摘要：大寨隧道地质条件复杂，断层破碎带多，围岩变化频繁，本文以实际应用为基础，介绍了隧道断层破碎带的光面爆破技术和应用效果，有效的超前支护、合理的爆破参数、装药结构和起爆顺序等保证了施工安全，同时隧道的爆破成型得到了很好的效果。
关键词：隧道;光面爆破;围岩;应用。
Abstract: The the Dazhai tunnel geological conditions, complex fault fracture zone more than the frequent changes in surrounding rock, to the practical application, based on Tunnel in Fault smooth blasting techniques and the application effect of the advance support blastingparameters, charge structure and the initiation order to ensure construction safety, while tunnel blasting forming the very good results.
Keywords: tunnel; smooth blasting; surrounding rock; application.
中图分类号：U45献标识码 A 文章编号：
0 引言
目前在隧道施工现场，大部分隧道施工过程中，炮眼布置较少，单眼装药量过大，爆破参数分析调整不及时，在隧道施工中要求弱爆破的，实际是爆破不弱。导致隧道成型差、超欠挖严重，Ⅳ级围岩情况下经常出现不同程度的塌方，严重影响隧道施工进度和施工安全，也影响后续工序的施工质量。因此，隧道开挖作为隧道施工的关键工序，隧道爆破不仅影响隧道施工成本也影响隧道以后运营的安全性，给施工单位造成一种长期的成本和信誉风险。为此，根据大寨隧道爆破施工的情况，进行分析总结，为隧道爆破技术改进提供一些实际性的案例。
1 工程概况
新建贵阳至广州铁路位于贵州黔南州三都县境内，大寨隧道全长8969m，隧道设辅助导坑斜井2座。隧道正洞断面为三心圆，净空为13.32m×8.68m。
大寨隧道穿越地层较差，正洞洞身Ⅲ级围岩占52.24%，Ⅳ级围岩占34.12%，Ⅴ级围岩占13.65%。整个隧道共通过14条断层，断层破碎带长度达670m。根据中铁西南科学研究院超前预报资料，大寨隧道一号斜井内正洞掌子面DK151+015～DK151+115范围内处于断层破碎带内，主要以炭质板岩夹页岩为主，局部可见少量泥质灰岩，夹方解石脉，多处存在明显反射界面，围岩自稳能力总体较差，围岩级别为Ⅳ级偏弱。
根据施工条件和设计要求，该隧道采用矿山法进行开挖，其中Ⅳ级围岩采用上下台阶法开挖技术。为了有效的控制开挖轮廓线，减少超欠挖，减少对围岩破碎带的扰动，Ⅳ级围岩开挖爆破采用光面弱爆破设计。本文针对Ⅳ级围岩开挖中的光面爆破设计、实施、改进进行分析，为类似工程的施工提供借鉴。
2 设备资源配置
本隧道Ⅳ级围岩段上台阶面积75.66m2,采用自制式台架开挖,配置15台YT-28气腿式凿岩钻机，3台排气量为22m3/min的空压机，取供风的损耗系数为1.3，计算可得供风量满足开挖要求。
3 光面爆破参数确定
3.1 不耦合系数
不耦合系数K是炮孔直径d和药卷直径do之比。本隧道钻孔中采用钻径为42mm钻机，孔径约45mm。所有炮眼均采用规格为φ32mm×200mm的2#岩石乳化炸药。即有：K=d/do=45/32=1.4，介于1.25和2之间，符合进行光面爆破时获得良好效果的必要条件。
3.2 周边眼间距
周边眼间距适当缩小，可以控制爆破轮廓，减少超欠挖，又不致过大地增加钻眼工作量。孔间距的大小与岩石性质、炸药种类、炮眼直径有关，按经验值，一般为E=(8～18)d=40～70cm，E为孔距，d为炮眼直径。取E=50cm。
3.3 最小抵抗线
为了保证孔间贯通裂缝优先形成，须使周边眼的最小抵抗线大于炮眼间距，通常取E/W=0.8为宜，即W=50/0.8≈63cm。
3.4 线性装药密度
为了控制裂隙的发育以保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮孔联心线破裂的前提下，应尽可能少装药，针对大寨隧道Ⅳ级围岩破碎带，对其进行了两周时间调查调整，最适宜平均线性装药量为0.41kg/m，周边眼装药集中度为0.17kg/m。
3.5 单位炸药消耗量
单位炸药耗药量的大小对爆破效果、凿岩和出碴工程量、炮眼利用率、隧道轮廓的平整度和围岩的稳定性都有较大的影响。其值偏低时，则可能使隧道断面达不打设计要求，岩石破碎不均匀，甚至崩落不下来;其值偏高时，不仅会增加炸药的用量，而且可能造成隧道超挖、降低围岩的稳定性，甚至还会损坏支架和设备。本设计中单位炸药消耗量为0.64kg/m3。
3.6 装药结构
装药结构是指继爆药药卷和起爆药药卷在炮眼中的布置形式。考虑到围岩的强度和完整性，以及药卷的大小，本设计中周边眼采用间隔装药形式，如图1所示：
3.7 其它经济指标
炮眼深度3.6m、预计进尺3.5m、炮眼利用率97%、炮痕率80%、钻眼量1.63个/m2。
4 光面爆破设计
4.1 掏槽眼的布置
掏槽眼的作用是将开挖面上某一部位的岩石掏出一个槽，以形成新的临空面，为其余炮眼的爆破创造有利条件。掏槽炮眼一般要比其他的眼深10～20cm，以保证爆破后开挖深度一致。掏槽本身只有一个临空面，且受周围岩石的夹制作用，故常采用较大炸药单耗量和较大的装药系数值，以增大破粉碎区，并利用爆炸冲击波及爆炸产物做功，将岩石抛出槽口。为了保证掏槽炮能有效地将石渣抛出槽口，采用孔底反向连续装药和双雷管起爆。
4.2 辅助眼的布置
辅助眼的作用是进一步扩大掏槽体积和增大爆破量，并为周边眼创造有利的爆破条件。其布置主要是解决炮眼间距E和最小抵抗距W问题，一般取E/W=60%～80%为宜。辅助眼应由内向外，逐层布置，逐层起爆，逐步接近开挖断面轮廓形状。
4.3 周边眼的布置
周边眼的作用是爆破后使隧道断面达到设计的形状和规格。周边眼原则上沿着设计轮廓均匀布置，间距和最小抵抗线应比辅助眼小，以便爆出较为平顺的轮廓。周边眼眼口一般沿设计轮廓线布置。眼底应根据岩石的抗爆破性来确定其位置，应将炮眼方向以3%～5%的斜率外插。这一方面是为了控制超欠挖，另一方面是为了便于下次钻眼时容易落钻开眼。此外，为了保证开挖面平整，辅助眼及周边眼的深度应使其眼底落在同一垂直面上，必要时应根据实际情况调整炮眼深度。
4.4 底板眼的布置
为了爆破后隧道底面达到一定的平整度，以便出渣车平稳运行，开挖台车就位，保证后续工作的开展。因此，在开挖仰拱时，底板眼间距、装药量和装药结构是否合理，才能有效控制超欠挖和平整度。
4.5 光面爆破设计图
按照围岩情况，综合以上分析和隧道断面、开挖台架等实际情况，对该隧道进行爆破优化设计，其炮眼的布置和掏槽眼的布置如图2和图3所示：
4.6 光爆参数表
表1 大寨隧道Ⅳ级围岩爆破装药参数表
|
编号 |
炮眼
名称 |
炮眼直径(mm) |
炮眼深度(m) |
炮眼长度(m) |
炮眼间距(cm) |
炮眼抵抗线(cm) |
单眼装药量(kg) |
炮眼数量(个) |
雷管段号 |
总炸药量(kg) |
各种炮眼总长度(m) |
|
1 |
周边眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
50 |
63 |
0.6 |
43 |
13 |
25.80 |
154.80 |
|
2 |
内圈眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
79 |
80 |
1.2 |
24 |
9、11 |
27.65 |
86.40 |
|
3 |
掘进槽侧 |
45 |
3.7 |
3.96 |
90 |
90 |
1.8 |
4 |
5 |
7.21 |
15.84 |
|
4 |
掘进槽下 |
45 |
3.7 |
3.75 |
100 |
100 |
1.8 |
7 |
7 |
12.61 |
26.25 |
|
5 |
掏槽眼外 |
45 |
3.7 |
4.17 |
90 |
95 |
2.5 |
8 |
3 |
19.68 |
33.36 |
|
6 |
掏槽眼内 |
45 |
3.7 |
4.52 |
50 |
60 |
2.8 |
12 |
1 |
33.63 |
54.24 |
|
7 |
辅助眼 |
45 |
3.7 |
3.77 |
100 |
100 |
1.7 |
6 |
5、9 |
10.18 |
22.62 |
|
8 |
二台眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
95 |
90 |
1.4 |
4 |
5、9 |
5.76 |
14.40 |
|
9 |
底板眼 |
45 |
3.6 |
3.6 |
99 |
60 |
1.8 |
15 |
15 |
27.00 |
54.00 |
|
合计 |
|
|
|
|
|
|
123 |
|
169.52 |
461.91 |
注：表中数值为大寨隧道Ⅳ级围岩上半断面设计参数，设计断面为75.66m2，进尺为3.5m。
5 变形量控制
预留变形量的大小主要取决于围岩本身的工程性质，但受工程条件如隧道断面大、开挖方法、掘进方式、支护方法等因素的影响。变形量的大小可以根据实际量测数据分析确定，并进行调整。Ⅳ级围岩预留变形量可取5～10cm。
测量放线时，应根据断面量测数据、围岩级别、围岩破碎程度等实际情况及时调整开挖轮廓线半径，以便有效地控制规整度和超欠挖。
6 光面爆破取得的成效
大寨隧道光面爆破设计经过两周时间的实践和改进，取得了显著的效果，各种评比指标明显得到改善。具体见表2：
表2 爆破设计实施前后技术指标对照表
|
序号 |
技术指标 |
实施前 |
实施后 |
|
1 |
炮痕率（%） |
60% |
84% |
|
2 |
炮眼利用率（%） |
87% |
97% |
|
3 |
平均线性超挖量（cm） |
11.4 |
4.5 |
|
4 |
最大线性超挖量（cm） |
26.8 |
11.6 |
|
5 |
两茬炮衔接台阶最大尺寸（cm） |
25 |
8 |
注：表中数值为爆破设计实施前后两周内调查数值的平均值。
7 施工总结
7.1 超前支护
在实施过程中，在开挖前提前进行了掌子面围岩情况观察分析，对围岩破碎或节理发育位置先进行超前支护和预加固处理。并对该部位炮眼位置和数量进行调整，装药量进行优化，成型效果明显。超前支护有效的提高了隧道围岩的稳定性，一定程度上防止了隧道破碎带的小塌方和掉块，为光面爆破提供了的稳定安全环境。
7.2 优化开挖台架
开挖台架的设计对掌子面布眼起着决定性的作用，合理的开挖台架不仅满足开挖布眼要求，同时要有足够的操作空间(尤其在拱腰处)，在一定程度上缩短作业时间，提高生产效率。在允许条件下尽量缩短左右两排掏槽眼间距，以减少掏槽眼装药量、缩短抛渣距离。
7.3 适当加密周边眼间距，合理确定光面爆破层厚度
隧道施工过程中，同一个断面围岩性质和完整性相同，几乎出现的可能性较小。因此，在隧道打眼前必须认真观察掌子面情况，对爆破后可能出现成型差、超挖的部位，应适当加密周边眼间距，可以有效控制爆破成型和超欠挖，其光爆效果在断层破碎带尤为显著;合理的光爆层厚度既要能保证内圈眼爆破后为周边眼提供临空面，同时也要在一定程度上减少因光爆层厚度过小而对周边围岩围岩的扰动性。另外，适当增加孔底的药量，以便克服眼底岩石的夹制作用和上覆石渣的压制，起到翻渣作用，提高了炮眼利用率。
7.4 合理用药及合理的装药结构
用于光面爆破的炸药，既要求有较高的破岩应力能，又要消除或减轻爆破对围岩的扰动。周边眼间隔装药既能避免因装药集中而产生的局部超欠挖，同时也减小了周边眼装药集中度，在一定程度上减少了炸药用量。
7.5 光爆孔起爆时差的控制
有关资料表明，在软岩中爆破，振动频率比较低，一般在100Hz以下，振动持续时间纵向比横向大时，可达到200ms左右，垂直向可达到100ms左右。为避免振动强度的叠加作用，雷管必须跳段使用。另外，由于周边眼的个数多，同时起爆振动强烈，对周边围岩的扰动大，所以建议周边眼采用13段和15段两个段别分区域起爆。
参考文献：
[1] 李德武.隧道.北京:中国铁道出版社,2004
[2] 关宝树.隧道工程施工要点集.北京:人民交通出版社,2003
[3] 刘正雄，张儒林等.隧道爆破现代技术.北京:中国铁道出版社,1995
[4] 铁道部第二工程局.隧道.北京:中国铁道出版社,1998
[5] 余超，梁波，欧阳天烽.特大断面隧道爆破开挖对既有隧道振动影响分析.隧道建设,2010,30(2),151-156
[6] 杨经伟.纱帽山隧道Ⅲ级开挖中的光面爆破设计.成都:四川建筑,2008,28(1),193-197
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浅析大寨隧道Ⅳ级围岩控制爆破技术
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