光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究

王林

摘要 為解決傳統(tǒng)爆破方法存在的超挖量大、施工成本高、圍巖損傷嚴(yán)重等問題，文章依托浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級(jí)公路復(fù)建工程的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)隧道工程，展開光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究，詳細(xì)闡述了光面爆破技術(shù)的基本原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，然后結(jié)合工程實(shí)際情況，確定了炮孔深度L、周邊孔孔距E、抵抗線W等爆破參數(shù)，最后進(jìn)行了實(shí)體工程應(yīng)用。研究結(jié)果表明：采用光面爆破技術(shù)方案，能夠?qū)⒉黄秸瓤刂圃? cm以內(nèi)；炮孔利用率超過96%，平均線性超挖量為9.3 cm，半孔率達(dá)到86.2%，工程應(yīng)用效果良好，該技術(shù)可在未來隧道工程領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模推廣使用。

關(guān)鍵詞 隧道工程；光面爆破技術(shù)；爆破設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U455.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0149-03

0 引言

傳統(tǒng)的隧道開挖方法在一定程度上存在著超欠挖問題，導(dǎo)致工程成本的增加、圍巖的不必要擾動(dòng)以及施工安全和工程質(zhì)量的隱患。為解決上述問題，光面爆破技術(shù)作為一種新興的施工手段被引入隧道開挖工程中。光面爆破技術(shù)以其優(yōu)異的爆破效果和施工效率，逐漸成為隧道施工中的重要工具之一。其主要目的是通過合理的炮孔布置和藥量配置，控制斷面的超欠挖，降低施工成本，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保施工安全和工程質(zhì)量[1]。該文旨在對(duì)光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究和探討，為隧道工程提供一種更加高效、經(jīng)濟(jì)和安全的施工方法，推動(dòng)光面爆破技術(shù)在隧道施工中的廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級(jí)公路復(fù)建工程，1號(hào)隧道起訖樁號(hào)EK0+160～EK1+041，長881 m；2號(hào)隧道起訖樁號(hào)EK1+146～EK1+991，長845 m；3號(hào)隧道起訖樁號(hào)EK2+087～EK2+987，長900 m；隧道總長2 626 m。其中Ⅲ級(jí)圍巖占22.7%，Ⅳ級(jí)圍巖占44.7%，Ⅴ級(jí)圍巖占32.6%，巖石單軸抗壓強(qiáng)度40～80 MPa，隧道施工范圍內(nèi)無地下管線。

2 光面爆破技術(shù)概述

2.1 技術(shù)原理

光面爆破技術(shù)有別于傳統(tǒng)的一般控制爆破技術(shù)，該技術(shù)通過合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)和爆破面形狀，能夠更加精確地控制爆破輪廓線，減少對(duì)圍巖的破壞作用，提高能量利用效率，目前已廣泛應(yīng)用于隧道掘進(jìn)工程和采礦工程中。根據(jù)對(duì)爆破破巖機(jī)理的研究，光面爆破技術(shù)的原理可以從不同的角度進(jìn)行解釋，以下是目前被廣泛接受的幾種主要理論：

（1）爆炸應(yīng)力波疊加理論：光面爆破技術(shù)可以通過疊加爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波達(dá)到破碎作用。當(dāng)炸藥爆炸釋放的能量集中在巖石中心位置時(shí)，產(chǎn)生高速?zèng)_擊波和應(yīng)力波，使巖石發(fā)生破裂和變形。

（2）爆炸氣體作用理論：爆炸過程中，炸藥爆炸產(chǎn)生大量的爆炸氣體，造成瞬時(shí)增壓作用和由此引起的沖擊力，該作用可以導(dǎo)致巖石發(fā)生壓縮、撕裂和剝離等破壞行為。光面爆破技術(shù)利用爆生氣體的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的破碎和控制。

（3）爆炸應(yīng)力波與爆生氣體共同作用理論：該理論認(rèn)為，光面爆破技術(shù)中的爆炸應(yīng)力波與爆生氣體的作用相互關(guān)聯(lián)，爆炸應(yīng)力波可以引起巖石表面的裂紋擴(kuò)展和巖石的破碎，而爆生氣體則可以擴(kuò)大裂紋形成的破碎區(qū)域，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)巖石的破碎和控制。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)爆破工藝，光面爆破主要有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）光面爆破工藝通過精確控制爆破參數(shù)和爆破面形狀，可以使爆破后的開挖面更加光滑，輪廓線更加清晰，給后續(xù)施工作業(yè)提供良好的條件。光滑的開挖面可以減少后續(xù)工程的修削和處理工作量，提高施工效率。

（2）光面爆破工藝能夠?qū)⒊吠诹靠刂圃谳^小的范圍內(nèi)，因此節(jié)約了鋼筋混凝土等材料，從而節(jié)省了施工成本。此外，減少超欠挖量還可以降低支護(hù)工作的難度，簡化施工流程，并加快施工進(jìn)度。

（3）光面爆破工藝通過精確控制爆破參數(shù)和優(yōu)化爆破面形狀，可以減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。相比傳統(tǒng)爆破工藝，光面爆破不會(huì)引起圍巖原有裂隙的擴(kuò)展，也較少產(chǎn)生次生裂隙。因此，可以克服不良地質(zhì)條件帶來的困難，確保圍巖的穩(wěn)定性和安全性，有效減少由爆破作業(yè)引起的塌方事故的發(fā)生[2]。

3 光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 炮孔深度L

待爆破巖體的性質(zhì)對(duì)炮孔深度的選擇至關(guān)重要，如巖體的強(qiáng)度、斷裂特征、裂隙發(fā)育程度等。炮孔過淺，不僅浪費(fèi)爆破材料，且會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成極大威脅。炮孔過深，會(huì)導(dǎo)致爆炸能量在巖體內(nèi)部產(chǎn)生過多的能量損失，無法達(dá)到預(yù)期的破碎效果。合理的炮孔深度可以控制圍巖的斷裂和變形，避免過度承受爆炸沖擊，從而減少松動(dòng)和支護(hù)負(fù)荷。按照炮孔深度進(jìn)行劃分，可分為淺孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破三種方式，其大致界限如表1所示。

綜合考慮該隧道工程圍巖情況、鑿巖機(jī)具效率以及工期要求等，最終確定掏槽孔和擴(kuò)槽孔深度為3.7 m，其余炮孔深度為3.5 m。

3.2 周邊孔孔距E

周邊孔孔距也是影響光面爆破效果的一大重要因素。如果周邊孔孔距過大，可能會(huì)導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的效果不均勻，難以獲得所需的平整光面，從而降低爆破效果，導(dǎo)致開挖面不符合設(shè)計(jì)要求；孔距過小，則需要增加鉆孔次數(shù)，增加了鉆孔費(fèi)用和施工成本，且較小的孔距會(huì)使得巖石在爆炸后形成大塊體，增加了巖體的處理和清理難度。

在實(shí)際隧道工程項(xiàng)目中，主要根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定周邊孔孔距，該值與炮孔直徑相關(guān)，具體見式（1）：

E=（12+20）d （1）

式中，E——周邊孔孔距；d——炮眼直徑。

結(jié)合該工程實(shí)際情況，選取周邊孔孔距為55 cm。

3.3 周邊眼抵抗線W

周邊眼抵抗線W即光爆層厚度，抵抗線W值的選取也與最終爆破效果密切相關(guān)。光爆層的作用是承受和傳遞爆破能量，通過破碎巖石來實(shí)現(xiàn)隧道開挖。當(dāng)光爆層厚度選取過大時(shí)，爆破能量無法充分地傳遞到光爆層，導(dǎo)致光爆層不容易破碎崩落，影響爆破效果和開挖進(jìn)展；光爆層厚度過小時(shí)，將導(dǎo)致光面孔的爆破變?yōu)槁┒繁?，不利于形成滑邊壁，且?huì)導(dǎo)致超欠挖的情況出現(xiàn)。

已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)挚咕€W值為1.0～1.5倍的孔距E時(shí)，爆破效果良好。因此，該工程確定抵抗線W值為65 cm。

3.4 周邊眼線裝藥密度qL

周邊眼線裝藥密度指的是單位長度炮孔內(nèi)的裝藥量大小，其計(jì)算公式見式（2）。

qL=q·E·W （2）

式中，q——炸藥單耗；E——周邊孔孔距；W——周邊眼抵抗線（光爆層厚度）。

該工程取炸藥單耗q為0.75 kg/m3，再將前文確定的E=55 cm、W=65 cm代入式（2）中，計(jì)算得到qL=

0.268 kg/m。

3.5 炮孔堵塞長度P

光面爆破施工工序中，在完成清孔裝藥后，通常需要對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞處理。堵塞炮孔的目的是防止炸藥松動(dòng)或移位，并提供支撐和密封作用，以確保爆炸能量能夠有效地傳遞到巖石中。堵塞炮孔所使用的材料通常是一種稱為炮泥（或者叫作充填料、炮孔灌漿料）的混合物，黏土常用作堵塞材料之一，具有較好的黏結(jié)性和密封性能，可以堵塞炮孔并防止炸藥松動(dòng)。堵塞長度一般根據(jù)炮孔深度、炮孔孔徑進(jìn)行確定，且應(yīng)保證≥0.4 m。

4 光面爆破設(shè)計(jì)與施工

4.1 爆破設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，該工程采用上下臺(tái)階的光面爆破法進(jìn)行爆破施工，具體爆破設(shè)計(jì)如下。

（1）掏槽形式。綜合考慮施工進(jìn)度要求、安全性、效益以及作業(yè)隊(duì)伍技術(shù)水平等因素，該工程決定采用楔形掏槽技術(shù)。該技術(shù)是一種常用于減震爆破的技術(shù)，其目的是通過改變炮眼的結(jié)構(gòu)和裝藥量，以減少爆破產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊力量。通常，楔形掏槽使用3～4對(duì)單“V”形或雙“V”形掏槽眼。掏槽眼孔深比其他炮眼孔深加深20 cm左右，裝藥量相應(yīng)增加約20%。通過增加掏槽眼的深度，爆炸波可以更好地傳導(dǎo)到巖石內(nèi)部，延長作用時(shí)間，使能量更充分地釋放。同時(shí)，通過增加裝藥量，可以增加爆破產(chǎn)生的破碎力和擠壓力，從而改善掏槽效果。

（2）炮孔布置。該工程采用五對(duì)掏槽眼，分兩級(jí)掏槽，即小掏槽眼配合大掏槽眼。小掏槽的作用是用來促使爆炸波向內(nèi)擴(kuò)展和破碎，同時(shí)為大掏槽提供更好的通道。大掏槽則承擔(dān)著更主要的破碎和排出作用，以實(shí)現(xiàn)更高效的爆破效果。具體炮孔布置如圖1所示，各炮孔的爆破參數(shù)設(shè)置如表2所示。

根據(jù)以上爆破參數(shù)設(shè)定進(jìn)行現(xiàn)場相關(guān)試驗(yàn)，爆破震速能夠控制在2 cm/s左右，且每循環(huán)進(jìn)尺為3.2 m。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)。周邊眼采用軸向空氣間隔裝藥，其余炮眼采用連續(xù)裝藥方式。

4.2 爆破施工

（1）施工工藝流程。光面爆破施工工藝流程如圖2所示。

圖2 光面爆破施工流程圖

（2）鉆孔。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)確保鉆孔的角度和方向符合設(shè)計(jì)要求。垂直或斜向的鉆孔應(yīng)按照指定的角度和方向進(jìn)行，以保證鉆孔的準(zhǔn)確性和一致性。開挖周邊孔時(shí)，應(yīng)沿隧道斷面進(jìn)行開挖，并根據(jù)周邊孔間距的要求進(jìn)行均勻布置。通過合理控制內(nèi)圈炮眼及周邊孔之間的距離，防止出現(xiàn)欠挖或凈空的情況。確保周邊孔外插角的準(zhǔn)確性，外斜率應(yīng)≤孔深的3%～5%。應(yīng)將炮眼底控制在隧道斷面開挖輪廓線的15 cm范圍以內(nèi)，確保炮眼底處于同一平面上。仔細(xì)觀察開挖面的平整性，根據(jù)具體情況對(duì)炮眼深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保炮眼底的一致性。在進(jìn)行掏槽眼作業(yè)時(shí)，使用楔形掏槽的方式，并嚴(yán)格控制鉆孔的精度，誤差應(yīng)≤3 cm。完成鉆孔工作后應(yīng)立即進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可裝藥爆破。

（3）清孔裝藥。裝藥前應(yīng)清除炮眼內(nèi)的雜物和污物，以確保裝藥時(shí)的清潔度。使用合格的爆破材料是保證爆破作業(yè)安全和效果的重要措施，該工程采用低密度、高爆力的2號(hào)小藥卷巖石硝銨炸藥。周邊孔裝藥時(shí)，將30 cm長的藥卷平均分成4段，即每段長度為7.5 cm。將導(dǎo)爆索綁扎在第1段炸藥上，確保綁扎牢固。先將第1段炸藥送到孔底，確保安放在孔底位置，之后每隔50 cm裝1段炸藥，根據(jù)每次爆破震速調(diào)整最大段裝藥量。周邊孔采用導(dǎo)爆索T形連接，該連接方式可以確保導(dǎo)爆索在周邊孔中傳遞爆破波時(shí)的一致性和同步性，從而實(shí)現(xiàn)周邊孔的協(xié)調(diào)起爆。在裝藥完畢后，確保炮眼的堵塞長度≥0.4 m。

（4）聯(lián)線起爆。使用普通8號(hào)雷管作為起爆元件來激發(fā)導(dǎo)爆管，并通過卡口塞將激發(fā)元件（雷管）、傳爆元件（導(dǎo)爆管）和起爆元件進(jìn)行連接，單發(fā)雷管起爆的導(dǎo)爆管數(shù)應(yīng)≤20根。由于導(dǎo)爆管的炸藥能量傳導(dǎo)是通過與雷管的接觸面進(jìn)行傳遞，因此需要確保導(dǎo)爆管均勻分布在雷管周圍。在綁扎導(dǎo)爆管時(shí)，應(yīng)確保綁扎緊密，導(dǎo)爆管與雷管之間接觸牢固。為確保炸藥能量在導(dǎo)爆管的傳爆方向上傳遞，雷管的聚能穴（主孔）的方向應(yīng)與導(dǎo)爆管傳爆方向相反，從而提升爆破效果。起爆順序?yàn)樘筒劭住o助掏槽孔—掘進(jìn)孔—底板孔—周邊孔。

（5）盲炮處理。完成爆破作業(yè)1 h后，應(yīng)由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和具備相關(guān)技術(shù)知識(shí)的人員，使用安全工具檢查可能存在的盲炮（沒有引爆的炸藥）。仔細(xì)檢查每個(gè)裝藥點(diǎn)，確保沒有漏引爆和未引爆的炸藥。如發(fā)現(xiàn)盲炮，立即通知相關(guān)技術(shù)人員采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。若在處理盲炮時(shí)發(fā)生二次引爆并成功，應(yīng)立即擴(kuò)大警戒范圍。若二次引爆未能成功，應(yīng)使用高壓風(fēng)清除爆破產(chǎn)生的碎片和炮渣，并確保爆破區(qū)域的安全。同時(shí)，將炸藥和起爆雷管放置在盲炮警戒區(qū)，以便進(jìn)一步處理或安全存放。

5 結(jié)語

該文依托浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級(jí)公路復(fù)建工程的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)隧道工程，展開了光面爆破技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究，得到如下主要研究結(jié)論：

（1）該文結(jié)合隧道工程具體情況，展開了光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)分析，最終確定了掏槽孔和擴(kuò)槽孔深度為3.7 m，其余炮孔深度為3.5 m，周邊孔孔距為55 cm，周邊眼抵抗線為65 cm，周邊眼線裝藥密度為0.268 kg/m。

（2）采用光面爆破技術(shù)方案，取得了良好的工程應(yīng)用效果，不平整度均在8 cm以內(nèi)，炮孔利用率超過96%，平均線性超挖量為9.3 cm，半孔率為86.2%。

（3）光面爆破技術(shù)通過設(shè)計(jì)合理的炮孔布置和藥量配置，能夠有效地控制隧道開挖的超欠挖量，減小對(duì)圍巖的沖擊和振動(dòng)，降低施工過程對(duì)周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，具有節(jié)約施工成本、提升施工安全性等優(yōu)勢(shì)，在未來的隧道工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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