大断面隧道光面爆破设计(1).pdf

第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 010 大断面隧道光面爆破设计* 刘赶平 （中铁十六局集团 第三工程有限公司， 湖州 313000） 摘 要 采用气腿式凿岩机钻孔的大断面隧道爆破， 因受台架结构限制， 光面爆破效果往往不理想。为解 决气腿式凿岩机钻孔爆破开挖隧道炮孔利用率低， 光面爆破效果差的问题， 依托赣深高铁龙南隧道为工程背 景， 基于现场地质条件以及施工方式， 结合光面爆破设计原理， 提出了适用于采用气腿式凿岩机钻孔的大断 面隧道的光面爆破方案， 并在现场试验中取得了较好的爆破效果。研究表明 隧道施工时， 光面爆破参数的 选取应综合考虑现场地质条件以及施工方式。本隧道掘进中采用设计的光面爆破方案炮孔利用率可达 90. 2％， 炸药单耗由试验前 0. 78 kg/ m3降低到 0. 75 kg/ m3， 光面爆破效果明显提高， 有效地减少了施工成 本， 加快了施工进度。 关键词 大断面隧道；光面爆破；炮孔利用率；炸药单耗；施工方式 中图分类号 U25 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0065 -08 Smooth Blasting Design for Large Cross-section Tunnel Excavation LIU Gan-ping （China Railway 16thButeau Group 3tdEngineering Co Ltd， Huzhou Zhejiang 313000， China） Abstract Due to the limitation of drilling bench structure， the smooth blasting effect is always unsatisfactory in large cross-section tunnel by blasting with air-leg drilling machine. Based on the engineering background of Longnan Tunnel in Jiangxi-Shenzhen High-speed Railway， a smooth blasting scheme was put forward for the large cross-section tunnel excavation by air-leg drilling machine. The blasting scheme was verified by field tests and good smooth blas- ting effect is achieved. Results shows that the utilization ratio of blasting hole reaches up to 90. 2％ by using the de- signed smooth blasting scheme and the explosive consumption per unit is reduced from 0. 78 kg/ m3to 0. 74 kg/ m3. Meanwhile， the smooth blasting effect is obviously improved and the construction cost is greatly reduced. In tunnel construction， the site geological conditions and construction s should be considered for smooth blasting param- eters to meet the requirements of tunnel excavation and to ensure the construction efficient and economically. Key words large cross-section tunnel；smooth blasting；utilization ratio of blasting hole；explosive consump- tion per unit；construction 收稿日期 2019 -06 -06 作者简介 刘赶平 （1979 - ） ， 男， 高级工程师， 从事地铁隧道施工管 理工作，（E-mail） 34072418 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金 （41372312） ； 国家自然科学基金 （41807265） 随着经济快速发展以及交通量需求增大， 大断 面隧道越来越多 ［1， 2］。目前国内隧道主要采用钻爆 法施工 ［3-6］。当隧道断面较大时， 隧道施工成本较 大。为节约施工成本， 气腿式凿岩机钻孔的方式仍 被普遍采用。采用该方法钻孔需要在掌子面前布置 钻孔台架 （图 1） ， 由于装载机出渣的需要， 台架中间 （图 1 红框内部分） 无法进行理想的常规楔形掏槽 钻孔， 导致常规楔形掏槽孔的孔口间距与孔底间距 均较大， 掏槽孔爆破时内部岩石不能完全抛出， 严重 影响开挖循环进尺以及光面爆破效果， 造成施工成 本大大增加 ［7］。 近年来， 许多学者针对光面爆破机理以及光面 万方数据 爆破参数的选取开展了大量研究。温润国将光面爆 破技术应用到岩巷中深孔施工中， 提出了在岩巷掘 进自由面小、 岩石所受夹制作用大的情况下合理选 取光面爆破参数的方法 ［8］。陈明辉根据光面爆破 作用机理以及参数确定方法， 通过工程实例分析研 究了如何利用光面爆破技术提高光面爆破效果 ［9］。 满奕针对花岗岩地层隧道开展了光面爆破试验研 究， 通过逐步调整优化参数与现场验证形成了合理 的光面爆破设计方案 ［10］。张俊兵针对大断面隧道 不同围岩条件， 重点优化分析了掏槽孔布置形式与 爆破参数， 提出应根据现场不同地质条件选择不同 掏槽方式的观点 ［11］。李达昌借助有限元软件分析 确定了大断面硬岩隧道的爆破优选方案， 并用现场 数据验证了光面爆破方案的合理性， 减少了现场施 工成本 ［12］。刘俊轩对比分析了不同掏槽形式的爆 破效果， 并提出了适用于硬岩巷道的全断面光面爆破 技术， 最终在现场应用中取得了良好的光面爆破效 果 ［13］。以上研究虽然针对不同工程地质条件选取了 光面爆破参数， 但并未考虑现场施工方式。而不同的 施工方式 （机械钻孔、 气腿式凿岩台机钻孔） 很大程度 上影响着光面爆破参数的选择 ［14］。因此， 寻找合理 的光面爆破参数对于保证采用气腿式凿岩机钻孔的 大断面隧道施工高效、 经济地进行尤为重要。 以赣深高铁龙南隧道为工程背景， 基于现场地质 条件以及施工掘进方式， 提出了一套合理的光面爆破 方案， 并通过现场试验进行验证， 取得了较好的爆破 效果， 保证了隧道施工质量， 节约了施工成本， 加快了 施工进度， 可为同类隧道施工提供参考。见图1。 图 1 钻孔台架示意图 （单位 m） Fig. 1 The drawing of drilling bench （unit m） 1 工程概况 龙南隧道位于江西省赣州市全南县和龙南县境 内， 为单洞双线隧道， 隧道全长 10 240. 225 m， 断面 面积为 134 m2， 属于典型的长大隧道。隧道穿越变 质砂岩、 花岗岩、 砂岩、 石英砂岩等地层， 发育有 11 条断裂带 （如图 2 （b） 所示） ， 围岩级别为Ⅱ Ⅴ级。 隧道掘进采用气腿式凿岩机钻孔的方式， 在围岩等 级较高的Ⅱ级花岗岩地段进行全断面隧道爆破时， 由于台架中间区域打孔困难 （如图 2 （a） 所示） ， 掏 槽效果较差， 炮孔利用率仅 79. 1％， 且光面爆破效 果较差， 造成工期滞后以及施工成本增加。为提高 隧道施工进度， 节约施工成本， 在考虑气腿式凿岩机 钻孔的基础上， 主要针对Ⅱ级围岩施工段 （如图 2 （b） 所示） 进行光面爆破参数优化设计。 2 光面爆破参数设计 2. 1 炮眼数量 光面爆破炮眼数量与掘进断面、 岩石性质、 炮眼 直径、 炮眼深度和炸药性能等因素有关。确定炮眼 数量的基本原则是在保证爆破效果的前提下， 尽可 能地减少炮眼数量。可根据式 （1） 计算炮眼的数量 N ＝ qS/ ar（1） 式中 N 为炮眼数量， 个； q 为炸药设计单耗， 取 决于炸药性能、 岩石性质、 断面面积、 炮眼直径和炮 眼深度等因素， 取 0. 9 kg/ m3； s 为开挖断面面积， 现 场隧道断面面积为 134 m2； a 为装药平均系数， 当药 包直径为 32 mm 时， 取 0. 6 0. 72， 取 0. 62； r 为每 米药卷的炸药质量， kg/ m， 现场采用 2﹟岩石乳化炸 药， 药卷长度为 200 mm， 质量为 200 g， 因此 r 取值 1 kg/ m。 根据式 （1） ， 总的炮眼数目为 N ＝ qS/ ar ＝0. 9 134/ （0. 62 1）＝195 （个） 。 2. 2 炮眼布置 区别于传统的光面爆破设计， 现场炮眼的布置 主要根据台架的结构以及施工条件来确定， 主要对 周边眼的装药结构、 掏槽眼的布置形式及其爆破方 法、 辅助眼的布置提出了不同的设计方式。 2. 2. 1 周边眼布置 （1） 最小抵抗线 Wmin 最小抵抗线即光爆层厚度， 指周边眼到邻近辅 助眼的距离， 与隧道开挖断面大小有关。一般隧道 断面越大， 岩石受到的夹制作用越小， 只需要相对较 小的爆破作用岩石即可产生破碎崩落， 此时最小抵 抗线可取大值； 断面越小， 岩石受到的夹制作用越 大， 此时需要较小的最小抵抗线才能保证光爆层岩 石充分破碎。但如果最小抵抗线过大， 光爆层岩石 不容易破碎， 易造成欠挖现象； 如果最小抵抗线过 小， 受爆破反射波的影响， 隧道开挖轮廓线外的围岩 容易产生破坏， 造成超挖现象， 影响围岩稳定性。因 66爆 破 2019 年 6 月 万方数据 此， 选择合理的最小抵抗线尤为重要。光面爆破最 小抵抗线可根据式 （2） 确定 Wmin＝（10 20） d（2） 式中 Wmin为光面爆破最小抵抗线， cm； d 为炮 孔直径， cm。 考虑试验段围岩级别为Ⅱ级， 地质条件较好， 取 爆破最小抵抗线 Wmin为 15d （d ＝4 cm） ， 即 60 cm。 图 2 龙南隧道现场试验段 Fig. 2 Field test section of Longnan tunnel （2） 炮眼密集系数 m 炮眼密集系数是影响光面爆破效果的一个重要 指标， 取决于周边眼间距 a 与最小抵抗线 Wmin的大 小。一般 m 取值 0. 6 1. 2， 围岩条件越好， 炮眼密 集系数越大。考虑试验段围岩条件较好， 此次试验 中 m 取值 0. 8。 （3） 周边眼间距 a 进行光面爆破的一个重要而必备的条件是炮眼 间距应小于抵抗线。否则， 孔间岩壁不易形成平整 壁面或者避免不平度差， 但周边眼间距越小成本越 高， 因此， 需要选择经济合理的周边眼间距。一般光 面爆破的周边眼间距 a 为 a ＝ mWmin（3） 式中 a 为周边眼间距， m； Wmin光面爆破最小抵 抗线， m。 本次试验 m ＝ 0. 8， 根据式 （3） ， 则周边眼间距 a ＝0. 8Wmin＝48 cm。 （4） 装药集中度 f 装药集中度指单位长度炮孔中的装药量， 一般 按经验数据选取， 确定原则为既能够保证围岩沿炮 孔连心线破裂， 但又不会破坏隧道开挖轮廓线以外 的围岩。一般情况下， 中硬岩爆破装药集中度为 20 300 g/ m， 硬 岩 爆 破 装 药 集 中 度 为 300 350 g/ m ［4］。 结合试验段围岩条件， 装药集中度 f 取 值 120 g/ m。 （5） 装药结构 装药结构是决定光面爆破质量的一个重要因 素。若装药过于集中， 将造成隧道局部超挖现象严 重， 因此周边眼装药结构一般采用不耦合多间隔装 药， 这样可以使爆破力均匀地作用在炮孔壁上， 形成 较为平整的开挖轮廓面。现场爆破采用 2﹟岩石乳 化炸药， 炮眼直径为 40 mm， 全部装 32 mm 直径药 卷， 不耦合系数仅为 1. 25。为减小周边眼爆破对围 岩的破坏， 每个周边眼底部集中装 1. 5 卷炸药， 其余 段分三次间隔装 1/3 卷炸药。根据现场钻孔条件， 本次周边眼设计长度为 430 cm。具体装药结构如 图 3 所示。 76第 36 卷 第 2 期 刘赶平 大断面隧道光面爆破设计 万方数据 图 3 周边眼装药结构 （单位 cm） Fig. 3 The charge structure of peripheral holes （unit cm） 2. 2. 2 掏槽眼布置 （1） 掏槽眼形式 掏槽眼的作用在于创造新的自由面， 为辅助眼 和周边眼爆破创造有利条件。掏槽眼一般布置在掌 子面中下部， 先于其余炮孔爆破， 是光面爆破中的重 要环节， 掏槽效果的好坏直接影响后续炮孔的爆破。 现场采用气腿式凿岩机钻孔方式时， 在掌子面中部 打孔困难， 导致掏槽眼爆破时围岩未充分破碎抛掷 出来， 严重影响循环进尺以及光面爆破效果。因此， 基于以上考虑， 提出适用于采用气腿式凿岩机钻孔 的掏槽形式， 如图 4 （a） 所示。根据隧道断面大小， 在掌子面中下部 EFGH 布置二楔形 （或三楔形） 掏 槽眼 （图 4 为掌子面中下部布置二楔形掏槽眼的情 况） ， 在掌子面中上部 EHK 布置单楔形掏槽眼， 先 从内而外依次起爆掌子面中下部楔形掏槽眼， 最后 起爆掌子面中上部楔形掏槽眼。 图 4 掏槽眼布置形式 （以掌子面中下部布置二楔形掏槽眼为例） Fig. 4 The layout of cut holes （A case study of two-wedge cut holes in the middle and lower part of palm face） 该掏槽形式的特点为先分段起爆掌子面中下部 掏槽孔， 创造出新的自由面， 最后起爆掌子面中上部 掏槽孔， 形成一个横向与纵向均扩大的掏槽空腔。 该掏槽形式充分利用掌子面中下部起爆形成的掏槽 空腔， 使掌子面中上部炮孔起爆时岩石更加容易破 碎， 与传统掏槽方式相比掏槽空腔大大增加， 为后续 炮孔爆破提供更大的临空面。 （2） 掏槽眼布置参数 根据隧道断面面积的大小， 设计在掌子面中下 部布置三楔形掏槽眼， 在掌子面中上部设置单楔形 掏槽眼。基于现场钻孔条件， 掏槽眼设计长度均为 4. 8 m， 掌子面中下部最内侧两排掏槽眼与掌子面中 上部掏槽眼的角度设置为 60， 掏槽眼深度为 420 cm； 掌子面中下部紧邻最内侧两排掏槽眼的角 度设置为 65， 掏槽眼深度为 440 cm； 掌子面中下部 最外侧掏槽眼的角度设置为 70， 掏槽眼深度为 420 cm。 装药结构采用从炮孔底部开始连续装药的 形式。 2. 2. 3 辅助眼布置 辅助眼是破碎岩石的主要炮眼， 其利用掏槽眼 爆破后创造的平行于炮眼的自由面， 爆破条件大大 改善， 故能在该自由面方向上形成较大体积的破碎 漏斗。现场辅助眼的布置方法为根据台架的结构将 掌子面分为几层， 并在每层相应位置设置辅助眼。 辅助眼设计长度为 430 cm， 角度为 90， 每排辅 助眼间距为 70 90 cm。装药结构采用从炮孔底部 开始连续装药的形式。 2. 2. 4 底板眼布置 底板眼布置在隧道开挖断面底部， 由于隧道底 部的夹制作用较大， 通常需要较大的爆破力， 因此应 适当加大底板眼装药量。 底板眼设计长度为 430 cm， 相邻底板眼间距为 80 100 cm。装药结构采用从炮孔底部开始连续装 药的形式。 综合以上分析， 基于龙南隧道开挖断面形式以 及台架结构， 提出龙南隧道光面爆破炮眼布置方案， 86爆 破 2019 年 6 月 万方数据 如图5 所示， 相关炮眼参数见表1。由图5 及表1 可 以看到， 隧道掌子面总炮眼数量为 194 个， 与设计的 195 个炮眼数量接近， 符合设计要求。 图 5 龙南隧道光面爆破炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 5 Layout of blastholes in full section （unit cm） 表 1 炮孔参数表 Table 1 Table of blastholes parameters 炮眼 类型 不同段别 炮眼编号 炮眼 编号 炮眼 数量 眼长/ m眼深/ m角度/ 起爆 顺序 雷管 段别 T11 88 4. 8 4. 260Ⅰ1 掏槽眼 T29 146 4. 8 4. 465Ⅱ3 T315 3016 4. 8 4. 260Ⅲ5 T431 344 4. 8 4. 570Ⅲ5 F135 4612 4. 3 4. 390Ⅳ7 辅助眼 F247 7125 4. 3 4. 390Ⅴ9 F372 9726 4. 3 4. 390Ⅵ11 F498 13134 4. 3 4. 390Ⅶ13 周边眼C132 17948 4. 3 4. 392Ⅷ15 底板眼L180 19415 4. 3 4. 390Ⅷ15 合计194851. 2833. 2 （注 为区分同一类型炮眼起爆顺序， 特此引入 T1、 T2、 T3 等符号） 96第 36 卷 第 2 期 刘赶平 大断面隧道光面爆破设计 万方数据 2. 3 炮眼装药量计算 2. 3. 1 周边眼装药量计算 周边眼单孔装药量按装药集中度进行计算， 为 υc＝ f L（4） 式中 υc为周边眼单孔装药量， kg；f 为周边眼装药 集中度， 取值同上， 为 0. 12 kg/ m； L 为炮眼长度， 为 4. 3 m。 根据式 （4） ， 周边眼单孔装药量为 υc＝ 0. 12 4. 3 ＝ 0. 516 kg， 单卷药量为 0. 2 kg， 则单孔装药卷 数 n 约为2. 5 卷。周边眼 C 共48 个炮眼， 则周边眼 总装药量为 QC＝ 2. 5 0. 2 48 ＝ 24 kg 2. 3. 2 掏槽眼装药量计算 掏槽眼单孔装药量按装药系数进行计算， 为 υT＝ r a L（5） 式中 υT为单孔装药量， kg； r 为每米药卷炸药 质量， 取值同上， 为 1 kg/ m； a 为装药系数， 取值 0. 60 0. 65； L 为炮眼长度， 为 4. 8 m。 掏槽眼分三段起爆， 其中， 每个段别起爆的掏槽 眼单孔装药量为 υT1＝ 1 0. 65 4. 8 ＝ 3. 12 kg υT2＝ 1 0. 65 4. 8 ＝ 3. 12 kg υT3＝ 1 0. 60 4. 8 ＝ 2. 88 kg υT4＝ 1 0. 60 4. 8 ＝ 2. 88 kg 折合成药卷数 n， 则 T1 与 T2 掏槽眼单孔装药 卷数为 16 卷， T3 与 T4 掏槽眼单孔装药卷数为 15 卷。由表1 可知， T1 掏槽眼8 个， T2 掏槽眼6 个， T3 掏槽眼 16 个， T4 掏槽眼 4 个， 则掏槽眼总装药量为 QT＝ 16 0. 2 （8 ＋ 6）＋ 15 0. 2 （16 ＋ 4）＝ 104. 8 kg 2. 3. 3 辅助眼装药量计算 辅助眼装药量计算方式与掏槽眼装药量计算方 式相同， 均按照装药系数进行计算， 现场设计辅助眼 装药系数 a 为 0. 5 0. 6。根据式 （5） 计算得到， 每 个段别起爆的辅助眼单孔装药量为 υF1＝ 1 0. 55 4. 3 ＝ 2. 365 kg υF2＝ 1 0. 55 4. 3 ＝ 2. 365 kg υF3＝ 1 0. 5 4. 3 ＝ 2. 15 kg υF4＝ 1 0. 5 4. 3 ＝ 2. 15 kg 折合成药卷数 n， F1 辅助眼单孔装药卷数为12 卷， F2 辅助眼单孔装药卷数为 12 卷， F3 辅助眼单孔装药卷 数为11 卷， F4 辅助眼单孔装药卷数为 11 卷。由表 1 可知， F1 辅助眼12 个， F2 辅助眼25 个， F3 辅助眼26 个， F4 辅助眼34 个， 则辅助眼总装药量为 QF＝ 12 0. 2 （12 ＋ 25）＋ 11 0. 2 （26 ＋ 34）＝ 220. 8 kg 2. 3. 4 底板眼装药量计算 底板眼装药量计算方式仍同掏槽眼装药量计算 方式， 现场设计底板眼装药系数为 0. 6。根据式 （5） 计算得到底板眼单孔装药量为 υL＝1 0. 6 4. 3 ＝ 2.58kg。折合成药卷数 n， 则底板眼单孔装药卷数 为 13 卷。由表 1 可知， 底板眼 L 共 15 个， 则底板眼 总装药量为 QL＝ 13 0. 2 15 ＝ 39 kg 综合以上分析， 设计一个循环进尺总装药量为 Q ＝ QC＋ QT＋ QF＋ QL＝ 24 ＋ 104. 8 ＋ 220. 8 ＋ 39 ＝ 388. 6 kg 3 现场试验应用对比 将以上设计的光面爆破方案应用于龙南隧道Ⅱ 级围岩段爆破开挖中， 共进行 10 次全断面爆破试 验。试验后， 经统计， 炮孔利用率平均达到 90. 2％， 炸药单耗由试验前 0. 78 kg/ m3降低到 0. 75 kg/ m3， 试验前后相关测试数据对比见表 2。经观察， 试验 后半孔残痕明显， 光面爆破效果明显提高。试验前 后光面爆破效果如图 6 所示。 表 2 现场试验前后相关数据对比 Table 2 Comparison of relevant data before and after field tests 开挖循环 进尺/ m 炮孔 利用率/ ％ 炸药 单耗/ ％ 试验前3. 4079. 10. 78 试验后3. 8890. 20. 75 图 6 试验前后光面爆破效果对比 Fig. 6 Smooth blasting effects before and after field tests 07爆 破 2019 年 6 月 万方数据 通过现场光面爆破试验结果表明， 基于现场地 质条件以及施工方式提出的光面爆破方案不但保证 了大断面隧道爆破施工质量， 而且节约了施工成本， 为隧道开挖工程创造了良好的经济效益。 4 结论 依托赣深高铁龙南隧道为工程背景， 提出适用 于采用气腿式凿岩机钻孔的大断面隧道爆破开挖的 光面爆破方案， 并通过现场试验验证了方案的合理 性， 可得到以下结论 （1） 大断面隧道进行光面爆破时， 爆破参数的 选择应根据现场地质条件以及施工方式合理选择。 （2） 当周边眼不耦合系数较小时， 为取得理想 的光面爆破效果， 可采取将每卷药包均分的方式尽 可能多间隔分散装药。 （3） 提出的光面爆破设计方案经现场试验验证 在隧道掘进过程中炮孔利用率平均可达 90. 2％， 炸 药单耗由试验前 0. 78 kg/ m3降低到 0. 75 kg/ m3， 光 面爆破效果明显提高， 充分说明了该方案的合理性， 可为类似工程提供指导。 参考文献 （References） ［1］ 张铁柱， 张春宇. 国内特大断面隧道发展现状 ［J］ . 公 路交通科技 应用技术版， 2012 （12） 283-286， 298. ［1］ 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