光面爆破技術在小斷面隧道施工中的應用

趙繼紅

（甘肅省水利水電工程局有限責任公司，甘肅蘭州730046）

1 工程概述

討賴河水電站位于甘肅省肅南裕固族自治縣討賴河干流祁文村至新村河段上，為引水式水電站工程。電站裝機3臺，總容量17 MW，主要建筑物為4級，次要建筑物及臨時建筑物為5級。

隧洞工程主要有引水隧洞（L=465.88 m）和尾水隧洞（L=620 m），隧洞均采用城門洞型斷面，開挖尺寸4.9 m×5 m（寬×高），頂拱圓心角103.39°。根據圍巖條件，一期支護采用系統（隨機）錨桿+錨噴，二期支護采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度35 cm。

隧洞巖體主要為寒武系結晶灰巖，局部發育有裂隙密集帶、斷層或巖脈破碎帶。圍巖類別以Ⅲ類為主，局部（小斷層或裂隙發育段）為Ⅳ類。

2 開挖方案選取

針對討賴河水電站隧洞開挖斷面小的特點，結合現場地質條件，采用YT—28型風鉆鉆孔，全斷面一次爆破法開挖，風鎬修整，為確保爆破的斷面形狀和尺寸基本符合設計要求，故采用了光面爆破技術。爆破取得了良好的效果，光面爆破后永久面成型平整，幾乎無超、欠挖，各類圍巖光爆孔半孔率均高于規范要求，爆破振動小，提高了施工速度，降低了工程成本。

光面爆破的定義：在設計開挖輪廓邊界上布置一排較密集的炮孔，采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，利用毫秒雷管使其在開挖區主爆孔爆破后再起爆，從而獲得比較平整開挖面的爆破作業。

光面爆破的成縫機理：爆破應力波和高壓氣體聯合作用產生，爆破應力波由炮孔向四周傳播，在孔壁及炮孔連線方向出現裂縫，隨后在爆破氣體作用下，使原裂縫延伸擴大，最后形成平整的開裂面。

3 隧洞Ⅲ類圍巖光面爆破方案設計

光面爆破參數選擇與隧洞所在的地質圍巖穩定性有關，與爆破物品的品種爆破性能有關；同時還與選用的裝藥結構和起爆方法、開挖斷面的形狀和尺寸有關，爆破參數的確定是控制光面效果的關鍵，施工中根據不同圍巖情況確定各次的爆破參數分別進行試爆，再結合現場實際情況進行適當調整優化，以達到最佳的爆破效果。

討賴河水電站隧洞主要為Ⅲ類圍巖，開挖斷面積為22.73 m2，采用2號巖石硝銨炸藥，電雷管和毫秒導爆管起爆，周邊眼采用不耦合間隔裝藥，具體參數如下。

3.1 炮孔直徑

炮孔直徑的大小直接影響爆破振動持續時間、鉆孔的速度、炮孔數量、單位炸藥消耗量、爆落巖石大小及爆破后輪廓的平整性，根據炸藥藥卷直徑（32 mm）選擇炮孔直徑為40 mm。

3.2 炮孔深度

炮孔深度是指炮孔孔底至工作面的垂直距離，炮孔深度在各爆破參數中占據重要位置，不僅影響著掘進的速度或強度，而且影響著爆破效果和材料消耗，它是決定每班掘進循環次數的主要因素。

開挖洞徑D=4.8 m，經計算，炮眼深度應取1.92～3.84 m，根據圍巖特性及爆破方式，炮孔深度選2.5 m，掏槽眼及空眼炮孔深度為2.7 m。

3.3 炮孔數目

炮孔數目與掘進斷面形狀、巖石的性質、孔徑、孔深、炸藥性能及炮眼利用率等因素有關，確定炮孔數目的基本原則是在保證較好爆破效果的前提下，盡可能地減少炮孔數目，從而縮短鑿巖時間，通常可按下式進行計算。

式中，N為炮孔數目；f為巖石堅固性系數（根據招標文件巖性描述，Ⅲ類圍巖取10）；s為隧洞掘進斷面面積。

3.4 單位炸藥消耗量計算

單位炸藥消耗量簡稱單耗，是衡量爆破經濟效果的主要指標，它的大小取決于炸藥性能、巖石的物理力學性質、自由面的大小和數目以及孔徑、孔深等因素，根據修正的普氏公式計算。

式中，q為單位炸藥消耗量，單位kg/m3；f為巖石堅固性系數（根據招標文件巖性描述，Ⅲ類圍巖取10）；s為隧洞掘進斷面面積，取22.73 m2；Ko為考慮炸藥爆力的校正系數，取525/p（2號巖石硝銨炸藥為320/ml）。經計算，q=1.20 kg/m3。

3.5 每循環所使用炸藥的總用量

確定了單位炸藥消耗量后，根據每一進尺爆破的巖石體積，計算出每進尺所使用炸藥總量。

式中，Q為每循環爆破巖石體積，單位m3；L為炮孔深度，取2.5 m；η為炮孔利用率，一般取0.8～0.95，本次計算取0.9。經計算，Q=61.37 m3。

3.6 最小抵抗線

光面爆破最小抵抗線是指裝藥中心（或重心）到最近自由面的最短距離，常用W表示，是爆破時巖石阻力最小的方向，直接影響每次的爆破量、拋散距離和塊度的大小和破碎效果，對爆破邊線控制的影響較大，過大會產生欠挖，過小會產生超挖，均達不到理想爆破效果。

光面爆破最小抵抗線用光爆層的厚度表示，它與裝藥密集系數m有關，可以用公式W=E/m計算。周邊孔孔距E取0.6 m，裝藥密集系數m值應根據巖石性質來選擇，討賴河隧洞圍巖主要是堅硬強度巖石，m取1.0較為合理。結合試驗效果，確定W=60 cm。

3.7 工作面和炮孔的布置

隧洞開挖爆破中的炮孔布置按其位置和作用不同，分為掏槽眼、輔助眼（崩落孔）和周邊眼、底板眼，隧洞開挖爆破只有一個臨空面，巖石夾制作用大，爆破條件困難。因此，掏槽孔的布置極為重要，根據爆破斷面選用4孔單斜型掏槽形式。

周邊眼是控制隧洞成型的炮眼，其參數可按計算及經驗選定的數值進行試驗，爆破后根據圍巖情況、爆破效果，殘孔率、輪廓的不平整度，適當調整以達到最佳爆破效果。

3.8 爆破經濟指標統計

爆破經濟指標統計見表1。

表1 爆破經濟指標統計

3.9 裝藥結構

為保證全部裝藥穩定爆轟，完全傳播，對于淺孔光爆宜采用連續反向裝藥。為了減少爆破產生的有害氣體及防塵，炮孔封堵。起爆方法采用非電毫秒延期導爆雷管分段微差爆破。起爆順序：掏槽孔→輔助孔1→輔助孔2→底孔→周邊孔。

3.10 爆破試驗

在實際施工過程中為了達到理想的光爆效果，在隧洞開挖初始，應結合圍巖的節理、走向、裂隙發育程度及破碎狀況對設計的爆破參數進行現場試驗。從而針對不同圍巖特性選定合理的爆破參數，并做好記錄，為后續洞段開挖提供參照，以達到最佳光爆效果。

4 光面爆破效果評價

討賴河水電站隧洞采用以上爆破設計進行施工，并對孔位布置、裝藥質量、起爆網路連接、起爆進行了嚴格的監督。根據爆破效果逐步調整和優化相關爆破參數后再進行反復試驗，使得光面爆破后開挖面成型良好，Ⅲ類圍巖光爆孔半孔率達90%以上，部分Ⅳ類圍巖光爆孔半孔率達60%以上。