大斷面隧道光面爆破設計與應用

余孟軍，張澤輝

(中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031)

0 引言

光面爆破技術利用巖石抗拉強度遠遠小于抗壓強度的特性，通過對爆破方向和作用范圍等的控制，將隧道內的光爆層炸除，在隧道設計開挖輪廓線周圍形成一個光滑平整的邊壁，讓隧道斷面既符合設計輪廓要求，又不會對周邊圍巖產生較大的擾動，保持隧道周邊圍巖的完整和自身承載力，有效控制隧道超欠挖，達到安全、快捷、高效、優質、經濟的施工目的。

1 工程概況

1.1 隧道簡介

窯上隧道為三車道大斷面隧道，隧道區分布地層主要為第四系人工堆積層、殘破積層、侏羅系上統珍珠沖組?，F場實際施工圍巖情況多為Ⅲ級，開挖方法選擇上下臺階法，開挖輪廓線凈寬為16.97 m，凈高為9.67 m。上臺階開挖面積85 m2，下臺階開挖面積51 m2，合計136 m2。

1.2 開挖循環進尺確定

根據《公路工程施工技術規范》(JTG F60-2009)要求Ⅲ級圍巖每循環開挖進尺不得超過2.5 m，現場施工每榀拱架間距為1.2 m，故現場決定每循環進尺采用2.4 m。炮眼利用率0.85，故每循環炮孔實際鉆孔深度為L=2.4÷0.85=2.8 m。

2 光面爆破設計與應用

2.1 光爆炮眼數量計算

光爆炮眼的數量主要與隧道開挖斷面大小、炮眼的尺寸、巖石的完整性和堅硬強度、炸藥的性能有關。炮眼數量應能裝入設計藥量，通?？筛鶕髋谘燮骄峙湔ㄋ幜康脑瓌t來計算炮眼數量。計算公式為：

N=qS/ar

式中：N——炮眼數量，不包括未裝藥的空眼數；

q——單位炸藥消耗量，上臺階取0.9 kg/m3，下臺階取0.8 kg/m3(根據實際調整)；

S——開挖斷面積(m2)，取S上臺階=85 m2，下臺階=51 m2，合計136 m2；

a——裝藥系數，即裝藥長度與炮眼長度的比值上臺階取0.55，下臺階取0.45(根據實際調整)；

r——每1 m藥卷的炸藥質量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質量，藥劵直徑32 mm，r取0.78(kg/m)(根據實際調整)。

上半斷面炮眼數量：N(上臺階)=qS/ar=0.9×85/0.55×0.78=178(個)，

下半斷面炮眼數量：N(下臺階)=qS/ar=0.8×51/0.45×0.78=116(個)。

2.2 炮眼布置(見圖1、圖2)

2.2.1 炮眼間距

(1)周邊眼：周邊炮孔是控制隧道開挖輪廓的關鍵炮孔，根據巖質和圍巖類別，周邊炮孔孔距E取(10～15)d(d為炮孔直徑為42 mm)，故炮孔間距取50 cm。抵抗線W是周邊眼至二圈眼的距離，根據光面爆破技術規范W=E/(0.7～1)，根據施工現場經驗當E/W=0.8時光爆效果較好，故設計時取W=1.25E。實際隧道為反坡施工，隧道縱坡為2.4%，故周邊眼打孔時不考慮外插角，采用水平打孔(如為順坡施工考慮3%～5%的外插斜率)位置為開挖輪廓線往內收縮5 cm的位置。

(2)二圈眼：二圈眼的間距E比周邊眼大些，一般為E′=(1.4～1.5)E，二圈眼抵抗線W′可按W′=(0.7～0.9)E′取值，周邊眼與二圈眼均按弧形布孔，二圈眼的角度應保持跟周邊眼一致。

(3)擴大眼：擴大眼炮孔一般采用均勻布置的方式，施工中運用線形布置和環形布置兩種方式相結合。擴大眼比二圈眼間距要大些，抵抗線為同排(或同一環形)炮孔間距的0.8～1倍。

(4)輔助眼：輔助眼是緊挨著掏槽眼的位置，它既是掏槽眼的輔助眼，又對掏槽槽口起擴大作用。輔助眼間距比周邊眼大些又比擴大眼小，設置方法同二圈眼類似。

(5)掏槽眼：掏槽眼應比其他眼深10～20 cm?，F場掏槽眼采用二級楔形掏槽，最外層掏槽炮眼與開挖面間的夾角a=75°，內層為66°，間距與抵抗距均采用70 cm布置，同一平面上兩炮眼眼底的距離b=30 cm。

圖1 復式掏槽眼立面圖(單位：mm)

(6)底板眼：底板炮孔由于存在隧道爆破積渣需要較大的爆破力，為保證爆破效果應當對底板炮孔適當加密，炮孔間距或抵抗線距離為擴大眼間距的0.8倍左右，設計參考間距為0.50～0.70 m。

(7)綜合上述各類炮眼之間關系，隧道上、下臺階法開挖，光面爆破炮眼布置如圖2所示：

圖2 復式掏槽眼平面布置圖(單位：cm)

2.2.2 炮眼深度

每循環進尺2.4 m，炮眼利用率0.85，故每循環炮孔實際鉆孔深度為L=2.4÷0.85=2.8 m。周邊眼深度L周邊=2.8 m，二圈眼深度L二圈=2.8 m，擴大眼深度L擴大=2.8 m，輔助眼深度L輔助=2.8 m，掏槽眼深度L掏1=3.07 m，L掏2=2.9 m，底眼深度L底=2.8 m。

2.3 裝藥量計算與分配

炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素。經過現場多個循環的光面爆破總結窯上隧道采用的是光爆體積計算法。先根據一個循環光面爆破開挖巖石體積計算出一個循環的總藥量，然后按各種類型炮眼的爆破特征性對每個孔的裝藥量進行分配，根據初步分配結果結合施工現場的圍巖變化不斷地對每個炮孔的裝藥量加以檢驗和修正，直到取得良好的爆破效果。

2.3.1 總藥量計算

按體積法計算總藥量的公式為：Q=q·V

式中：Q——一個爆破循環的總用藥量(kg/m3)；

q——每立方米巖石爆破所需炸藥量(kg/m3)，上臺階取0.9 kg/m3，下臺階取0.8 kg/m3(根據實際調整)；

V——一個循環進尺所爆落的巖石總體積(m3)，炮眼有效長度2.4 m，上臺階斷面開挖面積85 m2，下臺階斷面開挖面積51 m2。

每一循環總藥量：Q(上臺階)=q·V=0.9×2.4×85=184(kg)；

Q(下臺階)=q·V=0.8×2.4×51=98(kg)。

2.3.2 裝藥量分配

總的炸藥量根據現場情況分配到每個炮孔中，采用裝藥的系數a進行分配。

上臺階：

掏槽眼L掏1、L掏2，取0.6；

周邊眼L周邊、二圈眼L二圈，取0.45；

輔助眼L輔助、擴大眼L擴大、底眼L底，取0.5；

下臺階：

周邊眼L周邊、擴大眼L擴大、底眼L底，取0.4；

現場施工每卷炸藥質量m為0.15 kg，各個炮眼的裝藥量(折合卷數n)分配如下：

上臺階：n=V/m=184 kg÷0.15 kg=1 227(卷)；

下臺階：n=V/m=98 kg÷0.15 kg=654(卷)；

單孔裝藥量v=r×L

r——每1 m藥卷的炸藥質量(kg/m)2#巖石銨梯炸藥的每米質量，藥卷直徑32 mm，r取0.78(kg/m)，L為孔深。

實際每個炮孔裝藥量如下：

上臺階：

掏槽眼L掏1裝藥量=0.78×3.07×0.6=1.44 kg，按每卷0.15 kg折合為9.58卷，取10卷；L掏1共4個炮眼：4×10=40卷；

掏槽眼L掏2裝藥量=0.78×2.9×0.6=1.36 kg，按每卷0.15 kg折合為9.05卷，取9卷；L掏2共4個炮眼：4×9=36卷；

輔助眼L輔3裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取8卷；L輔3共5個炮眼：5×7=35卷；

擴大眼L擴4裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取7卷；L擴4共78個炮眼：78×7=546卷；

二圈眼L二圈5裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L二圈5共31個炮眼：31×6=186卷；

周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.45=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L周6共48個炮眼：48×6=288卷；

底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.5=1.09 kg，按每卷0.15 kg折合為7.28卷，取8卷；L底7共12個炮眼：12×8=96卷；

上臺階分配合計卷數=40+36+35+546+188+288+96=1 229卷(與計算1 227卷相符)。

下臺階：

擴大眼L上、中、下裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L上、中、下共63個炮眼：63×6=378卷；

底眼L底7裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L底7共33個炮眼：33×6=198卷；

周邊眼L周6裝藥量=0.78×2.8×0.4=0.98 kg，按每卷0.15 kg折合為6.55卷，取6卷；L周6共14個炮眼：14×6=84卷；

下臺階分配合計卷數=378+165+84=660卷(與計算654卷相符)。

2.3.3 計算匯總

采用上下臺階法開挖，隧道光面爆破裝藥參數及綜合計算匯總如表1所示：

表1 隧道光面爆破裝藥參數及綜合計算匯總表(上、下臺階法，每循環2.4 m)

2.4 起爆順序

通過對窯上隧道前期的施工經驗總結并結合現場實際情況和理論參考，大斷面臺階法光面爆破最合理起爆順序為：掏槽眼→輔助眼→擴大眼→二圈眼→周邊眼→底板眼，試驗表明，各層炮之間的起爆時差越小爆破效果越好。常采用的時差為40～200 ms，稱為微差爆破。周邊眼宜一次起爆，若分次起爆周邊眼輪廓不大平整。

3 結語

在“強、好、優”戰略新格局發展的今天，傳統的爆破施工已不能滿足高速公路隧道施工的需要，光面爆破作為一種新工藝得到了廣泛的應用。它不但能降低對巖石的擾動，還能有效地控制超欠挖，在節約施工成本、加快工程進度等方面有著獨特的優勢，在高速公路隧道施工中有很好的推廣價值。