高速鐵路隧道破碎圍巖地段光面爆破技術研究

儲巨球

（中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

光面爆破是一種爆出的新壁面保持平整而不受明顯破壞的控制爆破技術，不良地質隧道開挖采用光面爆破，可減少對圍巖的擾動、控制超欠挖、節約支護時間。

光面爆破優點如下：對圍巖破壞輕微得多，聲波探測表明，采用光面爆破，圍巖松弛帶的范圍只是普通常規爆破的1/3～1/2，提高圍巖穩定性，減少支護工作量?？梢源蟠鬁p少隧道超欠挖量，提高工程質量，加快施工進度，減少噴混凝土量。圍巖壁面平整，危石少，排危工作簡單，減輕了表面應力集中現象，增加了施工安全。

2 工程背景

太焦鐵路皇后嶺隧道斜井III級圍巖600m，III級占隧道斜井全長87.5%，采用全斷面法開挖。圍巖為石灰巖，深灰色，弱風化，節理裂隙弱發育，水平分層、巖體較破碎。

3 光面爆破

根據圍巖的特性及參照國內外一些類似工程，擇優選取光爆參數。光爆參數一般包括炮孔直徑、周邊眼間距、最小抵抗線、密集系數、線裝藥密度等。

3.1 炮孔直徑

炮孔直徑一般選取為35mm～45mm。本次實施階段采用的炮孔直徑是42mm。

3.2 周邊眼參數

3.2.1 周邊眼間距

在不耦合裝藥的前提下，光面爆破應滿足炮孔內靜壓力F小于爆破巖體的極限抗壓強度，而大于巖體的極限抗拉強度的條件。隧道在開挖施工時可參照如下經驗公式（1）選?。?/p>

式中，E——周邊眼間距（mm）

d——炮眼直徑（mm）

根據確定的炮眼直徑，周邊眼間距取值范圍為504mm～840mm，結合本隧道圍巖情況及表1提供的經驗值，選取本次周邊眼間距為500mm。

3.2.2 最小抵抗線及炮眼密集系數

最小抵抗線即光面層的厚度，取值大小與巖石的性質和地質構造等因素有關。

根據表1提供的經驗數據，選取本次光面爆破最小抵抗線數值為600mm。

光爆層的厚度W與周邊孔的間距E有著極為緊密的關系，二者的比值K=E/W，稱為周邊孔密集系數。本項目根據選定的E與W值，選取周邊眼的密集系數如式（2）。

3.2.3 線裝藥密度

見表1。

各線裝藥密度 表1

3.2.4 不耦合系數

不耦合系數為炮眼直徑與藥卷直徑的比值，一般取裝藥不耦合系數=1.25～2.5，見公式（3）。

3.3 裝藥結構

見圖1。

圖1 裝藥結構

4 鉆爆設計

皇后嶺隧道斜井III級圍巖為石灰巖，節理裂隙發育，全斷面開挖施工，開挖尺寸為 H高=7.1m、L寬=8.5m，S全=53.48㎡。循環進尺3m，鉆眼采用YT-28鑿巖機，炸藥采用二號巖石乳化炸藥，采用導爆索和非電毫秒雷管引爆。

掏槽眼、內圈眼間距為1.2m，排距0.6m。 現 場 掏 槽 眼 E=0.5m，W=0.55m。底板眼的間距適當加密，為1.0m。根據3.2提供的周邊眼參數，炮孔設計圖見圖2、圖3所示。

圖2 炮孔布置圖

圖3 炮孔剖面圖

5 現場驗證實施

5.1 工藝流程

見圖4。

圖4 工藝流程圖

5.2 測量

周邊眼應沿隧道開挖輪廓線布置，保證開挖斷面符合設計要求。輔助炮眼交錯均勻布置在周邊眼與掏槽眼之間，力求爆破出的石塊塊度適合裝碴的需要。鉆眼前，測量人員用紅鉛油準確地繪出開挖斷面的中線和輪廓線，標出炮眼位置，其誤差不得超過3cm，并交付隧道隊技術負責人。通過測量將炮孔起鉆點采用紅色油漆標識在掌子面，并要求作業工人起鉆點嚴格按照測量標識測點進行鉆孔作業。

5.3 定位

按炮眼布置正確鉆孔，掏槽眼和周邊眼的鉆孔精度要高，開眼誤差控制在3cm以內，為確保周邊眼炮孔角度的準確性，根據實際施工需求，制作了簡易的角度卡具。

5.4 鉆孔

根據炮眼布置對開挖人員進行區域分工，明確責任，落實好“五定”（定點、定人、定量、定時、定獎罰）。

圖5 簡易鉆桿角度控制器

圖6 皇后嶺隧道斜井鉆孔分工圖

5.5 裝藥

炮棍采用不同顏色進行標記，保證炸藥進入到炮孔的預定位置。

圖7 炮棍標記塞藥

5.6 連線

采用導爆索連接，在孔口緊貼巖面處導爆索穿成T形節，膠布只捆綁雷管的起爆段多余傳爆管整理有序。

圖8 導爆索T接

5.7 起爆

網絡聯好后，在準備起爆前，人員撤離危險區，應設保護設施的一定要設置，然后由安全員核實，方可進行起爆。起爆采用非電毫秒雷管。

5.8 排險

圖9 光爆前排險后超欠挖嚴重

圖10 光爆排險后無超欠挖

5.9 效果檢查

①光爆后炮眼痕跡率達90%～95%，兩炮銜接最大尺寸9cm，超欠挖量僅為5%左右；非光爆超欠挖量（30%）。

圖11 光爆實施前后炮眼殘留率

②光面爆破實施前后出渣量及超欠挖對比

見圖12。

圖12 光爆實施前后隧道斷面掃面圖

③噴漿料成本對比分析

設計要求每米噴漿料為4.47m3

原超方為（58.58+60.38）/2-53.48=6m3

現超方為55.21-53.48=1.73m3

綜合噴漿量按照20%的回彈，每方量綜合單價為820元，每3m節約成本為（6-1.73）×1.2×820×3=12605元。

計算的每循環總節約成本為（-194.3+943+12605）=13354 元

④時間功效對比

按照每循環3m進尺計算

a.打鉆節省時間：

原設計136個炮孔，現設計114個，現場 11 把鉆，節約時間：（136-114）/11×15=30min。

出砟成本對比分析 表2

b.接導爆索消耗時間:平均按照40min。

c.出砟節省時間:出砟車每來回最少花費20min。

d.找頂排險節省時間：每循環至少40min。

e.噴漿節省時間:平均9方料濕噴為40min，光爆每循環平均節約(6-1.73)×1.2×3=15.4方，節約時間為70min。

綜合統計得：總節約時間為30-40+20+40+70=150min。

總結每循環按照3m進尺計算：節約成本約13354元，時間150min。

6 結論

通過采用光面爆破技術，很好地控制了隧道超欠挖，有效減少了噴射混凝土的消耗，大大降低了施工成本，取得了良好的經濟效應；光面爆破完成后可立即架設鋼架，噴射混凝土，大大縮短工序銜接時間，取得了較好的作業功效；光面爆破后圍巖光滑平整，圍巖應力分布均勻，作業安全系數高，取得了較高的安全價值；依據光面爆破與隧道監控量測成果，成功地將三肢鋼架支護調整為錨網噴支護，經濟效益、社會效益明顯，為今后類似地質條件的隧道施工奠定了堅實的技術基礎，提供了良好的借鑒。