隧道施工光面爆破參數的確定

【摘 要】近年來，隨著我國城市化建設的加快，鐵路、公路、地鐵隧道“數量多、長度大、大埋深、大斷面”是21世紀我國以及世界隧道工程發展的總趨勢[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經成為我國推廣應用新奧法中公認的三大技術措施之一。本文結合有關文獻和工程實踐，歸納出光面爆破參數的計算公式和一些經驗參考值；目的在于提高確定光面爆破參數工作的精度和效率。

【關鍵詞】隧道施工 光面爆破 參數的確定

1引言

近年來，隨著我國城市化建設的加快，鐵路、公路、地鐵隧道“數量多、長度大、大埋深、大斷面”是21世紀我國以及世界隧道工程發展的總趨勢[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已經成為我國推廣應用新奧法中公認的三大技術措施之一。

如果光爆參數確定不當，爆破中將出現超欠挖情況，所以，精確、合理地確定光爆參數是控制隧道施工質量、進度、成本、安全的關鍵。

2光面爆破參數的選擇

首先，光爆參數的取值均應以設計規定的施工及驗收規范為指導。例如：公路隧道施工技術規范中所列的參數表，規范中只規定了參數的取值范圍，具體數值可按以下國內外普遍采用的方法和步驟確定。

2.1 炮眼直徑

因為標準小藥卷直徑為32mm；在光面爆破中，進行不耦合裝藥，最小藥卷直徑為20mm。所以，隧道開挖現場常用的炮眼直徑為32～50 mm。

2.2 周邊眼間距E

（1）由光面爆破參數表確定。周邊眼間距等參數的確定應以設計規定的施工及驗收規范為指導。例如：公路隧道施工技術規范。

（2）根據爆生氣體膨脹作用理論確定。光面爆破的周邊眼間距一般比普通爆破小，根據現場經驗，建議：E=（12～20） db（其中db為炮孔直徑），日本《新奧法設計施工細則》推薦E=15db。

一般認為炮孔間的裂縫是應力波和爆生氣體共同作用的結果，但沖擊波作用的能量只占炸藥爆炸總能量5﹪～10﹪，而爆生氣體生成物的作用能量超50﹪。所以，巖石沿炮孔連線形成貫穿裂縫主要由爆生氣體準靜壓力控制。根據此理論推導出公式：E=k1f1/3rb 式中f為巖石堅固性系數；k1為調整系數，k1=10～16；巖石堅硬取大值，巖石較軟取小值。

2.3 最小抵抗線W

最小抵抗線即光面層厚度，W過大，光面層巖石將得不到適當的破碎，甚至不能使其沿炮眼底部切割下來；W過小，在反射波作用下，圍巖內產生較多較長的裂隙，影響圍巖穩定，造成超挖和巷道壁面不平整。

經驗表明：最小抵抗線與隧道斷面大小有關，大斷面隧道拱頂跨度大，周邊眼所受到的夾制作用小，巖體比較容易崩落，光爆層厚度可適當放大一些；小斷面周邊眼受到的夾制作用大，其厚度宜小一些。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，松軟破碎的巖石可大些；頂部應比邊墻大些。

（1）根據炸藥單耗確定。

根據下式計算W：

式中： rc為藥卷半徑；k為裝藥系數； d0為裝藥密度；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；

（2）根據豪柔公式確定。

光面層巖石崩落類似于露天臺階爆破，故可用豪柔公式確定最小抵抗線： 式中： QG為光面炮眼的裝藥量；E為炮眼間距；lb炮眼長度； Cq為爆破系數，相當于單位炸藥消耗量，對于f= 4～10的巖層， Cq值變化范圍為0.2 ～0.5kg/m3。

2.4 炮眼密集系數m

炮眼密集系數也稱炮眼鄰近系數，它表達了周邊眼（光爆眼）間距E與光面層厚度（最小抵抗線）W之間的比值，即：m=E/W，這是光面爆破參數中的一個關鍵值。

確定炮眼密集系數的一般原則：軟巖和層理節理發育的巖層上，眼距應小而抵抗線應大，在堅硬穩定的巖層上，眼距應大些，抵抗線應小些。隧道跨度較小時，眼距適當減小，反之適當加大。

炮眼密集系數過大，爆破后可能在光爆眼間留下巖埂，造成欠挖，達不到光面爆破效果，反之則可能出現超挖。實踐表明m=0.8～1.0時較好。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。

2.5 炮眼深度L

（1）按月進度計劃估算炮眼深度。公式如下：

式中 L—炮眼平均深度，m。

Lj—月進度計劃指標，m。

N—每月實際用于掘進的作業天數。

n—每月可能完成的掘進循環數。

?1—正循環率，一般取0.85～0.9。

?—炮眼利用率，一般取0.85～0.85。

（2）按開挖斷面跨度確定。對于斜孔掏槽，由于巖石的夾制作用，一般最大炮孔深度取斷面寬度（或高度）B的0.5～0.7倍。 L=（0.5～0.7）B

2.6 裝藥量Q1

2.7 裝藥系數k和不藕合系數B

裝藥系數k是裝藥總長度與炮孔長度的比。即：k=l0/lb。

不耦合系數B是炮眼直徑與藥包直徑的比值。即：B=db/dc

不耦合系數的選擇，既要能克服較大的巖石抵抗，眼壁周圍巖石少受或不受破壞，還要能保證炸藥的穩定傳爆，在井巷施工時，主要采用軸向不偶合裝藥，即空氣柱裝藥結構。軸向不偶合裝藥采用3種不同的裝藥結構：（a）偏心不藕合、（b）中心不藕合、（c）護壁不藕合。如圖2。

圖2 光面爆破不同裝藥結構

通過聲波對比檢測試驗：對不同裝藥結構進行了在同等條件下的聲波測試，測試爆前爆后聲速的變化，作為評判巖石損傷程度的依據。測試結果表明：偏心不藕合裝藥光面爆破除了宏觀上每個炮孔爆破后均有不同長度的裂紋外，聲速降低率為11.68%，比護壁光面爆破聲速降低10倍左右，比普通光面爆破降低3～4倍，沒有起到光面爆破的實質作用[2]，光面爆破中不宜采用，而宜采用后兩種。通過理論和試驗研究表明：就裝藥結構而言，軸向間隔徑向不藕合裝藥，適用于周邊孔。護壁光面爆破對邊坡保留巖體的損傷最小，光爆效果最好，值得推廣。

理論公式計算B馬秉智等人得出計算公式：

1/6 式中，n為氣體與孔壁碰撞時的壓力增大系數，一般取n=8～11；ρ0為炸藥密度，g/cm3； DH為炸藥爆速，m/s；kb為體積應力狀態下巖石抗壓強度增大系數，巖石抗壓增大系數一般取kb=10 ； SC為對應f抗壓強度，m/s。

研究表明，不耦合系數的大小與炮壁上的最大切向應力之間呈指數關系，因此，當炮眼直徑為32 ～45 mm時，不耦合系數B = 1.5～2.0。B值應在工程實踐中應不斷調整，可采用LS-DYNA數值模擬驗證。

2.8 光面爆破炮眼數目的計算

（1）分別計算周邊眼、掏槽眼、輔助眼、底眼數目，然后相加。

由于光面爆破的周邊眼距小，周邊眼裝藥量少，因此，根據這一特點先求出周邊眼數目，然后按平均裝藥量原則計算出其它炮眼數目。

1）周邊眼數目N1：

（1）

式（1）中B為隧道掘進寬度，m；E為周邊眼平均間距，m；B：為隧道掘進周長，m； BL可按式（6）近似計算。

（2）

式（2）中S為隧道掘進斷面面積 ；c為斷面形狀系數，

對于拱形隧道。C=3.86。

2）掏槽眼、輔助眼和底眼數目N2：

N2值按一次爆破所需要的總裝藥量減去周邊眼裝藥量，使剩余的藥量平均分配在N2內來計算。 （3）

式（3）中Q為按定額確定的一茬炮所需的總裝藥量，kg ；Q = qSL?；qL為周邊眼每米裝藥量，kg/m；q為單位炸藥消耗量，kg/m3；?為炮眼利用率；Q0為除周邊眼外，每個炮眼內的平均裝藥量，kg。

（2）根據隧道掘進斷面計算。

式中N：鉆孔數目，個；f：巖石堅固性系數； S：掘進斷面積，m?。

（3）根據炸藥單耗量計算。

N=q·s/rk 式中：q為單位炸藥消耗量；s為開挖面積；k為炮眼裝藥系數； r為每米長度炸藥的重量。

3 結語

（1）光爆參數確定后，爆破效果可能不理想，應針對圍巖變化情況對光爆參數進行調整。通常經過二三個鉆爆循環作業參數的調整，才能達到最佳效果。

（2）目前光面爆破機制落后于工程實踐、爆破參數受人為因素影響且主要依賴經驗公式法和工程類比經驗確定、光面爆破控制管理理論指標體系單一等是參數不當的主要原因。

（3）今后提高確定光爆參數工作的精度和效率的主要途徑：模型試驗結合現場試驗，從理論上探討圍巖與光面爆破參數等因素對光面爆破效果的影響規律，理論結合現場試驗數據總結分析各影響因素對爆破效果的影響，基于試驗總結經驗規律，深入探索光面爆破機制，提出光面爆破參數優化方法。[3]

參考文獻：

[1]王夢恕.準設計，21世紀山嶺隧道修建的趨勢[J].鐵道標準設計，2004，（9）：38-40.

[2]張志呈，蒲傳金，史瑾瑾.不同裝藥結構光面爆破對巖石的損傷研究[J].爆破，2006，1（23）：37-38.

[3] 王建秀，鄒寶平，胡力繩.隧道及地下工程光面爆破技術研究現狀與展望[J].地下空間與工程學報，2013，9（4）：804.

作者簡介：趙亮（1971—），男，漢族，山東牟平縣人，本科，工程師，國家一級建造師，項目技術負責人，從事隧道、土石方開挖爆破、工民建施工技術和管理方面的研究。