隧道光面爆破施工技術要點分析

張寶林

摘? 要：光面爆破技術作為一種有效的爆破控制技術，對施工質量、超欠挖及成本控制至關重要，但是在山嶺隧道中經常遇到地下水、巖爆等地質情況，給光面爆破施工帶來不便。該文針對該種情況以溫泉隧道為背景，從爆破原理、光面爆破參數設計、光爆后效果等幾個方面進行探討，得出合理的施工設計參數，在此基礎上提出合理的施工控制技術，為后續隧道鉆爆設計提供參考及優化輔助和依據。

關鍵詞：光面爆破；山嶺隧道；爆破設計；爆破效果；控制技術

中圖分類號：U455.6? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0189-04

Abstract： As an effective blasting control technology， smooth blasting technology is very important for construction quality， over-underexcavation and cost control， but geological conditions such as groundwater and rockburst are often encountered in mountain tunnels， which brings inconvenience to smooth blasting construction. In view of this situation， this paper takes the hot spring tunnel as the background， discusses the blasting principle， the parameter design of smooth blasting and the effect after smooth blasting， and obtains the reasonable construction design parameters. Finally， this paper puts forward the reasonable construction control technology on this basis， so as to provide reference and optimization assistance and basis for follow-up tunnel drilling and blasting design.

Keywords： smooth blasting; mountain tunnel; blasting design; blasting effect; control technology

在隧道掘進爆破施工過程中，常常發生爆破后得到的隧道輪廓凹凸不平，甚至嚴重的超欠挖現象，對后續施工及工程進度造成很大影響。這種現象長久以來一直困擾著相關研究人員及現場施工人員，往往影響隧道施工的整體進度，加大工作量，容易延緩完工，還給后續施工（出渣、打孔等）造成了極大的影響，因此研究人員對這個問題進行了大量研究。羅志光等[1]以江羅高速公路為背景工程進行研究，通過現場試驗對周邊眼的裝藥方式進行了深入探討，提出了一種將水、空氣、乳化炸藥3種材料進行合理裝填的爆破技術，對隧道光面爆破施工具有一定的使用價值。周亦玲等[2]針對Ⅴ級圍巖采用聚能水壓光面爆破技術，能更有效地控制超欠挖，降低成本、加快施工進度。楊大喜[3]針對光面爆破技術所包含的一系列概念、優勢特點等內容進行簡單闡述，從而為隧道爆破后的穩定性及安全施工提供了有利支持。范小桃[4]、李唐軍等[5]、陳文強[6]從結合現有與光面爆破有關的設計、施工方法和技術，為其提供進一步的優化與補充，保證光面爆破技術在隧道掘進施工中的有效、合理應用。呂棟梁[7]探討了光面爆破法的原理、爆生氣體準靜壓力工作操作優點，并從光面爆破參數設計和光面爆破施工控制方面提出了相關注意事項，提高了工程質量，為類似工程施工提供了參考標準。

上述研究主要集中于周邊孔的裝藥方式、爆破參數及設計，本文在相關研究的基礎上，以延崇高速公路溫泉隧道為工程背景，采用導爆索將周邊炮孔中的炸藥串聯起來，即采用導爆索起爆周邊孔的技術，對隧道光面爆破技術做進一步的探討。

1? 光面爆破技術原理

光面爆破是一種針對超欠挖現象的控制爆破技術。這種技術嚴格控制巖體開挖邊界與設計要求相吻合，對圍巖產生較小的破壞，同時保持隧道輪廓光滑。具體操作方法就是沿著隧道開挖設計輪廓線布置更加密集的周邊孔，同時減小裝藥直徑或將連續裝藥改為間隔裝藥，增大炸藥與孔壁之間的空氣間隔，減少爆破孔裝藥量，降低爆炸沖擊波在孔壁圍巖上的峰值壓力，其作用機理如圖1所示[8]。

圖1? 相鄰炮孔同時起爆時應力波作用示意圖

A、B為孔間距l的臨近炮孔，當炮孔內部裝填的炸藥在同一時刻起爆后，爆炸應力波以炸藥為中心呈球面波的形式向炮孔四周傳播，其中在相對方向上的應力產生疊加彼此之間抵消，在其他方向上形成垂直于炮孔連線的合應力σh，而在相反的方向上沿炮孔連線生成強大的拉應力，眾所周知巖石作為抗壓不抗拉的堅硬介質，在起爆后沿炮孔布置輪廓線形成裂隙，從而形成光滑且平整的破裂面，輪廓線以外的巖體受到的破壞作用較小，進而維持圍巖原有的穩定。此外，在地質條件已經確定的條件下，合理的爆破參數是影響光面爆破效果的重要因素[9]。

光面爆破技術是一種專門用于應對超欠挖現象的控制爆破技術。它的核心目標是確保巖體的開挖邊界與設計要求完全吻合，同時最大程度地減小對圍巖的破壞，以保持隧道輪廓的光滑和規整。這種技術的具體操作方法非常精密，它包括以下幾個關鍵步驟：①密集的周邊孔布置。在隧道的設計輪廓線上，需要布置更加密集的周邊孔。這些孔位于隧道的邊緣，其目的是將爆炸沖擊波引導到預定的方向，以確保巖體的開挖邊界準確。②減小裝藥直徑。為了降低爆炸沖擊波在巖體內的峰值壓力，可以采用減小炮孔中的裝藥直徑的方法。這有助于減輕巖體受到的沖擊力，從而減小圍巖的破壞程度。③間隔裝藥。另一種常用的方法是將連續裝藥改為間隔裝藥，也就是在炮孔中不是連續填充炸藥，而是留出一些空隙。這些空隙可以減小爆炸沖擊波對圍巖的影響，降低壓力峰值。④增大炸藥與孔壁之間的空氣間隔。通過增加炸藥與孔壁之間的空氣間隔，可以減小沖擊波的傳播速度，降低沖擊力，從而減少對圍巖的損害。

這些操作方法的綜合應用有助于實現光面爆破技術的目標，即在開挖過程中最小化對圍巖的破壞，同時確保隧道輪廓的精確性和光滑度。這種技術的作用機理是通過精細的控制爆炸過程，使爆炸沖擊波按照設計要求傳播，從而達到保護圍巖的效果。

2? 光面爆破施工設計

2.1? 工程概況

本工程位于北京市延慶區西部的張山營鎮境內，海拔2 241 m，擬建隧道所在區域地形相對復雜，主要為山地。隧道段地層主要為燕山期蘭角溝中粒似斑狀二長花崗巖，僅在入口處可見西大莊科細粒角閃花崗巖，且細粒角閃花崗巖和蘭角溝中粒似斑狀二長花崗巖侵入接觸。該段植被覆蓋率約為85%，海拔高程在812～1 168 m之間，進洞口處最低，向西逐步升高，線路基本沿蘭角溝南側山坡延伸。本工程施工范圍內遇到的不良地質現象有：地下水、巖爆及洞口偏壓等。地下水可能會對隧道施工和圍巖穩定性產生影響，需要采取合適的排水和防水措施。巖爆是在巖石破裂時產生的劇烈爆炸，需要采取爆破控制和支護措施以確保工程安全。洞口偏壓可能會導致隧道結構的不穩定，因此需要采取措施來平衡洞口的地壓力。

在面對這些地質挑戰時，工程團隊需要密切監測地質條件，靈活調整施工計劃，并采取適當的工程措施來確保隧道工程的順利進行。這包括合理的爆破設計、巖石支護和水文地質工程等方面的工作，以保障工程的成功完成。

2.2? 爆破參數設計

延崇高速（北京段）第七合同段溫泉隧道施工段地質條件復雜，圍巖種類多，Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖均存在施工過程中。Ⅲ級圍巖區段采用全斷面一次爆破成型的施工方法，炮孔根據掏槽孔、輔助孔、周邊孔等分區布置和分區順序起爆。溫泉隧道所在巖體為Ⅲ級圍巖，炮孔具體布置數目根據現場試爆確定，采取楔形掏槽，輔助孔炮孔深度為3.3 m、周邊孔炮孔深度為3.3 m，掏槽孔炮孔長度為3.9 m，底孔炮孔深度為3.3 m，孔徑為42 mm。

2.2.1? 孔網參數選取

孔網參數的選擇根據設計規范中的要求進行計算確定，計算爆破相關參數如下[10]。

1）兩炮孔之間的間距：E=（8～18）d，式中d為隧道采用的炮孔直徑，計算可知E=0.34～0.76 m，在此次工程中炮孔間距選擇0.4 m。

2）光爆層是指周邊孔與最近一排輔助孔之間的距離，它對爆破開挖面的平整度有較大的影響，因此選擇合理的光爆層厚度，可以控制超欠挖，提高光爆效果。根據眾多工程實踐經驗可以了解到，光爆層厚度隨著圍巖性質的減弱而增大，隨著圍巖性質的增強而減小[11]。光爆層厚度W光=0.7 m。根據以上計算結果，結合工程施工具體情況，對炮孔參數進行選取，最終確定為周邊孔，設計孔平均間距為40 cm，光爆層厚度為70 cm，底孔平均孔間距為80 cm，輔助孔平均間距為80 cm，根據前述計算及光面炮孔布置，隧道全斷面炮孔布置設計數目為112個，周邊孔40個，底孔10個，輔助孔48個，掏槽孔14個，炮孔布置如圖2所示。

圖2? 實際炮孔布置圖

根據以往的工程經驗，在炮孔直徑、炮孔數量、隧道橫斷面積三者之間存在一定的關系，具體如圖3所示[12]，根據上述理論計算可以確定除了周邊孔之外，掏槽孔和輔助孔數量為72個，本隧洞橫斷面面積約為54 m2，炮孔直徑為42 mm，那么炮孔個數據經驗推算約為70個，理論計算值與經驗值相差不大，因此，此次炮孔設計可以用于施工過程。

圖3? 炮眼數量（不含周邊孔）與斷面積關系

2.2.2? 裝藥量計算

在光面爆破過程中，周邊孔的質量決定了光面爆破的效果，在保證爆破設計要求的前提下使得隧道圍巖受到的振動損傷盡可能小，因此，炸藥和裝藥結構的選擇需要特別關注，根據溫泉隧道圍巖特點，采用2#巖石乳化炸藥。隧道圍巖為III級，巖石較完整，在施工時采取不耦合裝藥結構。裝藥不耦合系數最小值為1，在藥卷直徑確定的情況下，不耦合系數隨著炮孔直徑增大而增大，夾在炸藥與孔壁之間的空氣墊層越厚，對爆炸應力波的緩沖作用就越明顯，可提高光爆效果。但是，不耦合系數太大則容易造成爆破效果達不到預期，因此在一般的地下工程采用光面爆破時，根據圍巖情況不耦合系數在1.3～2.0之間浮動，在此次爆破過程中，參考前期爆破參數，孔徑42 mm，藥卷直徑30 mm，不耦合系數為1.4能夠滿足設計要求。因此，經過計算各類炮孔裝藥量見表1。

2.2.3? 起爆順序

在周邊孔中采用間隔裝藥的結構形式，就是將周邊孔內的炸藥分成多段，每段之間不連續為空氣間隔，達到軸向不耦合的目的，各個分段的炸藥及周邊孔的每個炮孔之間利用導爆索按照具體施工要求進行連接，盡量減小人為因素導致盲炮。然后選擇合理的雷管延期間隔，能夠有效地生成自由面為后排炮孔的爆破提供幫助，從而能夠獲得較好的光爆效果，因此參考相關研究成果，雷管選用毫秒延期雷管段別分別選用1、3、5、7、11、13及15 ms段進行起爆，炮孔起爆順序如圖4所示。

3? 爆破效果分析

采用上述獲得的施工參數在溫泉隧道進行現場爆破試驗，并根據實際情況如裂隙、碎石等進行合理且必要的調整，爆破效果圖如圖5所示。

從控制成本的角度分析，減小了每個周邊孔的間距及減少了每個周邊孔的單孔裝藥量能提高光面爆破效果，但是不可避免地會導致炮孔數量增多，增加施工成本，因此需選擇適當的周邊孔孔距，在保證爆破效果的同時盡可能降低成本，此次施工依據公式計算結果，在適合的范圍內選取稍大的孔距，既能達到爆破效果又能節省成本，因此可以將孔距定為40～50 cm，爆破后平均超欠挖僅為12 cm，爆破后隧道輪廓較平整，整個爆破將超欠挖量控制在20 cm之內；炮孔殘留率在75%～85%，從圖5可以看出爆破后隧道輪廓較平整，超欠挖量控制在合理的范圍之內，炮眼利用率高，達到了光面爆破的要求。

4? 施工技術控制

光面爆破的爆破效果除了受爆破參數的影響外，還受到以下因素的影響：①炮孔施鉆。從某種角度來說，光爆效果能否達到設計所要求的精度，60%取決于炮孔質量，40%取決于炮孔的布置形式及裝藥方式等，因此打鉆工人需要較高的施工水準，在打周邊孔時要確保周邊孔的 “準、直、平、起”，即周邊孔準確地打在設計輪廓線上，炮孔與掌子面垂直、周邊孔之間保持相互平行、炮孔底部整齊排布在同一平面。②堵塞。為了達到最好的光爆效果，需要對炮孔進行填塞搗實，防止出現空洞或者阻隔等現象，同時也要避免對導爆管或導爆索造成破壞。

圖4? 爆破起爆順序

圖5? 爆破效果

5? 結論

在隧道施工中采用光面爆破技術除了上述的設計參數外，還存在眾多影響因素：①在允許的條件下，盡可能的精確設置和選擇孔徑、孔深、孔間距、炮孔內部藥量和裝藥結構等，這些都會對光面爆破效果產生巨大影響。②隧道的地質環境不同，施工參數也必然不同，不能一概而論，應該根據不同圍巖級別進行參數計算，同時參考類似工程進行調整，才能獲得較為理想的爆破效果。

溫泉隧道掘進爆破中，依據上述原則設計對周邊孔加密并且減少裝藥量，通過優化及改善爆破方法大大降低了因爆破而產生的對圍巖的擾動，光面爆破效果顯著達到了預期效果，同時有效地提高了施工質量，達到安全施工的目標，經濟效益明顯，形成了一套合理的孔網參數，并提出相應的施工控制技術，為后續相似地質條件下的施工提供參考。

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