隧道施工光面爆破参数的确定

【摘 要】近年来，随着我国城市化建设的加快，铁路、公路、地铁隧道“数量多、长度大、大埋深、大断面”是21世纪我国以及世界隧道工程发展的总趋势[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已经成为我国推广应用新奥法中公认的三大技术措施之一。本文结合有关文献和工程实践，归纳出光面爆破参数的计算公式和一些经验参考值；目的在于提高确定光面爆破参数工作的精度和效率。

【关键词】隧道施工 光面爆破 参数的确定

1引言

近年来，随着我国城市化建设的加快，铁路、公路、地铁隧道“数量多、长度大、大埋深、大断面”是21世纪我国以及世界隧道工程发展的总趋势[1]。目前，隧道施工中多采用光面爆破法施工，此法已经成为我国推广应用新奥法中公认的三大技术措施之一。

如果光爆参数确定不当，爆破中将出现超欠挖情况，所以，精确、合理地确定光爆参数是控制隧道施工质量、进度、成本、安全的关键。

2光面爆破参数的选择

首先，光爆参数的取值均应以设计规定的施工及验收规范为指导。例如：公路隧道施工技术规范中所列的参数表，规范中只规定了参数的取值范围，具体数值可按以下国内外普遍采用的方法和步骤确定。

2.1 炮眼直径

因为标准小药卷直径为32mm；在光面爆破中，进行不耦合装药，最小药卷直径为20mm。所以，隧道开挖现场常用的炮眼直径为32～50 mm。

2.2 周边眼间距E

（1）由光面爆破参数表确定。周边眼间距等参数的确定应以设计规定的施工及验收规范为指导。例如：公路隧道施工技术规范。

（2）根据爆生气体膨胀作用理论确定。光面爆破的周边眼间距一般比普通爆破小，根据现场经验，建议：E=（12～20） db（其中db为炮孔直径），日本《新奥法设计施工细则》推荐E=15db。

一般认为炮孔间的裂缝是应力波和爆生气体共同作用的结果，但冲击波作用的能量只占炸药爆炸总能量5～10，而爆生气体生成物的作用能量超50。所以，岩石沿炮孔连线形成贯穿裂缝主要由爆生气体准静压力控制。根据此理论推导出公式：E=k1f1/3rb 式中f为岩石坚固性系数；k1为调整系数，k1=10～16；岩石坚硬取大值，岩石较软取小值。

2.3 最小抵抗线W

最小抵抗线即光面层厚度，W过大，光面层岩石将得不到适当的破碎，甚至不能使其沿炮眼底部切割下来；W过小，在反射波作用下，围岩内产生较多较长的裂隙，影响围岩稳定，造成超挖和巷道壁面不平整。

经验表明：最小抵抗线与隧道断面大小有关，大断面隧道拱顶跨度大，周边眼所受到的夹制作用小，岩体比较容易崩落，光爆层厚度可适当放大一些；小断面周边眼受到的夹制作用大，其厚度宜小一些。最小抵抗线与岩石的性质和地质构造也有关，坚硬岩石最小抵抗线可小些，松软破碎的岩石可大些；顶部应比边墙大些。

（1）根据炸药单耗确定。

根据下式计算W：

式中： rc为药卷半径；k为装药系数； d0为装药密度；q为单位炸药消耗量，kg/m3；

（2）根据豪柔公式确定。

光面层岩石崩落类似于露天台阶爆破，故可用豪柔公式确定最小抵抗线： 式中： QG为光面炮眼的装药量；E为炮眼间距；lb炮眼长度； Cq为爆破系数，相当于单位炸药消耗量，对于f= 4～10的岩层， Cq值变化范围为0.2 ～0.5kg/m3。

2.4 炮眼密集系数m

炮眼密集系数也称炮眼邻近系数，它表达了周边眼（光爆眼）间距E与光面层厚度（最小抵抗线）W之间的比值，即：m=E/W，这是光面爆破参数中的一个关键值。

确定炮眼密集系数的一般原则：软岩和层理节理发育的岩层上，眼距应小而抵抗线应大，在坚硬稳定的岩层上，眼距应大些，抵抗线应小些。隧道跨度较小时，眼距适当减小，反之适当加大。

炮眼密集系数过大，爆破后可能在光爆眼间留下岩埂，造成欠挖，达不到光面爆破效果，反之则可能出现超挖。实践表明m=0.8～1.0时较好。可使反射拉伸波从最小抵抗线方向折回之前造成贯穿裂缝，隔断反射拉伸波向围岩传播的可能，减少围岩破坏。

2.5 炮眼深度L

（1）按月进度计划估算炮眼深度。公式如下：

式中 L―炮眼平均深度，m。

Lj―月进度计划指标，m。

N―每月实际用于掘进的作业天数。

n―每月可能完成的掘进循环数。

?1―正循环率，一般取0.85～0.9。

?―炮眼利用率，一般取0.85～0.85。

（2）按开挖断面跨度确定。对于斜孔掏槽，由于岩石的夹制作用，一般最大炮孔深度取断面宽度（或高度）B的0.5～0.7倍。 L=（0.5～0.7）B

2.6 装药量Q1

2.7 装药系数k和不藕合系数B

装药系数k是装药总长度与炮孔长度的比。即：k=l0/lb。

不耦合系数B是炮眼直径与药包直径的比值。即：B=db/dc

不耦合系数的选择，既要能克服较大的岩石抵抗，眼壁周围岩石少受或不受破坏，还要能保证炸药的稳定传爆，在井巷施工时，主要采用轴向不偶合装药，即空气柱装药结构。轴向不偶合装药采用3种不同的装药结构：（a）偏心不藕合、（b）中心不藕合、（c）护壁不藕合。如图2。

图2 光面爆破不同装药结构

通过声波对比检测试验：对不同装药结构进行了在同等条件下的声波测试，测试爆前爆后声速的变化，作为评判岩石损伤程度的依据。测试结果表明：偏心不藕合装药光面爆破除了宏观上每个炮孔爆破后均有不同长度的裂纹外，声速降低率为11.68%，比护壁光面爆破声速降低10倍左右，比普通光面爆破降低3～4倍，没有起到光面爆破的实质作用[2]，光面爆破中不宜采用，而宜采用后两种。通过理论和试验研究表明：就装药结构而言，轴向间隔径向不藕合装药，适用于周边孔。护壁光面爆破对边坡保留岩体的损伤最小，光爆效果最好，值得推广。

理论公式计算B马秉智等人得出计算公式：

1/6 式中，n为气体与孔壁碰撞时的压力增大系数，一般取n=8～11；ρ0为炸药密度，g/cm3； DH为炸药爆速，m/s；kb为体积应力状态下岩石抗压强度增大系数，岩石抗压增大系数一般取kb=10 ； SC为对应f抗压强度，m/s。

研究表明，不耦合系数的大小与炮壁上的最大切向应力之间呈指数关系，因此，当炮眼直径为32 ～45 mm时，不耦合系数B = 1.5～2.0。B值应在工程实践中应不断调整，可采用LS-DYNA数值模拟验证。

2.8 光面爆破炮眼数目的计算

（1）分别计算周边眼、掏槽眼、辅助眼、底眼数目，然后相加。

由于光面爆破的周边眼距小，周边眼装药量少，因此，根据这一特点先求出周边眼数目，然后按平均装药量原则计算出其它炮眼数目。

1）周边眼数目N1：

（1）

式（1）中B为隧道掘进宽度，m；E为周边眼平均间距，m；B：为隧道掘进周长，m； BL可按式（6）近似计算。

（2）

式（2）中S为隧道掘进断面面积 ；c为断面形状系数，

对于拱形隧道。C=3.86。

2）掏槽眼、辅助眼和底眼数目N2：

N2值按一次爆破所需要的总装药量减去周边眼装药量，使剩余的药量平均分配在N2内来计算。 （3）

式（3）中Q为按定额确定的一茬炮所需的总装药量，kg ；Q = qSL?；qL为周边眼每米装药量，kg/m；q为单位炸药消耗量，kg/m3；?为炮眼利用率；Q0为除周边眼外，每个炮眼内的平均装药量，kg。

（2）根据隧道掘进断面计算。

式中N：钻孔数目，个；f：岩石坚固性系数； S：掘进断面积，m?。

（3）根据炸药单耗量计算。

N=q・s/rk 式中：q为单位炸药消耗量；s为开挖面积；k为炮眼装药系数； r为每米长度炸药的重量。

3 结语

（1）光爆参数确定后，爆破效果可能不理想，应针对围岩变化情况对光爆参数进行调整。通常经过二三个钻爆循环作业参数的调整，才能达到最佳效果。

（2）目前光面爆破机制落后于工程实践、爆破参数受人为因素影响且主要依赖经验公式法和工程类比经验确定、光面爆破控制管理理论指标体系单一等是参数不当的主要原因。

（3）今后提高确定光爆参数工作的精度和效率的主要途径：模型试验结合现场试验，从理论上探讨围岩与光面爆破参数等因素对光面爆破效果的影响规律，理论结合现场试验数据总结分析各影响因素对爆破效果的影响，基于试验总结经验规律，深入探索光面爆破机制，提出光面爆破参数优化方法。[3]

参考文献：

[1]王梦恕.准设计，21世纪山岭隧道修建的趋势[J].铁道标准设计，2004，（9）：38-40.

[2]张志呈，蒲传金，史瑾瑾.不同装药结构光面爆破对岩石的损伤研究[J].爆破，2006，1（23）：37-38.

[3] 王建秀，邹宝平，胡力绳.隧道及地下工程光面爆破技术研究现状与展望[J].地下空间与工程学报，2013，9（4）：804.

作者简介：赵亮（1971―），男，汉族，山东牟平县人，本科，工程师，国家一级建造师，项目技术负责人，从事隧道、土石方开挖爆破、工民建施工技术和管理方面的研究。