光面爆破開挖施工技術在石質圍巖隧道的應用研究

李鰲LI Ao

（四川川交路橋有限責任公司，廣漢 618300）

0 引言

現代社會道路建設中，常見石質圍巖隧道施工需求，此類隧道一般需要在山體內施工，難度較大、復雜性也較高，施工經濟成本、時間成本值得關注，客觀催生了各類爆破技術，包括光面爆破技術在內。光面爆破（Smooth blasting）是一種爆破技術，能夠服務隧道開挖等工程作業，也稱光面爆破開挖技術。該技術是指通過正確選擇爆破參數和合理的施工方法，分區分段微差爆破，達到爆破后輪廓線符合設計要求，臨空面平整規則的一種控制爆破技術。其主要特點在于在設計開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與最小抵抗線相匹配的光爆孔，并采用不耦合裝藥或其他特殊的裝藥結構，在開挖主體爆破后，光爆孔內的裝藥同時起爆，形成一個貫穿光爆炮孔且光滑平整的開挖面[1]。與常規爆破方式相似，光面爆破也關注對炸藥的使用，從原理上看，光面爆破主要強調控制炸藥的爆破效果，使爆炸后產生的作用力得到有效引導、控制初始沖量，減少對炮眼眼壁巖體的破壞，使其在隧道巖體的作用力沿固定方向方向，形成平整規范的開挖面。只要參數控制得當，就可以形成基于此原理的光滑作業面[2]。因此，光面爆破開挖需要合理進行計算，科學選擇炸藥、裝藥結構以及各類爆破參數，以形成更有利于后續施工的光滑作業面。根據現有資料可以發現，光面爆破開挖施工技術在石質圍巖隧道的應用已經得到關注，但當參數選用不當時，難以發揮技術優勢，甚至帶有反復作業的風險，有必要就其技術要點、操作措施、關鍵參數計算等內容進行分析，以進一步發揮技術優勢，推動石質圍巖隧道施工等活動有序開展。

1 光面爆破開挖技術要點

光面爆破開挖技術要點集中于六個方面，即不耦合系數、光面眼間距、最小抵抗線、炮孔鄰近系數、線裝藥密度、起爆間隔時間。

按照一般研究，不耦合系數一般取值范圍在1.5～2.5之間，部分工程情況特殊，可適當增加其取值范圍，但大多不高于3.0、不低于1.1。不耦合系數的作用在于控制炮孔壓力，使其高于動抗拉強度、低于巖壁動抗壓強度[3]。光面眼間距的參數一般根據炮眼直徑確定，以炮眼直徑的10～20 倍為宜，如果隧道圍巖的整體性良好可適當增大，反之則適當縮小。最小抵抗線是光面層厚度到鄰近輔助眼間的距離，不小于光面眼間距，作為光面眼起爆時默認的最小系數，應在起爆前隨其他參數共同分析確定。

炮孔鄰近系數應根據光面炮孔間距、最小抵抗線的取值情況確定，一般以二者的比值為基準。該系數影響巖體爆炸后的質量，以控制欠挖、超挖為目標，需要合理確定其取值范圍，一般在0.8～1.0 之間。強度較大、整體性較高的圍巖應擴大取值，反之則減小[4]。線裝藥密度即每一個炮眼中的裝藥量，通常根據巖體強度確定。其多見參數如表1。

表1 光面爆破線裝藥密度多見參數 單位：g/m

起爆間隔時間也即時間差，通常需要根據工程特點具體確定，在條件較理想的情況下，應控制起爆間隔時間在100ms 以下。通常齊發起爆的裂隙表面最平整，如果爆破面的情況比較特殊、存在受力面參差不齊等情況，也應設定一定的起爆間隔，原則上以微差進行起爆控制即可，延遲較高、時間差較大，可能導致爆破面裂隙、凹凸不平等問題。除上述因素外，影響石質圍巖隧道中光面爆破開挖的應用效果的因素還包括鉆孔精度、技術應用規范性、圍巖含水量等，但這些參數的影響不局限于光面爆破，對其他爆破作業也帶有一定影響[5]。

2 石質圍巖隧道中光面爆破開挖的操作措施

光面爆破開挖的操作措施比較固定，其標準流程一般如圖1 所示。

圖1 光面爆破開挖的操作措施

按照圖1 所示流程，在組織光面爆破前，需要做數據信息收集，包括巖體信息、周邊信息等，完成信息采集后可通過建模等方式，分析隧道所在區域巖體的強度情況，據此組織光面爆破設計。

在此過程中，需要關注爆破參數的合理控制，也應適當以現代化工藝手段提供施工支持。包括合理布置周邊眼、選擇裝藥參數、精心實施鉆爆作業等。光面眼間距的設置方面，要求根據前期分析結果，確定光面眼間距、最小抵抗線，原則上光面眼間距應在40～70cm 之間，其數值大小與圍巖強度為正相關，后者強度越高，光面眼間距的取值越大。最小抵抗線不小于光面眼間距，二者比值可以作為周邊炮眼密集系數，其取值范圍上文已經進行分析。裝藥參數根據圍巖強度確定在此基礎上，還應考慮合理進行裝藥結構選擇，一般采用小直徑藥卷、低密度、低爆速炸藥，以空氣柱裝藥、不耦合裝藥的形式為主，必要時也可以選取導爆索連接、分段方式完成裝藥。

實施爆破時，應保證炮眼應相互平行，與隧道預期工作面形成垂直面，炮眼偏斜角度也應加以控制，原則上不應大于5°，內圈眼與周邊眼應采用相同的斜率鉆眼。為保證爆破效果，應控制不用炮眼起爆時間，使其能夠在同一時間內完成爆破。對于復雜作業面，可以使用間隔為25ms的毫秒延期電雷管，或采用分次爆破的方式完成施工。

3 光面爆破開挖案例分析

3.1 工程概況

河北省重點工程張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程位于張家口市涿鹿縣河東鎮，主線左洞全長6531m，主線右洞全長6421m，斜井位左線左側，離出口洞口1353m，斜井全長721m，綜合縱坡-11.8%，雙車道，內輪廓凈寬9.3m，凈高6.9m，單心圓半徑4.65m，輔助施工主攻北京方向，隧道區巖性以花崗閃長巖為主，鑲嵌碎裂結構-塊狀結構，洞口段為IV 級圍巖，洞身以III-IV 級圍巖為主，圍巖整體性較差，變化頻繁，涌水量達到正常隧道的近3 倍之多，由于斜井縱坡大，施工機械、作業臺車及工人實際施工工藝工法不能完全按照普通隧道考慮，擬通過光面爆破開挖施工技術提供支持。與此同時，為保證爆破工作質量，施工單位組織了有效的爆破前分析，決定對常見問題進行研究以求規避，獲取了較理想的工作回報。

3.2 爆破工作過程

施工方人員分析發現，導致光面爆破質量不佳的因素比較多樣，為保證爆破質量。建立了虛擬實驗模式，重點分析爆破參數。包括炮眼間距、炮眼數目、最小抵抗線以及裝藥量四個方面。炮眼間距計算公式為：

式（1）中，d 代表炮眼間距，M 代表儀器道數，△X 為道間距。技術人員設定了四個工作參數，代入早期工程資料進行模擬，在其他參數不變的情況下，分別設定炮眼間距為40cm（1 號參數）、50cm（2 號參數）、60cm（3 號參數）、70cm（4 號參數），利用計算機進行實驗，結果如表2 所示。

表2 炮眼間距實驗結果

結合實驗結果，確定炮眼間距應控制在50cm 左右，以此參數為基礎進行實驗，進一步確定炮眼間距的理想值為49.2cm，無超、欠挖問題。炮眼數目計算公式為：

式（2）中，炮眼數目為N，L、A、B 分別代表工作面炮眼長度、炮眼爆轟破壞經驗因數、為巖石的強度修正值。其中炮眼爆轟破壞經驗因數、為巖石的強度修正值均以前期工作結果為依據獲取。按照此公式，工作人員進行了實驗分析，分別設定了4 套工作方案，炮眼數目分別確定為25 個（5 號參數）、35 個（6 號參數）、45 個（7 號參數）、55 個（8號參數）。在其他參數不變的情況下，利用計算機進行實驗，結果如表3 所示。

表3 炮眼數目實驗結果

結合實驗結果，確定炮眼數目應控制在35 個左右，以此參數為基礎進行實驗，進一步確定炮眼數目的理想值為37 個，無超、欠挖問題。炮眼布置見圖2。

圖2 炮眼布置圖

最小抵抗線的計算公式為：

式（3）中，W 代表最小抵抗線，C、a、Lb分別代表爆破系數、孔距以及炮孔的深度。按照此公式，工作人員進行了實驗分析，分別設定了4 套工作方案，主要調整炮孔的深度、確定最小抵抗線的合理值。分別設定炮孔的深度為0.5m（9 號參數）、0.6m（10 號參數）、0.7m（11 號參數）、0.8m（12 號參數）。在其他參數不變的情況下，利用計算機進行實驗，結果如表4 所示。

表4 最小抵抗線實驗結果

結合實驗結果，確定炮孔深度應控制在0.8m 左右，以此參數為基礎進行實驗，進一步確定炮孔深度的理想值為0.81m，最小抵抗線取值0.86，無超、欠挖問題。裝藥量的計算公式為：

式（4）中，q 代表每個炮眼中的用藥量，A、K、m、k1、W分別代表炮眼堵塞系數（默認1.0）、K 為巖石硬度介質系數、m 炮孔密度系數、為k1為炮孔密度影響的固定參數、W為最小抵抗線。除A 外，其他系數均根據工程調查結果確定。按照此公式，工作人員進行了實驗分析，分別設定了4套工作方案，主要調整裝藥量。分別設定裝藥量為70g/m（13 號參數）、100g/m（14 號參數）、130g/m（15 號參數）、160g/m（16 號參數）。在其他參數不變的情況下，利用計算機進行實驗，結果如表5 所示。

表5 裝藥量實驗結果

結合實驗結果，確定裝藥量應控制在100g/m 左右，以此參數為基礎進行實驗，進一步確定炮孔深度的理想值為112g/m，無超、欠挖問題。裝藥設計見圖3。

圖3 光面爆破裝藥設計

上述工作完成后，對張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程中的光面爆破工作成果進行統計。結果上看，在其他工作參數不變的情況下，確定炮眼間距49.2cm、炮眼數目37 個、炮孔深度0.81m、最小抵抗線0.86、裝藥量112g/m，可完成高質量的光面爆破。

4 結束語

綜上所述，光面爆破開挖施工技術在石質圍巖隧道的應用比較多見，其特點和優勢比較突出，未來工作中也應給予更多重視。從一般流程上看，光面爆破開挖技術關注前期信息采集以及具體技術參數確定，結合張涿高速與北京市國道G109 新線高速連通工程，可知該技術的應用較傳統爆破方法更具優勢，可以控制超挖欠挖問題，減少了對圍巖的破壞，圍巖穩定性較好，能夠服務支護和后續施工。未來可以根據施工區域特點，在作業面小、不能常規爆破的情況下，利用光面爆破開挖技術作為替代，服務石質圍巖隧道施工作業。