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ的順序逐排起爆。

圖5　水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)隧道呈馬蹄形、圓形等形狀時(shí)，鉆靠近隧道兩側(cè)的豎向炮眼需要嚴(yán)格控制炮眼孔深，炮眼超深會(huì)使爆破后發(fā)生超挖現(xiàn)象，炮眼過(guò)淺又會(huì)使爆破產(chǎn)生欠挖現(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題，可以采用沿隧道下臺(tái)階掌子面兩側(cè)鉆呈水平方向布置的周邊眼，其余靠近下臺(tái)階隧道中心線附近的炮眼仍然采用豎向鉆眼方式。

在工程實(shí)踐中可根據(jù)隧道圍巖等級(jí)和隧道開(kāi)挖輪廓線的高度、寬度以及隧道所處周邊環(huán)境等因素綜合考慮下臺(tái)階一次爆破過(guò)程中炮眼布置的排數(shù)及每排炮眼的個(gè)數(shù)。

3　新型下臺(tái)階爆破的兩種變形方案

為進(jìn)一步改善巖石爆破效果，當(dāng)隧道寬度過(guò)大時(shí)，為減小隧道兩側(cè)圍巖爆破時(shí)的夾制作用，可將本爆破方案變形為方案一；當(dāng)下臺(tái)階起爆高度過(guò)大時(shí)，還可將本爆破方案變形為方案二。

3.1方案一

本爆破方法的一種變形方案如圖6、7所示，第一次起爆前，炮眼布置如圖6中虛線框所示，采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管逐排依次起爆，起爆順序?yàn)閳D中編號(hào)1→2→3→4所示，排與排之間的炮眼采用梅花形布置，從而更有利于改善巖石破碎效果；第一次起爆后，上下臺(tái)階之間將形成如圖7所示的分界面，此后每次下臺(tái)階起爆時(shí)，炮眼布置如圖7中兩個(gè)虛線框所示。其中矩形虛線框中編號(hào)為5和6的炮眼是沿下臺(tái)階掌子面布置的，最靠近隧道開(kāi)挖輪廓線編號(hào)為6的炮眼為周邊眼，其炮孔中的裝藥量比5少，且炮孔間距要比編號(hào)為5的炮孔密，以保證周邊眼爆破后形成良好的輪廓線。

圖6　方案一炮眼布置圖（一）

圖7　方案一炮眼布置圖（二）

3.2方案二

當(dāng)爆破開(kāi)挖的下臺(tái)階高度超過(guò)4m時(shí)，如果繼續(xù)采用單一沿上臺(tái)階底面鉆豎向炮眼的方案，在炮眼深度鉆進(jìn)超過(guò)4m后，無(wú)論是采用人工或是小型潛孔鉆機(jī)鉆進(jìn)速度將明顯下降［9-10］，這無(wú)疑將增加鉆設(shè)炮眼的消耗時(shí)間；為解決這一問(wèn)題，當(dāng)下臺(tái)階高度大于4m時(shí)，可以在下臺(tái)階掌子面靠近底部開(kāi)挖輪廓線的一定高度，沿下臺(tái)階掌子面鉆1～2排平行于底部開(kāi)挖輪廓線的水平炮眼，第一次起爆時(shí)，炮眼布置如圖8所示；此后每次下臺(tái)階起爆時(shí)，炮眼布置如圖9所示。水平炮眼裝藥結(jié)構(gòu)與豎向炮眼一致，同樣采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，在豎向炮眼全部起爆完畢后，再起爆；其中，最靠近底部開(kāi)挖輪廓線的一排水平炮眼最后起爆。

若隧道形狀呈馬蹄形或圓形等形狀時(shí)，在鉆靠近隧道側(cè)壁的豎向炮眼和靠近底板的水平炮眼時(shí)，需要根據(jù)下臺(tái)階開(kāi)挖線來(lái)嚴(yán)格控制炮眼鉆孔深度及與周邊輪廓線之間的距離，以確保爆破不發(fā)生超欠挖現(xiàn)象。

4　本爆破方案優(yōu)點(diǎn)及注意事項(xiàng)

4.1與傳統(tǒng)下臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)相比，采用本爆破方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖8　方案二炮眼布置圖（一）

圖9　方案二炮眼布置圖（二）

（1）起爆時(shí)克服巖石重力做功少，爆破同體積巖石炸藥消耗量少；同時(shí)向上的爆破飛石少，對(duì)上臺(tái)階的初支體系破壞和擾動(dòng)也較小。

（2）沿上臺(tái)階底面垂直鉆炮眼能分擔(dān)絕大部分手持式氣腿鑿巖機(jī)的重量，工人作業(yè)強(qiáng)度小。

（3）沿上臺(tái)階底面鉆炮眼不需要將前一次下臺(tái)階爆破出來(lái)的渣石清理完，同時(shí)也不需要清理下臺(tái)階掌子面浮石，就可以鉆炮眼，使爆破時(shí)間可以前后靈活移動(dòng)，對(duì)整個(gè)隧道開(kāi)挖有利。

（4）采用本爆破設(shè)計(jì)和起爆順序，靠近隧道兩側(cè)邊墻的圍巖起爆時(shí)有很好的臨空面，兩側(cè)邊墻圍巖夾制作用小，爆破時(shí)均沿臨空面移動(dòng)，對(duì)隧道兩側(cè)邊墻圍巖的破壞和擾動(dòng)小。

（5）采用本爆破設(shè)計(jì)和起爆順序，前排采用松動(dòng)爆破，爆破飛石少，爆堆相對(duì)集中；后排采用擠壓爆破，被爆巖石碰撞擠壓效果好，同時(shí)，后排爆破可以對(duì)前排的爆堆進(jìn)行二次爆破（或破碎），降低了爆破大塊率。

（6）采用錯(cuò)臺(tái)爆破開(kāi)挖下臺(tái)階，避免了上臺(tái)階拱架（腳）懸空，提高了初支的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。

4.2注意事項(xiàng)：

（1）采用本爆破設(shè)計(jì)和起爆順序前，需要用高壓風(fēng)槍將上臺(tái)階底面殘留的渣石清理干凈才能進(jìn)行鉆孔作業(yè)；鉆孔完畢，用高壓風(fēng)槍清孔時(shí)，需要防止炮眼內(nèi)污水飛濺。

（2）采用人工配合手持式氣腿鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有的開(kāi)挖臺(tái)架進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝，為固定鑿巖機(jī)的氣腿支撐提供著力點(diǎn)。

（3）采用人工配合手持式氣腿鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)，在換鉆桿的過(guò)程中需要克服鉆桿自重，通常需要另外一名工人配合操作手完成。

（4）鉆靠近臺(tái)階坡頂線的第一和第二排炮眼時(shí)，需要注意安全，防止作業(yè)工人和機(jī)械墜落。

（5）當(dāng)隧道形狀呈馬蹄形或圓形等形狀，采用本爆破設(shè)計(jì)和起爆順序時(shí)，需要嚴(yán)格控制周邊眼和底板眼的鉆孔深度及與開(kāi)挖輪廓線的距離。

5　結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今隧道掘進(jìn)工程中，爆破開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)，絕大多數(shù)都采用沿下臺(tái)階掌子面布置炮眼的方式，而采用沿下臺(tái)階頂面布置豎向炮眼的方式涉及較少。本文給出的下臺(tái)階爆破方法及其兩種變形實(shí)施方案為今后采用臺(tái)階法爆破開(kāi)挖的隧道工程提供了一種新思路和方法。

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楊志剛（1988-），男，漢族，助理工程師/碩士研究生畢業(yè)，主要從事工程管理、地下工程爆破方面研究。

E-mail: 963900569@qq.com

Method Deformation Scheme on Tunnel Down Step Blasting

Zhigang Yang
（CRRC Construction Engineering .CO.，LTD， Beijing， 100078， China）

The paper firstly introduced and conventioned a method of blasting excavation of tunnel under bench blasting problems.In other to solve these problems， this paper provided a new type of bench blasting method， and the arrangement of blasting method， such as loading， detonating explosives and millisecond delay detonator steps description.Then， according to the different construction conditions， the paper put forward the method of two kinds of deformation scheme， blasting scheme for designers to choose. Finally，this paper used the new blasting method that has been carried on the induction summary of the advantages， and the matters of the blasting method must be aware of the comb， for the blasting operation personnel in the engineering practice guidance.

Positive Benching Tunneling Method； Vertical Hole； Hydraulic Blasting； Millisecond Blasting

TD235.31

A

2095-8412 （2016） 03-329-05