隧洞開挖光面爆破技術應用中施工細節管控

張自解，覃相和

(中國電建貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

隨著國內經濟、工程行業的發展，基于水利水電行業、公路行業，市政行業、建筑行業隧洞工程更為普遍。縱觀隧洞開挖爆破技術的發展歷史，從火藥的發明至今，理論上已形成成熟的爆破施工技術，并在軍事、工業、工程上廣泛應用。早在葛洲壩、小浪底、三峽、二灘等水電站建設中，理論及實踐已論證了光面爆破法是隧洞工程爆破開挖的最優爆破技術。光面爆破技術不僅能完美的實現“新奧法”原理在隧洞開挖施工階段的控制效果，還能最大限度滿足洞渣清理、運輸、二次利用的工程要求，從而實現進度、成本最優。

隧洞開挖爆破施工直接關系到整個隧洞工程的施工質量、安全，爆破效果也同時影響施工進度及成本。國家推行建設模式的多樣化，項目管理層級分化嚴重，工程施工技術有層級衰減情況；工程建設引入專職爆破公司，隧洞工程責任主體單位對開挖爆破施工管理弱化，爆破施工管理有時因此變得被動。筆者認為，作為隧洞工程責任主體單位工程技術人員及管理人員，應認識工程爆破控制的重要性，繼承先輩們的寶貴工程經驗，結合工程中隧洞實際地質條件及項目管理要求，強化爆破施工技術管理，充分發揮光面爆破技術優勢，提升洞挖質量，保障合同履約效果。

1 火工產品性能認識與領用管理

國家法律與治安管理規定對爆破器材供應嚴控，對合同約定、技術管理的一般程序有所規定，有些過程管理內容，一般工程技術人員不易涉及。項目技術人員與管理人員培訓中，也缺少爆破器材認識的教育環節，在生產管理過程、行政主管單位巡視檢查過程，在討論交流包括危險性、品種、品質等知識內容時，時有項目技術人員對相關內容不夠了解的現象發生。

工程建設中，爆炸器材逐漸固定在一定品種、規格范圍，爆破器材種類趨于單一化。調查市場供應情況發現，隧洞工程光面爆破施工用到的爆破器材主要包括起爆雷管、毫秒延遲雷管、導爆管、導爆索、炸藥等火工品。其中使用的炸藥，常用安全性能最優的乳化炸藥類型。

根據工程建設需要，工程技術人員及項目管理人員需要補充對爆破器材中的火工品性能的認識理解。

1.1 火工產品性能認識

起爆雷管：用于爆破網絡的起爆，一般有電雷管、非電雷管、火雷管等，隧洞開挖爆破中采用電雷管最為安全，電雷管采用相應的電起爆器起爆。雷管為高猛度爆炸材料，傳爆速度約5000m/s。

毫秒延遲雷管：用于不同梯段爆破網絡或不同梯段爆破孔中炸藥的引爆，采用非電雷管，雷管中延遲起爆功能可實現爆破孔分段引爆效果，由導爆管和雷管兩部分組成，可分開使用。

導爆管：非電雷管的組成部分，也可以單獨用于爆破網絡連接導管，電雷管間的爆轟波靠導爆管傳送，沒有爆炸猛度，傳爆速度約2000m/s。

導爆索：俗稱“紅線”，屬于火具，用于炸藥或炸藥包之間的連接傳爆，有一定的爆炸猛度，傳爆速度約6000m/s，在光面爆破中用于周邊孔的爆破或起爆。

炸藥：爆破中具有爆炸功能的主要材料，目前工程中均使用乳化炸藥，是一種油包水型的乳膠狀炸藥，受到高壓沖擊才會被引爆。根據爆破藥量控制需要，可選購不同直徑的藥卷。為猛度適宜的爆炸材料，傳爆速度約4000m/s。

1.2 火工產品的運輸及使用管理

火工產品屬于高風險材料，一旦發生意外，后果嚴重。火工產品應由責任單位委派專人負責領取、登記、運輸、移交、退庫等工作，所有參與人員均應登記、備案，持證上崗。火工產品的運輸，采用專用火工品運輸車輛運輸，由有相關資質的人員押送到工作面。

責任單位與派出機構/項目部，應該重視相應的制度建設，明確包括管理人員、爆破工等各層級人員的崗位職責，開展培訓交底，嚴格執行安全技術交底。建設過程主動報備，并定期檢查，不得出現人工管理、監控設施監控盲區。

2 隧洞爆破設計的粗放問題

2.1 爆破藥量與網絡設計

隧洞工程開挖光面爆破設計內容應包括分區設計、爆破網絡、爆破孔布置、爆破孔裝藥結構。根據洞室圍巖的巖體特性擬定洞挖炸藥單耗藥量，當計算的單耗藥量與預定單耗藥量明顯不符時，應考慮修改爆破設計。根據洞室圍巖的穩定性擬定單響藥量，當計算的最大單響藥量超過圍巖的自穩承受能力時，應該考慮調整爆破網絡設計中爆破孔分段情況。

爆破網絡設計主要是對爆破網絡的節點、爆破分區、爆破孔分段情況的設計，主要控制整個網絡有效引爆、按段序引爆，避免瞎跑、拒爆、竄爆等情況發生。由于爆破網絡屬于一次性工序，沒有可復查性，有效網絡保障措施容易被忽視。

在實施過程中，若出現拒爆情況，除了檢查綁扎、連接部位的可靠性，還可以在節點處增加雷管保障起爆。延遲毫秒雷管用于爆破孔的分段，掏槽孔、主爆孔、底板孔、周邊光爆孔必須設為不同段位，根據主爆孔位置不同，按照爆破需要可以再細分為不同段位。在實踐中分段不明顯影響爆破效果的，可以增加段位時差。

2.2 爆破設計一炮一總結的落實問題

施工組織設計或施工方案中的爆破設計，主要針對常規洞段的設計開挖輪廓、圍巖結構及特性參數進行設計。在施工過程中，需要根據實際揭露的圍巖情況，結合開挖效果、成本控制、質量控制等，動態進行爆破設計，或修改既有爆破設計參數。

爆破設計的精細化管理在于及時調整。每次爆破前的施工技術管理人員應結合開挖面實際揭露的巖體結構、特性，溶洞、斷層、節理、裂隙發育情況，生產管理人員與爆破技術人員商量調整相應的參數，并將這些調整及時通知庫房管理人員，用于領用提取火工產品，保證現場所需。對重要部位的這些內容，還應通知爆破監測人員實施過程監測。

這些設計參數調整及調整效果，均應有相應的記錄。

2.3 爆破設計主體責任落實問題

隧洞工程的爆破設計應貫穿整個施工過程。行業規范規定，爆破設計是隧洞工程施工組織設計、洞挖施工方案的重要內容，應由工程技術負責人審簽、報送監理機構審批，用于指導和管控現場施工的依據，也作為工程造價控制的依據。在爆破設計正式實施前，責任單位應組織技術交底。

業界已經推行了爆破工作外委實施的合作方式，也有委托持有爆破監理資質的單位進行監督管理。對于工程建設責任單位來說，爆破設計有時出現兩張皮的情況：由技術人員參考類似項目設計，但單位組織有經驗的專業人員審查環節容易被忽視。作為責任單位的項目管理人員，應依據合同約定落實主體責任，安排有經驗的人員負責設計，培養相關技術人員參與爆破設計，保證爆破設計的針對性、實用性。

3 爆破控制細節管理

3.1 開挖面分區

隧洞開挖成型，應遵循“全過程保持洞身拱形效應”的原則。按照設計開挖體形及支護設計要求，對設計斷面進行分區開挖，以減小單次爆破藥量。爆破分區時，具備較完整的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖條件的中小型斷面隧洞，可采用全斷面爆破；將大斷面、特大斷面分為中小型斷面，分區爆破；將地質條件不允許全斷面爆破的Ⅳ、Ⅴ類圍巖條件的中小型斷面按支護施工要求分臺階開挖爆破。分區涉及周邊輪廓爆破質量需要的，嚴格按照光面爆破設計要求控制。

先期爆破范圍，采用機械清挖，存在殘留巖埂或爆破不理想的部位，由爆破技術人員再次補孔爆破清理；分離出來的下半洞，已經形成較好的臨空面，做好已開挖部位的初期支護或加強支護后，按照明挖方式松動爆破、拋擲爆破挖除。

3.2 掏槽與主爆孔的控制要求

3.2.1掏槽孔

可將巖石從整體中分層剝離到臨空面方向。掏槽孔作為首段爆破孔，必須實現洞挖爆破主爆孔的臨空面。

掏槽孔的形式分為直眼掏槽、楔形掏槽，其孔數量、造孔深度，均通過機械成孔、爆破調整參數來試驗確定。

單次循環爆破最大進尺，更多來自于造孔精度、最大爆炸猛度的滿孔裝藥來實現，但有經驗的爆破手會對圍巖的固有特性進行預判定，并結合軟硬巖、是否破碎、是否存在地下水的影響等，會有更好的效果。

3.2.2主爆孔

主爆孔借助于掏槽孔產生的臨空面，分層剝離巖體。主爆孔區的單耗藥量決定本次爆破的藥量，也決定爆破后巖體的破碎程度。布孔密度根據爆破材料性能參數、巖體條件參數、巖體自重來計算，同時考慮滿足便于運輸、洞渣二次利用的要求。

3.3 體形控制與光面爆破孔的外插值經驗數據

3.3.1隧洞底板坡度與底板孔控制

底板孔的放樣，是隧洞開挖縱坡控制的重點之一，至于底板孔是否有必要采用光面爆破，則可以根據地質條件和項目質量要求來決定。

3.3.2光爆層及光面爆破孔外插值經驗數據

光爆孔的爆破是開挖輪廓線成形的爆破，是光面爆破開挖的特點和關鍵。光爆孔孔位布置于輪廓線上，設置目的是形成完美的開挖輪廓線。光爆孔的施工決定超欠挖情況、輪廓線的線形、爆破對周邊圍巖擾動。

1989年西安礦業學院戴俊教授完整論述了光爆層厚度W在光面爆破技術中的作用及計算方法。由于光爆層影響的效果不直觀，且在諸多教科書中均被忽略，在工程實踐中易被忽視。

光爆層是主爆孔最外圈孔與光爆孔之間的巖層，光爆層厚是光爆孔有效爆破、爆破效果的關鍵。值得注意的是，光面爆破的效果是靠光爆孔爆破拉裂圍巖，裂縫連通光爆孔形成完整的輪廓線，靠爆轟波和光爆層自重共同作用剝落巖體。故光爆層厚不足會導致光爆孔失效(主爆孔崩落光爆孔)，形成欠挖；光爆層厚過大會導致光爆孔超強發揮效果(光爆層自穩作用導致光爆孔獨立作用，爆轟波外傳)，無法形成合格的輪廓線，加大爆破對周邊圍巖的擾動，從而形成超挖，甚至塌方。

光爆層厚度W與外插值見公式(1)，如圖1所示。

圖1 光爆層厚度與外插值示意圖

(1)

式中，δ—外插值；L—孔深。

外插值是控制錯臺、欠挖與超挖的關鍵值。一般取3°～4°或取3～5cm/m。

3.4 光面爆破裝藥參數選用

裝藥參數系指：每m炮孔的平均線裝藥量q(單位g/m)；裝藥密度ρ(單位g/cm3)；炸藥的爆炸性能(爆速、威力、猛度、殉爆)、藥卷直徑。

光爆孔應不耦合裝藥，以間斷裝藥、裝小徑藥卷來實現。采用竹片、PVC管、粘膠帶等輔助形成間斷裝藥，小徑藥卷應在采購爆破材料時提前考慮，也可將普通藥卷切分為小徑藥卷使用。光爆孔中使用導爆索連接各個藥卷，爆破設計計算中，光爆孔的藥量應計算導爆索藥量。

合理選擇裝藥參數：平均線藥量：q=100～350g/m，或者按照經驗公式進行計算選擇：軟巖取偏小值，硬巖取偏大值。

底部適當加強裝藥含量可用的經驗數據：3m及以上中深孔爆破，為克服底部夾制作用影響，通常裝入不小于100g藥量；小于3m不小于75g藥量。

裝藥密度：對梯銨類炸藥，取ρ=0.85～0.90g/cm3，對于乳化炸藥，取ρ=0.90～1.10g/cm3。

藥卷規格：藥卷直徑Ф=20～25mm，長度可向廠家訂購，選用低威力、中等爆速的炸藥，其爆速不應大于4500m/s。

合理確定不耦合參數：通常選用η=1.5～2.0，成孔選用Ф38鉆頭，宜使用Ф=20mm藥卷；成孔選用Ф42鉆頭，宜使用Ф=25mm藥卷。

4 爆破效果措施細節管理

4.1 技術措施細節管理

4.1.1鉆孔質量的控制

爆破孔孔位、角度直接影響爆破效果，孔位和角度的保障來源于鉆爆工的工作平臺。隧洞施工中，鉆爆施工、錨桿施工、噴混凝土施工、鋼架支護施工對工作臺車有不同要求，難以實現各自的要求，故而鉆爆工的工作平臺要求容易被忽視。在施工準備前應結合各班組要求制作多功能的臺車，以實現各班組的要求。為了保證工程質量，隧洞施工中配置鉆孔臺車是非常必要的，既能滿足鉆爆要求，又能滿足錨桿施工質量控制要求，同時提高施工效率。

4.1.2爆破孔的封口

根據爆破機理，所有爆破孔均應進行嚴密封堵，才能實現正常爆破設計效果，否則形成“沖天炮”現象，大量能量損失，爆破技術效果大打折扣。封堵需要充足的粘土，爆破班往往嫌麻煩忽略封堵工作，應在該問題上對爆破班組進行考核，提前提供粘土及加工場地。

4.1.3預防爆破孔漏氣

爆破孔漏氣問題的解決涉及多個工序，人為因素、協調工作是否到位等原因，容易被忽視。為保證效果，除了孔口封堵，也應預防爆破孔漏氣。應開展超前地質預報、工作面清理，由地質素描人員對裂隙、空洞進行預判，并告訴爆破工、裝藥工。成孔后，可以采用泥漿洗孔等措施封堵裂隙，避免漏氣。

4.2 組織措施細節管理

4.2.1責任落實與控制

在工程施工過程中，如果非地質條件出現較大異常而產生洞身變形、塌方情況，應開展爆破設計與現場調整方面的分析。該過程中，應經常性開展以下工作：①單獨分離掏槽孔進行爆破、驗證掏槽孔設計的合理性；②預留光爆層單獨進行周邊孔爆破、論證光爆孔設計的合理性。

4.2.2輔助材料的保障

除了主要爆破材料外，保障光爆孔間斷裝藥的綁扎材料、炮泥也是非常重要的輔助材料。由于爆破材料的一次性，施工班組均不愿花費精力解決輔助材料問題，相應的保障措施被忽視，導致無法達到預期效果。針對輔助材料的保障，需要靠管理層的獎懲措施、輔助措施進行激勵、促進。

5 結語

隧洞開挖爆破施工直接關系到整個隧洞工程的施工質量、安全，爆破效果也同時影響施工進度及成本。忽視隧洞爆破技術應用施工中的管控細節不一定導致施工的失敗，但一定會導致項目不必要的浪費，并會導致爆破施工技術的停滯或倒退。落實以上施工細節控制措施，基本能夠把控隧洞開挖光面爆破技術應用并保障良好的爆破效果。隧洞開挖光面爆破施工技術容易受到多方面的因素影響，項目負責人應層層交底；施工技術人員應提取控制要點，結合實際管控條件，采取相應的保障措施來確保施工技術有效發揮作用。