光面爆破作用机理及其在硬岩隧道掘进中的应用

[摘要]：针对硬岩隧道掘进困难、工程量大的问题，提出采用光面爆破技术，分析该技术具有产生裂隙少、围岩扰动小、围岩完整性好、掘进工程量小等特点，从爆炸应力波的导向作用和爆生气体的扩缝作用两方面分析了光面爆破作用机理，并对某硬岩隧道光面爆破最小抵抗线、孔距、不耦合系数、线装药密度等参数进行设计，优化了施工工艺，制定了控制标准，应用效果显著，围岩稳定性好，施工成本减少25%。

[关键词]：光面爆破 硬岩隧道 爆破应力波 爆生气体 参数设计

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：

在巷道施工中为保证保留岩体按设计轮廓面成型并防止围岩破坏，须采用轮廓控制爆破技术，目前常用的有预裂爆破和光面爆破。其中光面爆破技术广泛地应用于坚硬岩石及岩体较完整的软岩，效果明显，同时对减轻围岩破坏、减少超欠挖作用很大。本文对光面爆破的作用机理进行研究，优化设计了爆破参数，并应用于某硬岩隧道的掘进中。

1. 光面爆破技术特点

沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，以形成平整轮廓面的爆破作业，称为光面爆破。具有以下特点：

（1） 隧道围岩不产生或很少产生炮震裂缝，保持了围岩完整性，从而增大了围岩自身的承载能力，这为采用锚喷支护创造了有利的条件。

（2） 在裂隙发育的地层中，避免裂隙扩大和产生新的裂缝，提高了围岩的稳定性，能基本清除落石伤人事故，为快速施工提供了有利条件。

（3）隧道成型规整，极大地减少了掘进超挖数量和出碴工作量，加快了掘进速度，节省了衬砌材料，提高了施工进度。

（4）由于隧道成型规整，凹凸很少，除增强隧道本身稳定性外，也减少了隧道的维护量。

2. 光面爆破作用机理

2.1爆炸应力波的导向作用

（1）由于不耦合装药控制了爆炸能量，使得向四周传播的应力波只能对孔壁产生一定数量的初始微裂缝。

若相邻孔能保证同时起爆，各孔传来的应力波便在孔心线上某处叠加，使岩体原有裂隙扩展或微观缺陷形成裂纹，这对在孔连心线方向上成缝是有利的；若相邻孔不能同时起爆，虽然应力波的叠加作用将不存在，但先起爆孔产生的应力波传播至邻孔时，将会使邻孔产生应力集中，使得孔壁与孔连心线两交点处的环向拉应力达到最大值。因此，易在此两点形成初始裂缝。

相邻孔起着反射波阵源的作用，当应力波反射到充满爆生气体的有放射状初始径向裂缝的原炮孔上时，自然也容易使孔连心线方向上的初始径向裂缝最先扩展，形成初始长裂缝。

2.2爆生气体的扩缝作用

孔内爆生气体因膨胀将会挤入孔壁的初始径向裂缝，起着所谓“气刃效应”，使长短不一的初始裂缝得到不同程度的扩展。

应力波先期作用，使得孔壁在炮孔连心线方向上初始径向裂缝比其它方向长得多，初始裂缝扩展最初受到动能作用而高速扩展，但随着爆生气体膨胀和耗散，气体压力值迅速降低，从而值迅速减小。所以，初始裂缝在爆生气体膨胀作用下所能扩展的长度是有限的。但如果将两相邻孔的间距控制在裂缝所能扩展的长度范围内时，裂缝就会相互贯通。

3. 光面爆破在硬岩隧道掘进中的应用

3.1工程概况

某隧道开挖轮廓高4m，宽3.7m，断面积12.4m2。地质情况为弱风化的石灰岩，裂隙不很发育，岩体完整，硬岩，围岩类别为Ⅳ类。采用全断面开挖、光面爆破方案，开挖循环进尺2.5m以上。选用乳化炸药，非电毫秒雷管起爆网路。

掏槽采用三级复式契形掏槽眼的形式。周边眼采用空气间隔装药，各眼采用导爆索并连，并在其中两眼装入非电毫秒雷管达到孔内延期起爆，其余炮眼采用连续装药，非电毫秒雷管孔内延期起爆，各炮孔均进行堵塞。

3.2参数设计

（1）最小抵抗线w

如果最小抵抗线过大，光爆层将不能很好地破碎下来，甚至产生大块或留底根；如果最小抵抗线过小，在反射波作用下，可能导致围岩破坏，影响光爆效果和围岩的稳定性，甚至产生超挖形成凹凸不平的壁面。采用以下式来确定最小抵抗线W：

式中W―光爆层厚度；qb―炮眼内的装药量；S―炮眼间距；Lb―炮眼长度；C―爆破系数。

（2）孔距

光爆孔的间距比主爆孔小，它与炮孔直径、岩性和装药量等参数有关。通常，合理的孔距可按炮孔直径选取：

S―孔距，m；d2―炮眼直径，m。

（3）不耦合系数

光面爆破采用药包直径小于炮孔直径的方法，因而不耦合系数K'>1，采用最多的是不耦合系数K'=1.5～2.5。

（4）线装药密度

采用既有环向不耦合又有轴向空气间隔的装药结构时用下式计算：

式中Δ―炸药密度，kg/m3；d1―药卷直径，m；q0―线装药密度，kg/m。

（5）其他参数

炮眼直径42mm，深度3m，设计炮眼数目101个，单位炸药消耗量1.2kg/m3。

3.2施工工艺优化

（1）钻孔施工

钻孔施工是光面爆破最重要的一环，尤其是钻孔精度，它直接影响到光面爆破的成败。为了确保钻孔精度，应严格做好边坡的测量放线，修建好钻机平台，按照“对位准、方向正、角度精”三要点安装架设钻机；挑选技术水平较高、熟悉钻机性能的钻机司机，以保证钻孔的准确性。

（2）装药与填塞

光面爆破采用不耦合装药结构。由于目前小直径炸药规格品种少，多数采用间隔装药，即按照设计的装药量和各段的药量分配，将药卷捆绑在导爆索上，形成一个断续的炸药串，为方便装药和将药串大致固定在钻孔中央，一般将药串绑在竹片上。装药时竹片一侧应置于靠保留区一侧。装药后孔口的不装药段应使用沙等松散材料填塞。填塞应密实，在填塞前，先用纸团等松软物质盖在药柱上端。

（3）起爆网路的联结

光面爆破的药串是由导爆索起爆的，在孔外联结导爆索时，必须注意导爆索的传爆方向，按照导爆索网路的联结要求联结。

3.3光面爆破控制标准

（1）裂缝必须贯通，壁面上下不应残留未爆落岩体。

（2）相邻孔间壁面的不平整度小于±15cm。

（3）壁面应残留有炮孔孔壁痕迹，且应不小于原炮孔孔壁的1/2～1/3。

（4）残留的半孔率，对节理裂隙不发育的岩体应达到85以上；对节理裂隙较发育和发育的岩体，应达到50～85；对节理裂隙极发育的岩体，应达到10～50。

3.4应用效果

该硬岩隧道采用光面爆破技术后开挖质量得到有效控制，光爆锚喷施工质量好，减少了围岩的位移、松动和破坏，提高了安全性，减少超挖、节约材料，成本大约降低25%。

4.结论

（1）光面爆破在硬岩隧道中应用具有产生裂隙少、围岩扰动小、围岩完整性好、掘进工程量小等技术特点；

（2）光面爆破主要从爆炸应力波的导向作用和爆生气体的扩缝作用两方面对硬岩隧道产生定向控制裂缝；

（3）研究成果应用于某硬岩隧道，参数设计合理，施工工艺控制严格，爆破后围岩稳定性好，超欠挖小，施工成本减少25%。

作者简介：申鑫，出生年月1985年11月，男，硕士研究生，工程师，主要从事矿山基建巷道掘进方面研究。单位名称：内江昶荣工矿工程建筑有限公司.