隧道光面爆破技术的改进与应用
关键词：隧道;光面爆破;围岩
1.工程概况
某隧道工程续穿越含砂粘性土、强风化花岗岩、中亚带、强风化煌斑岩，其余段为中～微风化隧道围岩。地貌形态为剥蚀斜坡，场地地形稍有起伏，对II、III 级围岩采用上、下断面光面爆破技术进行施工，为了降低施工成本、控制周边轮廓、减小对邻近围岩稳定性的影响，在施工过程中需要不断地探索合适的爆破参数与工艺。
2.光面爆破技术的优化
在隧道掘进过程中，针对大断面隧道安全高效钻爆施工技术进行了专门的试验与研究，取得了很好的效果。
2.1. 爆破参数
2.1.1. 周边孔间距E
周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采用以下经验公式确定E = (12～15)d 式中，d为炮孔直径，经统计，现场平均炮孔直径为42 mm。合理的周边眼间距需要结合围岩类型、岩石条件等因素进行选择，对于节理发育、层理明显的地段，周边眼间距可适当减小。隧道掘进过程中，遇到的主要是II、III级围岩。在经验公式计算值的基础上，结合工程实践中的爆破效果比较，对II 级围岩，取E = 350 mm;对III 级围岩，取E = 350 mm。
2.1.2 炮孔密集系数m
炮孔密集系数m 是衡量光面爆破效果的一项重要指标，取决于周边孔间距E 与最小抵抗线W。根据实践经验，在隧道施工中一般取m =0.6 ～1.2为宜。本工程经过多次试验与效果对比，确定炮孔密集系数m=0.9。
2.1.3. 最小抵抗线W
隧道开挖过程中，最小抵抗线一般取决于光爆层的厚度，它直接影响光面爆破效果和爆破块度。最小抵抗线W 可以通过炮孔密集系数与周边孔间距来确定，即W = E /m。结合现场优化试验，对II 级围岩，取400 mm; 对III 级围岩，取400 mm。
2.1.4. 装药集中度q
本工程中II 级围岩的岩石平均抗压强度为183 MPa，III 级围岩的岩石平均抗压强度为148 MPa。经计算，II 级围岩光爆孔的装药集中度q=169g /m，取170g/m，III 级围岩光爆孔的装药集中度q= 127.7g/m，取130g/m。利用光爆孔装药集中度的上述取值进行现场试验，由试验结果发现计算值对应的装药量偏低，效果不佳。根据爆破效果，不断优化和调整装药量，最后得到了本工程光爆孔装药集中度的最佳取值为II级围岩，q =400g/m，III 级围岩，q=300g/m。
2.2. 炮孔布置
在隧道施工过程中，在对地质条件、开挖断面、开挖进尺、爆破器材、振速要求等因素综合考虑的基础上，首先预选爆破参数，然后通过多次不同开挖进尺的试爆，再不断调整和优化爆破参数。针对不同围岩情况，通过多次现场试验和参数调整，确定出了合理的炮孔布置方式。周边眼、辅助眼按环形布孔，掏槽眼按线性布孔。为了能给辅助眼提供充分的自由面，本工程采用复式楔形掏槽，炮孔布置方式见图1。
图1 上断面开挖光面爆破设计示意图
2.3.装药结构
通过现场试验，周边孔利用PVC 管，实现连续不耦合装药。将Φ15 mm 的PVC 管劈开，管的长度与炮孔的长度相对应。炸药选用Φ25 mm的小直径药卷，单个药卷重量为300 g。将其一分为四后，按1/4小直径药卷连续装入PVC半管内，在底部将非电雷管塞入炸药内，实现不用竹片、不用导爆索的周边孔装药结构(如图2所示)。与传统的“竹片+导爆索”间隔装药结构(如图3所示)相比，效果更好，成本更低。
2.4.起爆网路
选用非电毫秒塑料导爆管起爆系统，为减小爆破震动，相邻段别之间需要保证足够的、合适的毫秒延期时间。根据爆破器材，结合现场试验情况，将相邻段别之间的间隔时间定为50ms。因此，选用1～15段的非电毫秒雷管，跳段使用，可以将工作面炮孔分成七个区域按先后顺序微差起爆。将工作面上各炮孔的导爆管分片集中成束，装入联接块。各联接块外接的导爆管再集中成束装入上一级联接块。依此类推，逐级簇联，最后采用起爆器引爆。
图2 连续装药
图3 传统间隔装药
3.爆破效果与经济分析
3.1. 光爆效果
在隧道Ⅱ级围岩地段，经过多次试验，光面爆破效果基本达到了预期要求。爆破后形成了光洁平整的轮廓面，半孔残眼率远远超过了规范规定，达到90%。炮眼利用率达到95%。欠挖很少，补炮工作量不大，超挖基本控制在10cm之内; 爆堆比较集中，岩渣粒度控制在30 cm以内，没有二次解炮的现象，便于铲装。爆破振动监测结果表明，质点( 距爆源30m处) 最大爆破振动速度为3.743cm/s，远小于规定的震动速，不会引起建筑物破坏。总之，隧道的光面爆破效果比较理想，很好地实现了“长进尺、弱扰动、少欠挖、小超挖”的安全高效施工要求。试验过程中光面爆破效果见图4 (a) ，相比之下，传统的间隔装药结构的爆破方法对于超欠挖等不易控制，如图4(b) 。
图4 光面爆破效果
3.2. 经济效果
试验现场采用了PVC 半管连续不耦合装药结构，与传统的“竹片+导爆索”间隔装药结构相比，爆破效果更好，施工操作更加方便，经济成本更低。表1 给出了两种装药结构的经济对比情况，按一个2m长的周边孔来计算成本。显然，现场试验中采用的PVC半管装药方式，经济效果更加显著。
表1 经济比较计算表
序列号材料名称PVC 半管装药竹片、导爆索装药
数量/m 单价/元金额/元数量/m 单价/元金额/元
1PVC 半管21.53///
2导爆索///23.57
3竹片///20.51
4炸药248248
5雷管24.89.624.89.6
合计 18.68 25.6
结论采用PVC 半管一个周边孔节约5元材料投入
4.应用体会
通过隧道光面爆破技术的试验与应用，再次证明了光面爆破技术是一项较为复杂的系统工程，需要结合实际施工，不断优化参数设计。在施工过程中严格管理，加强对爆破作业各工序的监督与指导。施工过程中要做到工作到位，责任到人，奖罚制度明确。这样以来，可以充分调动施工人员的劳动积极性，提高技术水平，加快施工进度，改善爆破效果，降低爆破成本。从具体的技术角度来讲，在光面爆破施工过程中，需要注意以下几个方面的质量保证:
(1)钻孔质量
钻孔质量是保证光面爆破效果的关键，周边孔的外插角掌握不当就会造成超、欠挖，影响周边轮廓的平整度。因此，在安排钻工时，尽量选派技术水平高、经验丰富且责任心强的工人来作业，实行定人、定位、定机、定质、定量的岗位责任制。
(2)堵塞质量
爆破作业中，不可忽视堵塞炮泥的作用，尤其是对不耦合系数较大的光面爆破。对于低爆速和低猛度的炸药来说，爆轰气体的作用尤为重要，而堵塞炮泥可以延长其作用时间，形成光滑、平整的轮廓面。
(3)严格检查
爆破前，对光爆孔的间距、孔深、外插角按要求进行检查、验收，并详细记录炮孔数目、装药量和围岩变化情况。爆破后检查作业面的平整度、半孔率和超欠挖等，以便根据光爆效果调整和优化爆破参数。
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