光面爆破技術在隧道施工中的應用研究

王林

摘要 為解決傳統爆破方法存在的超挖量大、施工成本高、圍巖損傷嚴重等問題，文章依托浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級公路復建工程的1號、2號、3號隧道工程，展開光面爆破技術在隧道施工中的應用研究，詳細闡述了光面爆破技術的基本原理及應用優勢，然后結合工程實際情況，確定了炮孔深度L、周邊孔孔距E、抵抗線W等爆破參數，最后進行了實體工程應用。研究結果表明：采用光面爆破技術方案，能夠將不平整度控制在8 cm以內；炮孔利用率超過96%，平均線性超挖量為9.3 cm，半孔率達到86.2%，工程應用效果良好，該技術可在未來隧道工程領域進行大規模推廣使用。

關鍵詞 隧道工程；光面爆破技術；爆破設計

中圖分類號 U455.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0149-03

0 引言

傳統的隧道開挖方法在一定程度上存在著超欠挖問題，導致工程成本的增加、圍巖的不必要擾動以及施工安全和工程質量的隱患。為解決上述問題，光面爆破技術作為一種新興的施工手段被引入隧道開挖工程中。光面爆破技術以其優異的爆破效果和施工效率，逐漸成為隧道施工中的重要工具之一。其主要目的是通過合理的炮孔布置和藥量配置，控制斷面的超欠挖，降低施工成本，減少對圍巖的擾動，確保施工安全和工程質量[1]。該文旨在對光面爆破技術在隧道施工中的應用進行深入研究和探討，為隧道工程提供一種更加高效、經濟和安全的施工方法，推動光面爆破技術在隧道施工中的廣泛應用。

1 工程概況

浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級公路復建工程，1號隧道起訖樁號EK0+160～EK1+041，長881 m；2號隧道起訖樁號EK1+146～EK1+991，長845 m；3號隧道起訖樁號EK2+087～EK2+987，長900 m；隧道總長2 626 m。其中Ⅲ級圍巖占22.7%，Ⅳ級圍巖占44.7%，Ⅴ級圍巖占32.6%，巖石單軸抗壓強度40～80 MPa，隧道施工范圍內無地下管線。

2 光面爆破技術概述

2.1 技術原理

光面爆破技術有別于傳統的一般控制爆破技術，該技術通過合理設計爆破參數和爆破面形狀，能夠更加精確地控制爆破輪廓線，減少對圍巖的破壞作用，提高能量利用效率，目前已廣泛應用于隧道掘進工程和采礦工程中。根據對爆破破巖機理的研究，光面爆破技術的原理可以從不同的角度進行解釋，以下是目前被廣泛接受的幾種主要理論：

（1）爆炸應力波疊加理論：光面爆破技術可以通過疊加爆炸產生的應力波達到破碎作用。當炸藥爆炸釋放的能量集中在巖石中心位置時，產生高速沖擊波和應力波，使巖石發生破裂和變形。

（2）爆炸氣體作用理論：爆炸過程中，炸藥爆炸產生大量的爆炸氣體，造成瞬時增壓作用和由此引起的沖擊力，該作用可以導致巖石發生壓縮、撕裂和剝離等破壞行為。光面爆破技術利用爆生氣體的作用實現對巖石的破碎和控制。

（3）爆炸應力波與爆生氣體共同作用理論：該理論認為，光面爆破技術中的爆炸應力波與爆生氣體的作用相互關聯，爆炸應力波可以引起巖石表面的裂紋擴展和巖石的破碎，而爆生氣體則可以擴大裂紋形成的破碎區域，進一步實現巖石的破碎和控制。

2.2 技術優勢

相較于傳統爆破工藝，光面爆破主要有以下技術優勢：

（1）光面爆破工藝通過精確控制爆破參數和爆破面形狀，可以使爆破后的開挖面更加光滑，輪廓線更加清晰，給后續施工作業提供良好的條件。光滑的開挖面可以減少后續工程的修削和處理工作量，提高施工效率。

（2）光面爆破工藝能夠將超欠挖量控制在較小的范圍內，因此節約了鋼筋混凝土等材料，從而節省了施工成本。此外，減少超欠挖量還可以降低支護工作的難度，簡化施工流程，并加快施工進度。

（3）光面爆破工藝通過精確控制爆破參數和優化爆破面形狀，可以減小對圍巖的擾動。相比傳統爆破工藝，光面爆破不會引起圍巖原有裂隙的擴展，也較少產生次生裂隙。因此，可以克服不良地質條件帶來的困難，確保圍巖的穩定性和安全性，有效減少由爆破作業引起的塌方事故的發生[2]。

3 光面爆破參數設計

3.1 炮孔深度L

待爆破巖體的性質對炮孔深度的選擇至關重要，如巖體的強度、斷裂特征、裂隙發育程度等。炮孔過淺，不僅浪費爆破材料，且會對圍巖穩定性造成極大威脅。炮孔過深，會導致爆炸能量在巖體內部產生過多的能量損失，無法達到預期的破碎效果。合理的炮孔深度可以控制圍巖的斷裂和變形，避免過度承受爆炸沖擊，從而減少松動和支護負荷。按照炮孔深度進行劃分，可分為淺孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破三種方式，其大致界限如表1所示。

綜合考慮該隧道工程圍巖情況、鑿巖機具效率以及工期要求等，最終確定掏槽孔和擴槽孔深度為3.7 m，其余炮孔深度為3.5 m。

3.2 周邊孔孔距E

周邊孔孔距也是影響光面爆破效果的一大重要因素。如果周邊孔孔距過大，可能會導致爆炸產生的效果不均勻，難以獲得所需的平整光面，從而降低爆破效果，導致開挖面不符合設計要求；孔距過小，則需要增加鉆孔次數，增加了鉆孔費用和施工成本，且較小的孔距會使得巖石在爆炸后形成大塊體，增加了巖體的處理和清理難度。

在實際隧道工程項目中，主要根據相關工程經驗確定周邊孔孔距，該值與炮孔直徑相關，具體見式（1）：

E=（12+20）d （1）

式中，E——周邊孔孔距；d——炮眼直徑。

結合該工程實際情況，選取周邊孔孔距為55 cm。

3.3 周邊眼抵抗線W

周邊眼抵抗線W即光爆層厚度，抵抗線W值的選取也與最終爆破效果密切相關。光爆層的作用是承受和傳遞爆破能量，通過破碎巖石來實現隧道開挖。當光爆層厚度選取過大時，爆破能量無法充分地傳遞到光爆層，導致光爆層不容易破碎崩落，影響爆破效果和開挖進展；光爆層厚度過小時，將導致光面孔的爆破變為漏斗爆破，不利于形成滑邊壁，且會導致超欠挖的情況出現。

已有工程經驗表明，當抵抗線W值為1.0～1.5倍的孔距E時，爆破效果良好。因此，該工程確定抵抗線W值為65 cm。

3.4 周邊眼線裝藥密度qL

周邊眼線裝藥密度指的是單位長度炮孔內的裝藥量大小，其計算公式見式（2）。

qL=q·E·W （2）

式中，q——炸藥單耗；E——周邊孔孔距；W——周邊眼抵抗線（光爆層厚度）。

該工程取炸藥單耗q為0.75 kg/m3，再將前文確定的E=55 cm、W=65 cm代入式（2）中，計算得到qL=

0.268 kg/m。

3.5 炮孔堵塞長度P

光面爆破施工工序中，在完成清孔裝藥后，通常需要對炮孔進行堵塞處理。堵塞炮孔的目的是防止炸藥松動或移位，并提供支撐和密封作用，以確保爆炸能量能夠有效地傳遞到巖石中。堵塞炮孔所使用的材料通常是一種稱為炮泥（或者叫作充填料、炮孔灌漿料）的混合物，黏土常用作堵塞材料之一，具有較好的黏結性和密封性能，可以堵塞炮孔并防止炸藥松動。堵塞長度一般根據炮孔深度、炮孔孔徑進行確定，且應保證≥0.4 m。

4 光面爆破設計與施工

4.1 爆破設計

結合項目實際情況，該工程采用上下臺階的光面爆破法進行爆破施工，具體爆破設計如下。

（1）掏槽形式。綜合考慮施工進度要求、安全性、效益以及作業隊伍技術水平等因素，該工程決定采用楔形掏槽技術。該技術是一種常用于減震爆破的技術，其目的是通過改變炮眼的結構和裝藥量，以減少爆破產生的振動和沖擊力量。通常，楔形掏槽使用3～4對單“V”形或雙“V”形掏槽眼。掏槽眼孔深比其他炮眼孔深加深20 cm左右，裝藥量相應增加約20%。通過增加掏槽眼的深度，爆炸波可以更好地傳導到巖石內部，延長作用時間，使能量更充分地釋放。同時，通過增加裝藥量，可以增加爆破產生的破碎力和擠壓力，從而改善掏槽效果。

（2）炮孔布置。該工程采用五對掏槽眼，分兩級掏槽，即小掏槽眼配合大掏槽眼。小掏槽的作用是用來促使爆炸波向內擴展和破碎，同時為大掏槽提供更好的通道。大掏槽則承擔著更主要的破碎和排出作用，以實現更高效的爆破效果。具體炮孔布置如圖1所示，各炮孔的爆破參數設置如表2所示。

根據以上爆破參數設定進行現場相關試驗，爆破震速能夠控制在2 cm/s左右，且每循環進尺為3.2 m。

（3）裝藥結構。周邊眼采用軸向空氣間隔裝藥，其余炮眼采用連續裝藥方式。

4.2 爆破施工

（1）施工工藝流程。光面爆破施工工藝流程如圖2所示。

圖2 光面爆破施工流程圖

（2）鉆孔。在進行鉆孔作業時，首先應確保鉆孔的角度和方向符合設計要求。垂直或斜向的鉆孔應按照指定的角度和方向進行，以保證鉆孔的準確性和一致性。開挖周邊孔時，應沿隧道斷面進行開挖，并根據周邊孔間距的要求進行均勻布置。通過合理控制內圈炮眼及周邊孔之間的距離，防止出現欠挖或凈空的情況。確保周邊孔外插角的準確性，外斜率應≤孔深的3%～5%。應將炮眼底控制在隧道斷面開挖輪廓線的15 cm范圍以內，確保炮眼底處于同一平面上。仔細觀察開挖面的平整性，根據具體情況對炮眼深度進行適當調整，以確保炮眼底的一致性。在進行掏槽眼作業時，使用楔形掏槽的方式，并嚴格控制鉆孔的精度，誤差應≤3 cm。完成鉆孔工作后應立即進行驗收，驗收合格后方可裝藥爆破。

（3）清孔裝藥。裝藥前應清除炮眼內的雜物和污物，以確保裝藥時的清潔度。使用合格的爆破材料是保證爆破作業安全和效果的重要措施，該工程采用低密度、高爆力的2號小藥卷巖石硝銨炸藥。周邊孔裝藥時，將30 cm長的藥卷平均分成4段，即每段長度為7.5 cm。將導爆索綁扎在第1段炸藥上，確保綁扎牢固。先將第1段炸藥送到孔底，確保安放在孔底位置，之后每隔50 cm裝1段炸藥，根據每次爆破震速調整最大段裝藥量。周邊孔采用導爆索T形連接，該連接方式可以確保導爆索在周邊孔中傳遞爆破波時的一致性和同步性，從而實現周邊孔的協調起爆。在裝藥完畢后，確保炮眼的堵塞長度≥0.4 m。

（4）聯線起爆。使用普通8號雷管作為起爆元件來激發導爆管，并通過卡口塞將激發元件（雷管）、傳爆元件（導爆管）和起爆元件進行連接，單發雷管起爆的導爆管數應≤20根。由于導爆管的炸藥能量傳導是通過與雷管的接觸面進行傳遞，因此需要確保導爆管均勻分布在雷管周圍。在綁扎導爆管時，應確保綁扎緊密，導爆管與雷管之間接觸牢固。為確保炸藥能量在導爆管的傳爆方向上傳遞，雷管的聚能穴（主孔）的方向應與導爆管傳爆方向相反，從而提升爆破效果。起爆順序為掏槽孔—輔助掏槽孔—掘進孔—底板孔—周邊孔。

（5）盲炮處理。完成爆破作業1 h后，應由經過專業培訓和具備相關技術知識的人員，使用安全工具檢查可能存在的盲炮（沒有引爆的炸藥）。仔細檢查每個裝藥點，確保沒有漏引爆和未引爆的炸藥。如發現盲炮，立即通知相關技術人員采取適當的處理措施。若在處理盲炮時發生二次引爆并成功，應立即擴大警戒范圍。若二次引爆未能成功，應使用高壓風清除爆破產生的碎片和炮渣，并確保爆破區域的安全。同時，將炸藥和起爆雷管放置在盲炮警戒區，以便進一步處理或安全存放。

5 結語

該文依托浙江省湖州市天荒坪第二抽水蓄能電站工程S13等級公路復建工程的1號、2號、3號隧道工程，展開了光面爆破技術在隧道施工中的應用研究，得到如下主要研究結論：

（1）該文結合隧道工程具體情況，展開了光面爆破參數設計分析，最終確定了掏槽孔和擴槽孔深度為3.7 m，其余炮孔深度為3.5 m，周邊孔孔距為55 cm，周邊眼抵抗線為65 cm，周邊眼線裝藥密度為0.268 kg/m。

（2）采用光面爆破技術方案，取得了良好的工程應用效果，不平整度均在8 cm以內，炮孔利用率超過96%，平均線性超挖量為9.3 cm，半孔率為86.2%。

（3）光面爆破技術通過設計合理的炮孔布置和藥量配置，能夠有效地控制隧道開挖的超欠挖量，減小對圍巖的沖擊和振動，降低施工過程對周圍環境和結構的擾動，具有節約施工成本、提升施工安全性等優勢，在未來的隧道工程中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]楊瑞， 羅韓軍， 陳雁斌， 等. 隧道光面爆破參數優化及應用研究[J]. 施工技術（中英文）， 2023（22）： 97-102.

[2]方程. 破碎圍巖切縫聚能水壓光面爆破技術應用研究[D]. 昆明：昆明理工大學， 2023.