廣昆鐵路三棵樹隧道光面爆破施工技術

陳國平，葛 斌，張光宇

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.昆明冶金高等專科學校測繪學院，云南昆明 650033;3.中國交通建設集團有限公司第二航務工程局有限公司，湖北武漢 430010)

云南省山地高原約占全省總面積的94%左右，給基礎設施建設帶來巨大困難。成昆線廣通至昆明段擴能改造工程是云南省修建的首個預留時速200 km技術條件的山區雙線鐵路。該段鐵路隧道多且長，工程地質條件復雜，普通爆破方法已不能滿足施工要求。

光面爆破施工可以減少對圍巖的擾動，增強圍巖的自承能力，特別是在不良地質條件下效果更為顯著，既可以減少危石和支護的工程量，又可保證施工安全。光面爆破使開挖面平整，巖石無破碎，減少了裂隙，可以顯著減少超挖或欠挖量。光面爆破與普通爆破相比，超挖量可由15% ～20%降低到4% ～7%，不但減少出渣量，而且還很大程度地減少了支護工作量，從而降低成本，加快施工進度［1-2］。

本文以廣昆鐵路三棵樹隧道施工為例，介紹光面爆破技術的應用，可供同類工程參考。

1 工程概況

三棵樹隧道位于云南省祿豐縣境內，線路里程DK984+815—DK992+190，隧道全長7 375 m，為雙線Ⅰ級電氣化鐵路。主要地層為:粉質黏土、塊石土、中厚層狀砂巖夾泥巖、泥灰巖、泥巖夾砂巖、礫巖，呈現一系列微波狀褶皺構造，節理以垂直節理發育為主，出現巖溶、巖堆、膨脹巖、石膏、涌水、突泥等不良地質。施工揭露的地質狀況與區段和設計圖標示的地質狀況存在較大差別。施工掘進過程中曾出現掉塊、坍落，嚴重威脅到施工安全，影響施工進度和質量，增加了施工成本。根據鐵路隧道“新奧法”施工需要和工程地質條件，結合施工現場實際情況確定采用光面爆破施工技術控制隧道開挖成型質量。

2 光面爆破方案

大斷面隧道光面爆破施工有兩種方法:一是預留光爆層法;二是全斷面一次性開挖法。根據施工現場情況及本合同段圍巖地質情況，三棵樹隧道采用全斷面一次性開挖法，如圖1所示。

2.1 爆破參數選擇

光面爆破參數選擇主要考慮地質條件，其次是炸藥的品種與性能、隧道開挖斷面的形狀與尺寸、裝藥結構與起爆方法。三棵樹隧道出口段主要為Ⅲ級圍巖，全斷面法開挖斷面的面積為113.74 m2。采用硝銨炸藥，周邊眼采用空氣間隔裝藥，其他炮眼采用連續柱狀裝藥，采用火雷管和塑料導爆管孔內微差非電毫秒雷管起爆。嚴格控制周邊眼的裝藥量，采用合理的裝藥結構，盡可能使藥沿炮眼均勻分布，這是實現光面爆破的重要條件。需要注意的是在光面爆破中，周邊眼間距、最小抵抗線［3］、相對距系數［4-7］、裝藥密度是相互制約的。

2.1.1 最小抵抗線

周邊眼最小抵抗線與開挖的隧道斷面大小有關。若斷面跨度大，光爆眼所受到的夾制作用小，巖石比較容易崩落，最小抵抗線可以大些;若斷面小，光爆眼所受到的夾制作用大，最小抵抗線可以小些。最小抵抗線與巖石的性質和地質構造也有關，堅硬巖石最小抵抗線可小些，松軟破碎的巖石最小抵抗線可大些。三棵樹隧道最小抵抗線為50～80 cm。

圖1 全斷面一次性開挖法炮眼布置及圍巖開挖示意(單位:cm)

2.1.2 相對距系數

相對距系數K是周邊眼間距與最小抵抗線的比值，是影響爆破效果的重要因素，計算公式為K=E/B。其中，E為周邊炮眼間距，cm;B為最小抵抗線，m;K總是 ＜1，當 E在40～50 cm，B在0.5～0.8 m時，K應在0.5～1.0。

2.2 裝藥量及光面爆破參數設計

2.2.1 裝藥量計算

光面爆破裝藥量的計算，主要是確定周邊光爆孔炮眼裝藥集中度，一般采用試驗方法求得或參考同類工程選取，裝藥量計算公式為q=QaB。其中，q為裝藥集中度，kg/m;Q為單位體積耗藥量，kg/m3;a為周邊眼間距，m。通過現場試驗，參考施工經驗，并用計算法進行校核，確定q為0.15～0.25 kg/m。

2.2.2 裝藥結構和起爆方式

光面爆破采用不耦合裝藥，一般不耦合系數為1.5～2.0，將按裝藥集中度計算出的藥量均勻裝入炮眼內。為克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半個標準藥卷，使光爆層易于脫離巖體。施工中采用圖2所示的裝藥結構:①1/2普通標準藥卷(φ32)起爆;②小直徑藥卷(φ25)間隔裝藥。

圖2 周邊眼裝藥結構示意

2.2.3 光面爆破起爆順序

起爆順序為:掏槽眼—輔助眼(擴挖眼)—底板眼—二周邊眼(內圈眼)—周邊眼。采用多段微差起爆(由內向外)，其中主爆區的周邊眼比輔助眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆區使用非電毫秒雷管，光爆區用導爆索一次同時起爆。

根據工程實際，確定三棵樹隧道光面爆破參數如表1所示。隧道全斷面開挖斷面面積113.74 m2，掘進長度按2.0 m考慮。炸藥單耗量0.75 kg/m3，復式楔形掏槽槽口尺寸80 cm×240 cm和120 cm×280 cm，周邊眼直徑42 mm，使用小直徑藥卷直徑25 mm，裝藥不耦合系數1.68。周邊眼間距45 cm，最小抵抗線50～80 cm，相對距系數0.6～0.9，單孔裝藥量0.4 kg。采用的全斷面開挖爆破裝藥量見表2。

表1 光面爆破參數

3 施工方法及工藝流程

3.1 鉆爆機具材料的選擇

鉆孔采用18臺YT-28型鑿巖機和6臺20 m3空壓機，人工鉆孔，鉆孔直徑為42 mm，一字形合金鋼鉆頭。周邊眼采用φ25 mm小直徑藥卷，其余炮眼采用φ32 mm×200 mm2巖石硝銨炸藥。引爆采用電雷管，爆破網絡采用塑料導爆管連接孔內微差非電毫秒雷管起爆，掏槽眼采用該型號雷管以擴大掏槽效果。

3.2 光面爆破施工工藝流程

3.2.1 施工測量放樣定位

鉆眼前，測量人員用徠卡LEIKA-802(免棱鏡)全站儀，準確定出隧道中心線和拱頂面高程;用紅油漆畫出開挖輪廓線，并標出炮眼位置，其誤差不得超過5 cm;每次測量放線之前，要對上次爆破斷面用隧道斷面儀進行檢查，及時調整爆破參數，以達到最佳爆破效果。

表2 全斷面開挖爆破裝藥量

3.2.2 鉆眼

1)掏槽眼。深度、角度按設計施工，眼口間距誤差和眼底間距誤差不得＞5 cm。

2)輔助眼。深度、角度按設計施工，眼口排距、行距誤差均≤5 cm。

3)周邊眼。開眼位置在設計斷面輪廓線上的間距誤差不得＞5 cm;周邊眼外斜率不得＞5 cm/m，眼底不得超出開挖斷面輪廓線10 cm，最大不得超過15 cm。內圈眼至周邊眼的排距，誤差不得＞5 cm;炮眼深度＞2.5 m時，內圈眼與周邊眼宜采用相同的斜率。鉆眼裝藥率調整，當開挖面凹凸較大時，應按實際情況調整炮眼深度并相應調整裝藥量，力求所有炮眼(除掏槽眼外)眼底在同一垂直面上。鉆眼完畢，按炮眼布置圖進行檢查并做好記錄，不符合要求的炮眼應重鉆，經檢查合格后，方可裝藥爆破。

3.2.3 炮眼布置

1)先布置掏槽眼，在巖層層理明顯時其方向應盡量垂直于層理，掏槽眼應比其他眼加深20 cm。

2)周邊眼嚴格按設計開挖輪廓線布置，在硬巖層中，周邊眼的眼口在斷面設計輪廓線上，眼底超出輪廓線＜10 cm;在軟巖中，周邊眼的眼口在斷面設計輪廓線內＜8 cm，眼底落在輪廓線上。

3)輔助眼按均勻分布的原則布置。

4)已裝藥的炮眼應及時用炮泥堵塞、密封，周邊眼的堵塞長度不宜＜20 cm，其余炮眼的堵塞長度不宜＜35 cm，且堵塞密實，嚴禁用紙箱等易燃物進行堵塞。

3.2.4 清孔裝藥

裝藥前用小直徑高壓風管將炮眼內石屑吹凈，裝藥需分片，分組按炮眼設計圖確定的裝藥量自上而下進行，雷管要“對號入座”不得混裝。所有炮孔均用炮泥堵塞，堵塞長度周邊眼≥20 cm，其它眼≥35 cm。周邊眼采用小直徑藥卷配導爆索，以增加不耦合系數和爆破時的緩沖作用，炮孔裝藥均采用反向裝藥結構。

3.2.5 連接起爆網絡

起爆網絡采用復式網絡，以保證起爆的可靠性和準確性。導爆管采用四通管連接，不能打結和拉伸，各類炮眼雷管連接段數相同。引爆雷管應用絕緣膠布包扎在離一根導爆管自由端15 cm處，聚能穴背向傳爆方向，網絡連好后要有專人負責檢查后再起爆。

4 光面爆破施工控制

1)對所有爆破作業人員進行崗前培訓，以提高操作熟練程度，并派專人負責每茬炮掌子面穿中畫弧點炮眼工作，把技術素質高的鉆工安排在拱部作業。

2)選用低爆速、低猛度、低密度、傳爆性能好、爆炸威力大的巖石硝銨炸藥。

3)用不耦合裝藥結構，光面爆破不耦合系數為1.5～2.0，但藥卷直徑不應小于該炸藥的臨界直徑，以保證穩定傳爆。

4)嚴格掌握與周邊眼相鄰的內圈眼的爆破效果，為周邊眼爆破創造臨空面。炮眼深度＞2.5 m時，內圈眼應與周邊眼有相同的外插角，應盡量同時起爆。

5)控制周邊眼裝藥集中度，必要時采取間隔裝藥結構，為克服眼底巖石的夾制作用，可在眼底加強裝藥。

6)當巖石層理明顯時，炮眼方向應盡量垂直于層理面，如節理發育，炮眼應盡量避開節理，以防卡鉆和影響爆破效果。

7)邊墻要順幫打眼，即把握炮眼外插的同時，還要注意炮眼坡度要與隧道縱向坡度一致。同一作業平臺內避免出現扇形組合炮眼，在兩作業平臺之間避免出現“V”型炮眼組合。

5 工程效果

三棵樹隧道Ⅲ級圍巖開挖全部實行光面爆破，現已開挖地段光爆效果良好:爆破后周邊炮眼痕跡保存率達80% ～90%，兩茬炮銜接臺階最大尺寸為8 cm，超欠挖量僅為5%左右，比非光面爆破的超欠挖量低得多(達20%);巖渣塊度較小且均勻，利于裝渣，節省了裝運時間;減少支護投入，降低工程造價，節約了隧道開挖成本;同時巖面爆破平整，應力集中小，減少了安全隱患。

經過現場統計，三棵樹隧道采用光面爆破后明顯節省了作業時間，在每一個施工循環中，清理危石或補炮縮短20 min，初期支護縮短20 min，裝渣及出渣縮短20 min，且方便了后續工序的施工。

同時，光面爆破比非光面爆破減少超挖量15%，按現行規范標準平均超挖值為10 cm，即每米少開挖約2 m3，減少同強度等級噴射混凝土超挖回填量約2 m3，同時也節省了火工品和因非光面爆破所造成的圍巖破碎所需錨桿、鋼筋網等初期支護的工程量。

［1］中華人民共和國交通運輸部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］黃成光.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］于書翰，杜謨運.隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］關寶書.隧道施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］邵曉寧，張道振.光面爆破技術在新武家莊隧道掘進中的應用［J］.鐵道建筑，2011(11):54-55.

［6］戚克大.光面爆破技術在祝源隧道開挖中的應用［J］.鐵道建筑，2008(6):54-56.

［7］唐健良.光面爆破技術在鳳凰山特長隧道工程中的應用［J］.公路隧道，2011(2):38-40.