鐵路隧道光面爆破施工技術與管理實例

鞏中江, 柴敬堯, 楊長庚

(中鐵北京工程局集團有限公司， 北京 102308)

鐵路隧道光面爆破施工技術與管理實例

鞏中江, 柴敬堯, 楊長庚

(中鐵北京工程局集團有限公司， 北京 102308)

為減少鐵路隧道開挖斷面超挖或欠挖，提高隧道施工的安全和質量，有效控制施工成本，在爆破參數初步設計的基礎上，對周邊孔間距、光爆層厚度、炮孔長度、裝藥量和分段裝藥結構進行優化，最終采用周邊孔間距為35 cm、光爆層厚度為40 cm、炮孔長度為3.2～3.8 m、周邊孔每孔裝藥量為0.6～0.75 kg和分3段進行裝藥的優化參數，爆破效果滿足鐵路隧道光面爆破控制的要求。另外，在爆破作業過程中，通過加強技術交底、技術培訓以及合同管理，并嚴格執行班組長責任制，提高了爆破控制的質量，達到超欠挖控制的目標，有效節約經濟費用。

單線鐵路隧道； 爆破參數； 優化設計； 綜合管理； 光面爆破

0 引言

目前國內山嶺隧道的施工主要以鉆爆法為主。鉆爆法施工工藝簡單，但人為因素對爆破質量影響較大。在以往的隧道爆破作業中，由于對爆破控制的意義和重要性認識不足，爆破控制隨意性較大，炮孔布置、炮孔長度、周邊孔間距和裝藥結構不合理，現場管理不到位，隧道超挖現象嚴重，光面爆破效果差，存在嚴重的安全、質量隱患及材料浪費。隨著工程建設的發展，隧道爆破質量控制已逐步得到關注，爆破參數也在不斷地優化和改進，現場管理辦法也在逐步完善。文獻[1]針對爆破控制的原理、方法及爆破參數(包括周邊孔間距、光爆層厚度和裝藥結構)，提出了明確的指導思想和要求；文獻[2-3]對楔形掏槽孔的排距、角度和深度控制提出了較好的意見；文獻[4-7]對光面爆破技術進行了分析研究，提出了合理的爆破控制參數；文獻[8-9]對不同圍巖條件下的裝藥量進行了研究，提供了可參考的數據；文獻[10-11]對爆破前的技術交底和施工過程中的炮孔檢查驗收進行了總結，提出有效的管理辦法。

光面爆破的實質是在隧道設計斷面輪廓線上布置間距較小且相互平行的炮眼，裝入低密度、低爆速的炸藥或采用不耦合裝藥，并控制每個炮眼的裝藥量，然后同時起爆炮眼，使炸藥作用剛好產生沿炮眼連線(即隧道輪廓線)的貫穿裂縫，并使巖石沿炮眼連線崩落。本文以新建蒙西—華中地區鐵路MHTJ-31標段桐木隧道和黃崗隧道光面爆破控制技術和管理為例，根據現場巖性的不同，通過現場試驗對爆破控制參數進行了優化，將周邊孔間距調整為35 cm、光爆層厚度調整為40 cm，取得了較好的爆破效果；同時，結合現場情況，采取了嚴格的綜合管理辦法，提高了隧道爆破的安全、質量和工效。

1 工程概況

蒙西—華中地區鐵路煤運通道土建工程MHTJ-31標段黃崗隧道全長1 962.64 m，為單洞單線隧道，圍巖以大體積弱風化花崗巖為主，巖體完整。地質測繪、物探及鉆探成果表明： 隧址區地質構造不發育，出口段表層覆蓋的粉質黏土為灰褐—褐黃色，硬塑狀態，厚度

為0～2 m；下伏為閃長巖，為灰黃—灰褐色，全—強風化。桐木隧道全長5 372 m，為單洞單線隧道，最大埋深為282 m。隧道沿線經過的地層主要為雪峰期晚期侵入花崗巖及Ptsh元古界雙嬌山群千枚巖，地表分布有第四系覆蓋層。在黃崗隧道和桐木隧道進行光面爆破的過程中，發現原設計方案爆破效果較差，出現了較大的超欠挖情況，隧道輪廓線不平順，不能滿足光面爆破控制的要求。

2 光面爆破控制目標

隧道光面爆破開挖控制的目標：平均線性超挖小于10 cm，隧道輪廓線完整，應減少隧道圍巖受力的不利影響，確保隧道施工安全。

3 爆破參數初步設計

初步設計的主要爆破參數見表1。

表1 初步設計的主要爆破參數

根據經驗公式，炮孔數量

N= 0.001 2qS/(ad2)。

式中:N為炮孔數量;q為單位炸藥消耗量;S為開挖斷面面積;a為炮孔裝填系數;d為藥卷直徑。

則根據設計要求，Ⅱ級圍巖炮孔數量NⅡ=0.001 2×1.35×46.21/(0.6×0.0322)=122;Ⅲ級圍巖炮孔數量NⅢ=0.001 2×1.25×51.82/(0.55×0.0322)=138。

采用間隔裝藥的裝藥結構，藥卷間距為40 cm，炮孔封堵長度按50 cm進行實施。隧道爆破從掏槽孔到輔助孔至周邊孔采用多段毫秒延期導爆管雷管由里向外起爆，其中周邊孔比輔助孔要跳2段，間隔時間為50～100 ms，且用同一段雷管同時起爆。為了保證起爆準確可靠，采用的起爆網絡為塑料導爆管傳爆雷管復式網絡。爆破采用2號巖石乳化炸藥，規格為φ32 mm×300 g，密度為1.24 g/cm3。周邊孔分2段進行間隔裝藥，2段藥卷間隔40 cm，其他孔連續裝藥。對于每孔裝藥量周邊孔為0.9 kg(Ⅲ級圍巖為0.75 kg)，輔助孔為1.2 kg，掏槽孔為2.4 kg，底板孔為2.4 kg。

初步設計的Ⅱ、Ⅲ級圍巖炮孔布置如圖1所示。 按照初步設計方案進行現場爆破，根據爆破效果分析初步設計參數選取的合理性。爆破后，平均線性超挖為18.5～22.1 cm，不滿足爆破控制的要求。

4 爆破參數的優化

針對影響爆破的主要參數，細化爆破試驗工作。在初步設計的基礎上，對方案實施后的凈空斷面進行測量及現場效果檢查,并通過分析原因，對爆破參數進行了調整。經過對比分析和優選，獲得了較為合理的爆破參數。

4.1 主要爆破參數的調整

4.1.1 周邊孔間距

光面爆破是指通過爆破使相鄰炮孔之間用裂隙連通起來，以形成平整的斷裂面。炮孔間距在炮孔裂隙的連通上起著非常重要的作用。周邊孔間距減小后，可以減小相鄰炮孔之間的裂隙連通距離，能夠使連通面更加平順，有利于增強光面爆破的效果，但周邊孔間距越小成本越高，因此在實施過程中需要進行多次調整，以選擇經濟合理的周邊孔間距。

4.1.2 最小抵抗線

光爆層是指周邊炮孔與最外層主爆孔之間的一圈巖石層。光爆層厚度或周邊孔到鄰近輔助孔的距離是光面孔起爆時的最小抵抗線，一般大于或等于光面孔間距。如果最小抵抗線過大，則不能很好地將光爆層破碎下來，甚至會產生大塊或留底根；如果最小抵抗線過小，在反射波的作用下，可能會導致圍巖破壞，影響光面爆破的效果和圍巖的穩定性。因此，針對現場圍巖情況和爆破效果，對光爆層厚度進行了調整。

(a) Ⅱ級圍巖

(b) Ⅲ級圍巖

炮孔編號1、3、5、7、9、11和13代表起爆延期時間段號。

圖1初步設計的炮孔布置圖(單位： cm)

Fig. 1 Preliminary design of layout of blasting hole(unit: cm)

4.1.3 掏槽孔的深度、角度及裝藥量

掏槽孔是指在開挖面中間部位布置的先于其他炮孔起爆的鉆孔，為輔助孔和其他孔提供爆破臨空面，為整體爆破創造條件。掏槽孔的深度、角度和裝藥量對整體爆破起著關鍵性作用，在實施過程中通過多次調整來獲得合理的取值。

4.1.4 裝藥量集中度

裝藥集中度是指單位長度炮孔中的裝藥量。為了保證新壁面的完整穩固，在保證圍巖沿炮孔連心線破裂的前提下，應盡可能地少裝炸藥。一般情況下，在中硬巖中裝藥量集中度為20～300 g/m，硬巖中為300～350 g/m。針對不同圍巖，在現場實施過程中通過對周邊孔裝藥量進行多次調整，最終選取了合理的裝藥量。

4.1.5 裝藥結構

裝藥結構對光面爆破的效果有著很大的影響，裝藥集中將會造成局部裝藥段的爆破力過猛，引起局部巖體超挖破壞，同時空隔段的爆破力弱化易造成欠挖，因此應采用多間隔裝藥保證孔內產生均勻的爆破力，各間隔炸藥用導爆索連接進行引爆。另外，為了減少爆破力的損失采用炮泥進行封孔。

4.1.6 周邊孔外插角的控制

外插角的控制也是影響光面爆破效果的關鍵因素，外插角過大會造成孔底超出輪廓線過多，造成超挖。根據項目部現有的設備以及蒙華公司對初期支護和二次襯砌厚度施工誤差的要求，周邊孔孔口均需控制在設計輪廓線內5 cm的連線上，孔底均需控制在設計輪廓線外5 cm的連線上，外插角斜率按照3.3%向外進行設置，才可達到較好的超欠挖控制效果。

4.2 爆破參數優化試驗數據統計及分析

為了提高爆破控制水平，進行了爆破參數的優化試驗。Ⅱ級圍巖試驗段選擇黃崗隧道(花崗巖)，Ⅲ級圍巖試驗段選擇具有代表性的桐木隧道斜井段(千枚巖)，以此2處作業段為試點，通過對參數優化前后方案的實施效果進行對比分析，選取了合理的爆破參數。

4.2.1 黃崗隧道試驗數據統計及對比分析

在黃崗隧道進行光面爆破參數優化試驗，現場采集相關數據，每個爆破參數的數值取連續5次爆破數據的平均值，如表2所示。

逐步調整周邊孔間距為45、40、35、30 cm，相應地調整光爆層厚度為55、45、40、40 cm，同時調整掏槽孔的深度、角度及裝藥量，周邊孔裝藥結構調整為3段間隔。藥卷間距為60 cm，藥卷采用導爆索連接，炮孔封堵30 cm，同時嚴格控制周邊孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外進行設置。

當周邊孔間距調整到35 cm，輔助孔炮孔長度調整到3.4 m、掏槽孔炮孔長度調整到3.8 m(斜插內角為75°)時，平均線性超挖為8.95 cm，滿足小于10 cm 的要求，光面爆破效果有了很大的提升。當周邊孔間距調整到30 cm時，光面爆破效果提升并不明顯，且增加了更多的成本，因此確定周邊孔間距為35 cm時的方案為最優方案。

4.2.2 桐木隧道試驗數據統計及對比分析

與黃崗隧道相同，在桐木隧道進行光面爆破參數優化試驗，每個爆破參數的數值取連續5次爆破數據的平均值，如表3所示。

表2 黃崗隧道試驗數據

表3 桐木隧道試驗數據

逐步調整周邊孔間距為45、40、35、30 cm，相應地調整光爆層厚度為55、50、45、40 cm，同時調整掏槽孔的深度、角度及裝藥量，周邊孔裝藥結構調整為3段間隔，藥卷間距為60 cm，藥卷采用導爆索連接，炮孔封堵長度為30 cm，同時嚴格控制周邊孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外進行設置。

當周邊孔間距調整為35 cm、輔助孔炮孔長度調整為3.4 m、掏槽孔炮孔長度調整為3.8 m(斜插內角為75°)時，平均線性超挖為9.87 cm，滿足小于10 cm的要求，光面爆破效果有了很大的提升。當周邊孔間距調整到30 cm時，光面爆破效果提升不明顯，且增加了更多的成本，因此確定周邊孔間距為35 cm時的方案為最優方案。

4.3 單線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖優化后的爆破參數

Ⅱ、Ⅲ級圍巖爆破參數優化后，掏槽孔、輔助孔、周邊孔和底板孔的炮孔長度分別取3.8、3.4、3.2、3.2 m，周邊孔間距為35 cm，外插角斜率按照3.3%向外進行設置，最小抵抗線為40 cm。周邊孔分3段進行間隔裝藥，藥卷間距為60 cm，藥卷采用導爆索連接，炮孔封堵長度為30 cm, 每孔裝藥量為0.75 kg(Ⅲ級圍巖為0.6 kg),循環進尺按照3 m控制。

單線隧道Ⅱ級圍巖優化后的炮孔布置及V型掏槽平面圖如圖2所示，炮孔布置參數見表4。

(a) 炮孔布置

(b) V型掏槽平面圖

炮孔編號1、3、5、7和11代表起爆延期時間段號。

圖2單線隧道Ⅱ級圍巖優化后的炮孔布置及V型掏槽平面圖(單位： cm)

Fig. 2 Blasting hole layout and V-shaped cut plan after optimization for single-track tunnel in Grade Ⅱsurrounding rock(unit: cm)

表4優化后的炮孔布置參數

Table 4 Parameters of blasting hole arrangement after optimization

項目炮孔間距/cm炮孔數量Ⅱ級圍巖Ⅲ級圍巖炮孔長度/m周邊孔3558583.2輔助孔50～7575873.4掏槽孔8012123.8底板孔4510133.2

單線隧道Ⅲ級圍巖優化后的炮孔布置如圖3所示，Ⅴ型掏槽平面圖與Ⅱ級圍巖相同，如圖2(b)所示。炮孔布置參數見表4。

炮孔編號1、3、5、7、9、11和13代表起爆延期時間段號。

圖3單線隧道Ⅲ級圍巖優化后的炮孔布置(單位： cm)

Fig. 3 Blasting hole layout after optimization for single-track tunnel in Grade Ⅲ surrounding rock(unit: cm)

4.4 爆破參數優化后的爆破效果

通過多次隧道光面爆破現場試驗，通過試驗結果對爆破參數進行了優化，優化后的光面爆破眼痕率達90%以上，超欠挖控制在10 cm以內，對隧道周邊圍巖的擾動和破壞較小，隧道斷面輪廓完整，達到了光面爆破控制技術的要求。桐木隧道爆破參數優化后的爆破效果如圖4所示。

圖4 桐木隧道爆破參數優化后的爆破效果

Fig. 4 Blasting effect after optimization of blasting parameters in Tongmu Tunnel

5 隧道光面爆破管理

5.1 爆破控制存在的問題

經過爆破參數的初步設計、優化及應用，爆破后現場的超挖情況總體受控，光面爆破效果有了很大提升。但經現場的檢查和跟蹤，了解到因一些人為因素的影響，優化后的爆破參數不能徹底落實，依然影響著爆破質量。經現場檢查發現存在的主要問題為： 周邊孔間距被隨意放大，不按方案要求控制炮眼深度及裝藥量，不按間隔要求進行周邊孔裝藥，周邊孔斜率控制不當，炮眼封孔未按要求實施。這些問題直接導致了部分地段超欠挖嚴重，光面爆破效果差。

5.2 爆破控制管理措施

1)深化技術交底。結合現場情況編制具有適用性、可操作性的技術交底，并根據現場情況變化不斷完善和改進，及時將技術交底的內容和要領灌輸到每一個作業層。同時，將完善后的技術交底統一匯編，作為內部指導性文件。

2)加強技術培訓，制定培訓計劃，分階段對參與隧道爆破開挖的管理人員及施工人員進行培訓，針對現場存在的問題，由淺入深，逐步提升。同時，總結可行的培訓方式，提煉培訓的內容要點，并形成書面材料，納入內部管理檔案中。

3)強化合同管理，執行合同條款。根據合同要求的質量標準進行工序驗收，完善合同補充協議，制定針對爆破質量的每道工序的驗收以及獎罰制度。

4)推行班組長責任制，充分發揮班組長對現場各工序的直接管控作用。

5)完善爆破控制管理辦法制度。為了有效地促進現場各工序的管控，確保爆破質量，要求現場值班技

術人員對爆破布孔—鉆孔—清孔—驗孔—裝藥—爆破的每道工序、爆破后的殘眼率及爆破凈空斷面測量結果建立登記臺賬，進行現場施工工序驗收記錄和備案，作為獎勵兌現的依據。

通過合同管理手段，提高了協作隊伍的合同責任意識和作業自律性。通過進一步細化、落實技術交底和持續的培訓工作，使現場爆破控制管理水平明顯提高，現場施工逐步規范化，爆破效果有了很大提升，主要體現在： 周邊孔斜率控制精度有了較大提高，炮孔間距基本按要求進行，超欠挖現象明顯減少。通過推行班組長責任制、簽訂質量責任書、建立和完善作業層管理制度以及建立責任追究制，充分發揮了班組長的帶頭作用，從源頭上進行了質量控制。另外，工作質量與經濟獎罰掛鉤，使現場的每一道工序都處于受控狀態,通過現場工序質量驗收簽認制，使炮孔間距、炮孔斜率、裝藥量和裝藥結構等均能按照技術交底的要求實施。

6 爆破參數優化后的經濟效益

通過對隧道爆破方案進行優化，進行技術交底培訓，完善班組長責任制和工序驗收，達到了超欠挖控制的目標，光面爆破效果良好，同時取得了很好的經濟成效。爆破過程中超挖控制各項目減少量見表5。

表5 超挖控制各項目減少量

注： 未施工的數據為根據現場情況預測的數據。

由表5可知，已施工段和未施工段的超挖耗費共節約約1 456.9萬元。支付給工人的鉆爆獎勵為8 217.6 m×0.026 67 萬元/m≈219.2 萬元，增加的火工品總費用為8 217.6 m×0.019 3萬元/m≈158.6 萬元，則項目成本共節約1 456.9-219.2-158.6=1 079.1 萬元。

7 結論與討論

根據經驗參數只能取得常規的控制參數，要取得更為合理適用的參數，還需根據現場圍巖情況及爆破效果不斷地對主要參數進行整，通過效果分析最終選取適用于實際工程的優化參數。同時，需要通過有效的技術措施和管理辦法保證方案的最終落實，取得理想的爆破效果。

1)在爆破控制中，周邊孔間距、裝藥量和裝藥結構的選擇對爆破效果起著非常重要的作用。通過在Ⅱ級圍巖(花崗巖)和Ⅲ級圍巖(千枚巖)單線隧道工程進行現場實踐，采用了周邊孔間距為35 cm、裝藥量為每孔0.75 kg(Ⅲ級圍巖為0.6 kg)以及3段等間距均勻裝藥的爆破參數，每循環進尺按照3 m進行控制，取得了較好的爆破效果。

2)周邊孔外插角的控制對隧道的爆破效果發揮著很重要的作用。當周邊孔孔口全部在設計輪廓線內5 cm的連線上、孔底全部在設計輪廓線外5 cm的連線上及周邊孔外插角斜率為向外3.3%設置時，并在鉆孔中嚴格控制周邊孔位置及外插角斜率的精度，確保周邊孔在同一輪廓線上，則周邊孔爆破可以形成圓滑的切割面輪廓。

3)在參數優化的基礎上，全面組織技術交底和培訓，加強合同管理，推行班組長責任制，完善爆破控制工序驗收管理辦法，對爆破效果起著重要的作用。

本文僅對2類圍巖的隧道爆破進行了現場實踐，目前還存在著其他特殊地段圍巖爆破不理想的問題，例如： 其他地段的千枚巖，整體性差，分層節理嚴重，巖層產狀與隧道開挖橫斷面呈斜向交角，爆破超欠挖及光面效果控制難度大。因此，還需進一步對其他特殊地段的圍巖進行現場分析研究，以對周邊孔間距、位置及裝藥結構等爆破參數進行優化，進而取得較好的爆破效果。

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ConstructionTechnologyofSmoothBlastingUsedinRailwayTunnelandItsManagementPractice

GONG Zhongjiang, CHAI Jingyao, YANG Changgeng

(ChinaRailwayBeijingEngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing102308,China)

In order to reduce overbreak or underbreak of railway tunnel excavation face, improve the safety and quality of tunnel construction and control the construction cost effectively, the spacing of the surrounding holes, the thickness of smooth blasting layer, the length of blasting hole, the charge quantity and sectioning charge structure are optimized. After optimization, the spacing of surrounding hole of 35 cm, the thickness of the smooth blasting layer of 40 cm, the length of blasting hole of 3.2-3.8 m, the charge for single surrounding hole of 0.6-0.75 kg and three section charge are selected, which can meet smooth blasting control requrements of railway tunnel. Meanwhile, the blasting control quality and overbreak and underbreak control are improved and the construction cost is reduced by relevant management methods.

single-track railway tunnel; blasting parameters; optimization design; comprehensive management; smooth blasting

2017-07-20;

2017-11-16

鞏中江(1965—)，男，陜西渭南人，1987年畢業于西安鐵路工程職工大學，鐵道工程專業，專科，工程師，主要從事鐵路隧道施工技術方面的工作。E-mail: 3298099218@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.013

U 455.6

B

2096-4498(2017)12-1593-07