光面爆破技術在隧道施工中的應用

（朝陽市引白入朝供水工程建設管理局，遼寧朝陽122000）

光面爆破技術在隧道施工中的應用

包宇

（朝陽市引白入朝供水工程建設管理局，遼寧朝陽122000）

光面爆破技術自20世紀70年代以來在我國得到廣泛應用，其技術理論也在大量工程實踐中日益成熟。本文通過對遼寧省某工程實例進行分析計算，研究光面爆破技術在應用于工程實踐時其技術參數(shù)如何確定，并論述了各參數(shù)對爆破效果產(chǎn)生的影響。

光面爆破；技術參數(shù)；效果；隧道施工

自1970年以來，光面爆破技術在我國在礦山、水利、地下工程中得到了廣泛應用，至今已成為控制開挖輪廓線的主要爆破方法之一，尤其在光面爆破與錨噴支護相結(jié)合后，已成為井巷工程中一項重大技術改進。我國目前對光面爆破技術的研究也都是基于工程實際經(jīng)驗，下面以遼寧省某重點輸水工程為例，工程沿線大量應用光面爆破法，除使用常規(guī)光面爆破以外，還根據(jù)各地不同的地質(zhì)情況，尤其針對圍巖強度較弱的軟巖地區(qū)，摸索出半卷裝藥等裝藥方法，提高了光爆質(zhì)量，對控制超、欠挖起到了重要作用。

1 光面爆破原理

光面爆破，是沿開挖邊界布置密集炮孔，采取不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)之后起爆，以形成平整輪廓面的一種爆破作業(yè)。其實質(zhì)是沿開挖輪廓線布置間距減小的平行炮眼，在光面炮眼中進行減少藥量的不耦合裝藥，選擇合理的光爆參數(shù)后起爆，爆破時沿炮眼的中心聯(lián)接線破裂成平整的光面。

由于采用不耦合裝藥，藥包爆轟后，炮眼壁上的壓力顯著降低[1]。此時藥包的爆破作用為準靜壓作用。當炮孔壓力值低于巖石動抗壓強度時，在炮眼壁上就不致造成“壓碎”破壞。這樣爆轟波引起的應力波和鑿巖時在炮眼壁上造成的應力狀態(tài)相似，只能引起少量的徑向細微裂隙。

2 影響光爆效果的主要參數(shù)

我國隧洞爆破施工中常用的爆破方式包括毫秒爆破、預裂爆破、光面爆破等等，毫秒爆破可更好地補充破碎作用，并可減弱炮震影響，但網(wǎng)路設計較復雜，需使用特定的毫秒延期雷管及導爆材料；預裂爆破與光面爆破都旨在爆破形成相對較平整的輪廓面，其中預裂爆破在開挖邊界布置密集炮孔，在主爆區(qū)之前起爆，在主爆區(qū)與保留區(qū)之間形成預留縫，繼而減弱主爆區(qū)對保留巖體的破壞；光面爆破則以首先爆破主爆區(qū)、再爆破周邊孔的方式達到形成平整輪廓面的目的。光面爆破洞室成形規(guī)整、光滑，炮震擾動范圍小，可有效地減少應力集中引起的塌方，一般只做5～15cm的噴射混凝土支護，與普通爆破后的混凝土襯砌相比，既可相應增大洞室使用面積，也可提高施工速度，對巖性不良地段，效果更為顯著。此外，光面爆破還可比普通爆破方法節(jié)省炸藥15%左右，眼孔利用率高10%左右[4]。

由于光面爆破具備以上優(yōu)點，故而成為我國隧洞爆破施工中最常用的爆破方法之一，使光面爆破發(fā)揮最優(yōu)爆破效果的關鍵，在于合理確定爆破參數(shù)，主要爆破參數(shù)有：最小抵抗線、炮孔密集系數(shù)、不耦合系數(shù)、線裝藥密度、孔距和起爆時差等[2]。本論文以遼寧省某重點輸水工程為例，分析論證光面爆破在新奧法施工中如何確定光面爆破參數(shù)。

3 實際應用

3.1 工程基本情況

該工程位于遼寧省境內(nèi)，主體工程為有壓引水隧洞，開挖斷面為圓拱斜墻，洞徑5m×5m。隧洞圍巖主要為侏羅系髫髻山組玄武巖、安山質(zhì)角礫熔巖和白堊系義縣組玄武巖，巖石以弱風化～微風化為主，均屬中硬巖，未見較大斷裂構造穿越洞線。地下水類型主要為基巖裂隙水，洞室開挖地下水以滲水～滴水為主，局部線流。圍巖單軸飽和抗壓強度在30～60MPa之間，以Ⅲ類或Ⅳ類圍巖為主。光面爆破施工首先要在分析確定圍巖性質(zhì)，并在其基礎上根據(jù)實際施工經(jīng)驗確定基本參數(shù)，表1為該工程Ⅲ類圍巖光面爆破采用的基本參數(shù)。

表1 基本參數(shù)表

3.2 最小抵抗線

周邊炮孔與最外層主爆孔之間的一圈巖石層成為光爆層，光面層厚度或周邊眼（光爆孔）到鄰近輔助眼間的距離，即是光面眼（光爆孔）起爆時的最小抵抗線。最小抵抗線可采用經(jīng)驗公式（1）來計算：

式中：W——光爆層厚度，即最小抵抗線；qb——炮眼內(nèi)的裝藥量；S——炮眼間距；Lb——炮眼長度；q——爆破系數(shù)，相當于炸藥單耗值，取1.2kg/m3。

實踐中最小抵抗線不應小于光面眼間距，一般可取W=（10～20）d計算，d為炮孔孔徑，該工程中Ⅲ類圍巖光爆層厚度取W=0.6～0.7m，即W≈16d，同理Ⅳ類0.65m，Ⅴ類0.6m。

3.2.1 單孔裝藥量及線裝藥密度

線裝藥密度是指單位長度炮孔內(nèi)的裝藥量，又稱裝藥集中度。單孔裝藥量計算公式可由公式1變形得

式中：E——炮孔間距。

則線裝藥密度q0=qb/Lb=EWq。

本文所例工程爆破采用環(huán)向不耦合連續(xù)裝藥，帶入已知參數(shù)可得，Ⅲ類圍巖qb≈1.2kg，q0≈0.4kg/m，同理可計算Ⅳ類及Ⅴ類圍巖單孔裝藥量及線裝藥密度，計算結(jié)果略。

3.2.2 周邊孔間距E及炮孔數(shù)量

周邊孔布置在距開挖斷面邊緣0.05m處，光爆孔的孔底朝隧洞開挖輪廓線方向傾斜3°～5°。周邊孔間距E可采用公式E=（10～20）d，根據(jù)該工程地區(qū)圍巖強度，Ⅲ類圍巖可取E≈12d，該工程鉆孔機選用常用的YT28型風槍鉆孔，炮孔直徑為42mm，故Ⅲ類圍巖孔間距約為12×42mm≈0.50 m，Ⅳ類圍巖可同Ⅲ類，Ⅴ類圍巖間距可取10.5倍孔炮孔直徑，即取0.45m。

炮孔數(shù)量取決于掘進斷面積、巖石性能和炸藥性能?？讛?shù)過少將造成大塊增多，周壁不平整，甚至會出現(xiàn)炸不開的情況；相反，孔數(shù)過多將使鑿巖工作量增大。該工程開挖斷面5m×5m，根據(jù)所選用孔間距，可計算得分圍巖類別布置炮孔數(shù)：Ⅲ、Ⅳ類圍巖70～75個，Ⅴ類圍巖80個。

3.3 炮孔密集系數(shù)

K為周邊孔（光爆孔）的密集系數(shù)，可用K＝E/ W來表示。K值過大時，爆破后可能在光爆孔間留下巖埂，造成欠挖，達不到光面爆破效果；反之則會在新壁面造成凹坑，可能出現(xiàn)超挖。實踐操作多具有小孔距、大抵抗線的特點，即最小抵抗線大于孔距，尤其在堅硬巖石中密集系數(shù)皆小于1。這樣，可使反射拉伸波從最小抵抗線方向折回之前造成貫穿裂縫，隔斷反射拉伸波向圍巖傳播的可能，減少圍巖破壞。密集系數(shù)K取值為0.71～0.75m。

3.4 不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)K′，是指炮孔直徑與藥包直徑之比（環(huán)向空氣間隔裝藥時）。光面爆破采用藥包直徑小于炮孔直徑的方法，因而一般情況下不耦合系數(shù)K′＞1，其取值介于1.1~3.0之間。

3.5 爆破安全距離計算

爆破安全距離應按爆破有害效應如地震波、沖擊波、個別飛散物分別核算，并取最大值。

3.5.1 爆破振動安全允許距離

爆破振動安全允許距離可按下式計算：

式中：R——爆破振動安全允許距離，m；Q——炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量，kg；V——保護對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s；K，a——與爆破設計點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，中硬巖石K取150～250，a取1.5～1.8。

根據(jù)該工程爆破設計，洞挖工程最大一段起爆藥量16kg，K值取200，a值取1.5，一般磚房、砌體安全允許振速取3cm/s，計算得：洞挖工程爆破振動安全距離R=41.43m。

3.5.2 爆破沖擊波安全允許距離

沖擊波對人員安全距離Rr=1/2KrQ=5×48×1/ 2=34.6m（Kr=1～5，Q為最大裝藥量）。

沖擊波對建筑物的安全距離R物=K物Q1/3= 10×481/3=36.34m（K物=5～10，Q1為最大裝藥量）。

根據(jù)以上計算知，所采取爆破方案產(chǎn)生的沖擊波在規(guī)定的爆破安全距離200m以內(nèi)。

根據(jù)以上計算爆破個別飛石對人員的安全距離設定為300m，對非機動設備的安全距離設定為100m。

4 結(jié)語

采用傳統(tǒng)爆破方法，碎石中會出現(xiàn)炮眼利用率低，圍巖穩(wěn)定性差，超欠挖等問題[3]，在隧道施工中采用光面爆破技術，爆破后可在隧道周邊形成一個光滑平整的邊壁，使隧道斷面既符合設計輪廓要求[4]，又使隧道圍巖不產(chǎn)生損傷，從而保持圍巖的完整性和自身承載能力，同時避免了隧道施工時欠挖和超挖現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少了欠挖處理的時間和超挖所需的填料，達到加快進度、降低成本、保證質(zhì)量的工程要求，更重要的是采用光面爆破技術可防止爆破對隧道圍巖的強烈擾動，以保持隧道圍巖的穩(wěn)定性[5]。

在實際施工過程中，還有很多諸如起爆時間差等因素會影響到光爆的效果，鉆孔、裝藥工人在實際施工中也存在很多如鉆孔位置不佳、裝藥角度不便等外在因素會對光爆效果產(chǎn)生影響，只有在實踐中不斷積累經(jīng)驗，加之與光面爆破技術理論的結(jié)合，才能保障光面爆破的質(zhì)量，進而保證整個隧洞施工安全順利的進行。

［1］黃紅波.光面爆破技術在巷道掘進中的應用［J］.有色礦冶，2012，28（04）：7.

［2］尚玉峰.影響光面爆破效果的因素分析［J］.南方科技，2008（06）：53.

［3］尚玉峰.控制爆破技術研究及發(fā)展建議［J］.四川冶金，2009，31（06）：59.

［4］崔慶龍，任姍姍，等.光面爆破技術及其應用［J］.科技向?qū)В?010（06）：10.

［5］顧義磊，李曉紅，等.隧道光面爆破合理爆破參數(shù)的確定［N］.重慶大學學報，2005，28（03）：95.

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