砂砾胶结岩洞室爆破技术研究

摘要：目前洞室爆破资料大部分介绍在硬岩情况下的爆破施工技术，很少涉及胶结程度较低的软岩洞室爆破。根据本工程已进行的80多万m3砂砾胶结岩洞室爆破的经验数据，在本文中进行了一些叙述、总结。软岩洞室爆破与硬岩中进行洞室爆破相比，具有较大的差异。

关键词：砂砾胶结岩；破裂半径；压缩圈；洞室爆破

Abstract: At present, most of the data of chamber blasting in hard rock under blasting technology, rarely involved in soft rock tunnel blasting cementation degree is low. According to the empirical data of this project have been carried out in about 800000 m3 gravel cemented rock cavern blasting, some narratives, are summarized in this paper. Soft rock cavern blasting and hard rock of chamber blasting, has big difference.

Keywords: gravel cemented rock; fracture radius; compression rings; chamber blasting

中图分类号：TD23文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1．工程概达

大坝下游堆石区以外为盖重区，填筑工程量为86万m3。盖重料填筑技术要求为：填筑料最大粒径≤1200mm，小于5mm的颗粒含量不大于30%，压实后干容量≥2.0t/ m3。根据此技术要求，在下游料场覆盖层进行现场取样，各种指标均满足设计要求，故将下游料场覆盖层砂砾料作为盖重料料源。在进行开挖时发现，料场岩性为砂砾胶结岩，结构致密，用挖装机械无法直接挖装。因此，必须先对料场岩体进行爆破作业，使岩体胶结结构发生破坏，然后才能进行挖装作业。

2．岩石爆破的物理过程

爆破是一种很复杂的化学物理过程，曾有过各种各样的理论及计算方法，经过多年的爆破实践，认为矿岩在炸药作用下发生破坏的物理过程为：

⑴炸药爆炸，其爆轰波冲击药室四壁，四壁岩石向外运动，压迫岩体，在岩体中形成冲击波。在此岩石冲击波作用下，靠近药室壁的一层岩石，受力状态超过其抗压极限，岩石结构被破坏，形成压碎圈。该圈外侧，岩石单元体在冲击波传播方向上受到压力作用，单元体获得向传播方向运动的速度而开始向外运动，运动的结果，使单元体在垂直传播方向上受到拉力作用，两个方向上的承力结果，在450方向上出现最大剪应力，该范围内的岩体受拉应力和剪应力的共同作用而产生破坏，形成破碎圈。

⑵药室壁的岩石向外运动，药室继续扩大，从药室壁向岩石传播稀疏波，药室压力降低，岩石向外运动受到外侧岩石的阻挡作用，运动速度减慢，当岩石中的压力大于药室壁上的压力时，岩石单元体上受力方向朝向药室，从而向药室加速，直至朝向药室运动。岩石单元体向药室的运动受到药室内气体的阻碍作用，使得岩石运动减速和反向，在岩体中传播稀疏波，产生径向拉应力。药室周围压碎圈中破碎体向药室运动，促使爆炸气体楔入径向裂缝（拉伸缝）、剪切裂缝、环向裂缝和岩体中原生裂缝，使其扩大，形成破碎圈。

⑶如果药包存在自由面，岩体中的冲击波由自由面的反射，在表面可以形成霍普金森效应式的拉断，反射波与入射波叠加的结果，使单元体受力方向发生变化，造成爆破漏斗侧面的开裂。漏斗侧面的形成，进一步解除了爆破气体的约束，于是气体进一步向各种裂隙楔入，使岩体进一步破坏，并形成鼓包运动。

⑷在波的传播过程中，岩体的各向异性会改变波阵面的形态，岩石中的缺欠，会干扰波的传播，形成应力集中，岩体中的构造面会使波发生反射、折射，造成能量的再分配，使新生裂隙分配不匀。

⑸在爆生气体楔入裂隙的过程中，岩体中原有裂隙可起引导和阻断作用，岩体中的各种缺陷可能发展成新的裂隙，是爆破漏斗不对称，爆破块度不好的主要原因。岩石在运动中互相碰撞，落地撞击可造成进一步破碎。

3．爆破方案选择

根据现场施工条件，可采用深孔梯段爆破和洞室爆破两种方案，两种方案各有优缺点。

深孔梯段爆破拟采用YQ-100型钻机造孔。胶结岩体内含有大量的大孤石、漂石、砾石及小空腔，岩体胶结程度不是很高，造孔较困难。主要原因为：钻头由软岩进入孤石、砾石时，由于孤石、砾石面不规则，钻孔会发生严重偏斜，甚至破坏孔壁，以致无法继续进行钻孔作业；钻孔穿过岩体内小空腔时，造孔产生的岩粉及砾石料会充填小空腔，造孔完成后拨出钻杆时，岩粉在高压风作用下回落至孔底，造成有效孔深减小，有时会使钻孔报废；岩体胶结程度较低，造孔时在高压风及钻头的作用下，小颗粒砾石会发生松动、脱落，钻孔深度大于5cm时，极可能发生卡钻现象，故钻孔最佳深度一般不大于5cm。料场原始边坡坡度为300左右，由于钻孔深度变化范围太小，前后排炮孔孔深基本相同，炮孔孔底不可能位于同一水平面上，每次爆破后掌子面不可能形成平台，仍然为300左右的斜坡，使用电铲、反铲无法直接进行挖装作业。梯段爆破孔深太小，爆破效率低，无法满足盖重区填筑强度的需要。

基于以上原因，决定使用洞室爆破进行料场开采。该料场砂砾胶结岩为软岩，胶结程度相对较低，易于进行洞室巷道掘进，并且洞室掘进成本远低于钻孔成本；料场距各种建筑物、构筑物及生活区较远，爆破安全问题较易处理；洞室爆破规模大，可满足盖重区填筑强度的要求。砂砾胶结岩实际上是土夹石，只不过土与砂砾石结合致密，相互胶结在一起。因此只需要进行松动爆破，将胶结体变成松散体，便于挖装就可以了。

4．爆破试验

本次爆破试验的主要目的是确定炸药单耗q，根据有关资料查得：对于密实的土夹石，标准松动爆破的单位炸药消耗为0.4～0.6kg/m3。为了尽可能地降低爆破成本，选择炸药单耗为0.4 kg/m3。本次爆破最小抵抗线为7m，不藕合系数为6，总装药量Q=ekw3，由于使用2号岩石炸药，取e=1.0，将各数代入上式，得Q= 137kg。爆破后，松散岩体向前移动最大距离约10m，上破裂半径处岩体下落约2m。料场爆破要求为：松动砂砾胶结岩体的胶结结构，以便进行挖装作业。

显然上次试验炸药单耗过大，为了掌握减弱松动爆破的炸药单耗，进行了第二次爆破试验。最小抵抗线仍为7m，炸药单耗为0.15 kg/m3，炸药总用量为52kg。爆破后，爆破漏斗半径内的岩体几乎没有移动，也看不出上破裂半径，但岩体出现隆起的鼓包，岩体表面出现纵横交错的裂缝。用电铲或反铲能轻而易举的进行挖装作业。达到了爆破的目的，因此选取炸药单耗为0.15 kg/m3。

5．爆破参数的探讨

盖重区已填筑将近90万m3的盖重料进行了爆破作业。洞室最大装药量为6t，同时进行了抛掷爆破、松动爆破施工。对已进行爆破作业的成果进行整理，发现了一些砂砾胶结软岩进行洞室爆破不同于硬岩的一些规则。

⑴药室间距

对于硬岩洞室爆破，同层药室间距一般应满足下式，即

a≤0.8～0.9w

这样才能保证两药室之间不留岩埂，以利开挖。对于土夹石胶结岩来说，药室间距可远大于上式计算值，根据爆破成果来看，a=1.8～2.5w时,两药室间仍没有明显的岩埂。砂砾石胶结岩体中，砾石与土的胶结程度相对较低，在爆破冲击波及地震波的强烈作用下，容易破坏胶结岩之间各种成份的相互胶结作用。尽管两药包之间的间距较大，两药包间的岩体仍然会遭到破坏。因此对于一些软岩中进行的抛掷洞室爆破，可以考虑药包间的间距大于3.0w，在装药量一定的情况下，要增大单次爆破工程量，从而达到降低炸药单耗，降低施工成本的目的。

⑵W/H比值选择

根据一些工程的实践经验，合理的W/H（H 为药包上方覆盖层厚度）值一般控制在0.6-0.8之间。W/H越小，属于“崩塌”的部分就越大，如果山体完整，崩塌部分必然会出现大量的大块石，增加二次爆破工程量，增加施工成本。有时岩体还会出现倒悬体，对施工人员及设备造成极大的安全威胁。对于大规模的倒悬体，处理成本很高，有时甚至无法处理。在盖重料洞室爆破开采过程中，W/H值一般控制在0.25～0.4之间，也取得了良好的效果。进行洞室爆破时，爆破漏斗体内的岩体在爆破高压气体的作用下部分被抛出，留下了空腔，空腔后部的岩体的应力发生了急剧的变化；同时爆破产生强烈的地震挠动了空腔后部的岩体，使空腔后部的岩体产生了许多的裂隙，而原有的微弱胶结结构结合力减弱，原有的裂隙被延伸。在上述情况的作用下，岩体间的作用力不足以克服岩体的重力，岩体会沿着剪切面滑动，以至发生崩塌现象。对于砂砾石胶结岩来说，由于岩体本身的胶结程度较低，崩塌后与地面碰撞后会发生土石分离现象，不会象硬岩那样产生大块，更不可能产生倒悬体现象。选择较小的W/H值可以显著增加单次爆破工程量。

⑶药包最小抵抗线W

选择药包的最小抵抗线W，是布药的核心问题。W的选择范围取决于爆区的地形，以及岩石的性质及挖装设备。对于大型洞室爆破，最边部设置较多的小型辅助药包，以便爆区四周不留岩坎，便于机械设备挖装。边部辅助药包的最小抵抗线一般为8～10m。对于风化程度较强或岩性较软的岩石，当采用大型设备挖装时，最小抵抗线可适当增大；对于坚硬完整的缓坡岩石，边坡最小抵抗线较小。一般最大药包的最小抵抗线W，为25～40m左右居多。最小抵抗线W越大，药包越大，可以节省洞室开挖工程量，但岩石破碎均匀性会下降。

对于本工程砂砾胶结石来说，每次爆破只布置1-2个药包，因此一般适当的增大最小抵抗线，以相应地减少洞室开挖工程量。药包最小抵抗线一般为20～25m，由于不存在四周岩坎的问题，只需松动爆破后，便可进行挖装施工，不存在大块石的问题。

⑷保护层厚度

洞室爆破每次爆破用药量大，爆破作用强烈，对围岩的破坏很大，因此必须预留足够的边坡保护层。

炸药爆炸后，产生强烈的冲击波作用于药室壁面上。由于冲击波的峰值压力远大于岩石的抗压强度，药室外一定范围内的岩体被击碎，形成压缩圈。压缩圈半径由公式RY=0.062(Qu/Δ)1/3求得(其中Q=3000～6000kg，Δ=0.8～0.85，U=150～250)。根据本工程的特点，取U =200，代入上式，得RY=5.58～7.02m。边坡保护层厚度一般预留8～10m，可保证边坡的稳定。

⑸爆破漏斗作用半径

下破裂半径R：R=1.75(K/K)1/3W(其中K为松动爆破单位耗药量，本工程为0.15kg/m3，K为标准单位耗药量，本工程为0.4kg/m3，W为最小抵抗线)，将各数代入上式，得R=1.3W。本工程料场原始边坡坡度为35～500左右，药包水平面与边坡相交处的长度为1.63W。经计算，下破裂半径端部的水平高度为0.63W，这就是说，爆破后会留下12.6～15.8m（本工程最小抵抗线为20～25m）高的岩埂，必须增加辅助药包，以消除周边岩埂，使挖装设备便于挖装。但爆破结果显示，并未出现很高岩埂，岩埂高度为0.15W，即没有超过2.5m的岩埂。而出现的岩埂胶结程度明显地降低，电铲、反铲可轻易地挖装，并没有必要增加辅助药包。这与理论计算值0.63W的岩埂相比,相差较大，可能是爆破地震作用过于激烈，引起2W以内岩体的振动效应超过岩体间土石结合力的极限，从而使土石结合遭受破坏，达到松动的目的。因此在进行砂砾胶结岩等土夹石软岩洞室爆破时，在最小抵抗线较大的情况下，可以不设周边辅助药包，以减小洞室开挖工程量及减少炸药量，而达到降低施工成本的目的。

上破裂半径：R=W（1+βn3）（β为爆破漏斗上向崩塌系数，本工程取值为5.0，n为爆破作用指数，本工程取值小于0.75，按0.75来计算），则R=1.8W。药包垂直线与原始边坡相交处的高度为1.27W，上破裂半径与水平面的夹角为108（即爆破后的坡面角为720）。事实上，爆破后为了使坡面保持稳定，一般用反铲可削坡至45～500左右，大大增加了爆破工程量。

⑹药室的堵塞方法与堵塞长度

药室的堵塞长度一般应满足公式B=（0.6～1.0）w。

洞室的堵塞主要靠堵料的惯性约束，要求堵料比重较大，摩擦角大。而软岩的比重及摩擦角均不大，因此主要靠增加堵塞长度及改变巷道型式来增强堵塞效果。药室及支洞宜开挖成“L”形，而堵塞长度应大于1.0W，可增加炸药爆炸后高温高压气体的作用时间，提高爆破效果。一般在药室炸药处填以开挖时预留在药室支洞内的细粒石渣，靠堵塞段洞口可用较大块石渣封堵。

6．技术经济分析

本工程洞室爆破的最小抵抗线W一般为20～25m，以某一次爆破为例，来进行洞室爆破的技术经济分析。

单个药包的装药量为：Q=ekw3（其中e=1.0，k=0.15kg/m，w取值为25m），计算得Q=2344kg，实际装药为2400kg。开挖完成后，后边坡坡面角为500，两侧夹角约1300，开挖后水平面比药包所在平面降低约3m，原始边坡为380，按上述数值计算得爆破总工程量约为V=23000m3，则实际炸药单耗为q=Q/V=0.104kg/m3，则爆破单位体积土石方炸药耗成本为0.52元/m3(炸药单价按5元/kg计算)。断面为1.2×1.5交通洞长度为30m，开挖的药室断面为3×2×2m，装药体积为3m3（即装药不藕合系数为4），按洞室掘进每m3工程量150元计算，洞室掘进成本为约10000元，则爆破单位体积土石方洞室掘进成本为0.44元/m3，药室堵塞长度为20m，工程量为36m3，按每方100元来计算（耗用大量编织袋），堵塞成本为3600元，则爆破单位体积土石方洞室堵塞成本为0.16元/m3。其余材料可忽略不计。经过上述计算可知，洞室爆破成本为1.12元/m3。

对于深孔梯段爆破，现有条件下，只能用YQ-100型钻机造孔。根据该料场的地质条件，孔深为10m（实际在10m以下，并可出现较多的废孔），孔距为4.5m，排距为3.5m，堵塞长度为3m，单孔装药量为32kg，平均炸药单耗为0.21kg/m3，每孔装导爆索约为15m，导爆管0.2发（平均值），每延m钻孔造价约15元。根据以上数据可知爆破单位岩体各种材料消耗为：导爆索0.1m/m3，导爆管0.007发/m3，钻孔0.1m/m3。爆破单位体积岩石各种材料消耗成本为：炸药1.05元/m3，导爆索0.25元/m3(导爆索单价为2.5元/m)，导爆管0.002元/m3(导爆索单价为3元/m)，钻孔0.15元/m3（钻孔造价为15元/m）。根据以上计算可知，深孔梯段爆破成本为1.51元/m。

上述计算没有考虑人工辅助工作的成本，由于梯段爆破每次爆破工程量较小，则人工辅助成本梯段爆破远大于洞室爆破。洞室爆破成本为实际成本，梯段爆破成本根据最可能的爆破参数推算的成本。根据上述成本比较可知，爆破单位体积岩石时，洞室爆破比梯段爆破降低成本0.39元/m3。盖重料工程量为86万m3，以0.39元/m3来计算，则采用洞室爆破方案时，可节省资金30万元以上。另外，洞室爆破可增加施工强度，减少施工辅助设施等优点。

7．结束语

进行胶结程度较低的软岩洞室爆破设计，在选择各种爆破参数时，同硬岩中洞室爆破有较大的差异，也很少有参考资料可以查阅、参考。因此，必须根据软岩的岩性、爆破目的等来进行设计，以达到爆破施工的目的。设计时，W/H可以选较小的数值，可达0.3以下，这可以显著的增加崩塌工程量；洞室爆破尽量降低炸药单位耗药量，由于软岩的胶结程较低，爆破后使爆破漏斗外较远处岩石的胶结体破坏，可以达到爆破漏斗体外大量岩体崩塌的目的，而与抛掷爆破时崩塌的岩体相差不大，却能成倍的降低炸药单耗；可选择较大的最小抵抗线w，而不必在周边布置辅助药包，既减小大量的洞室开挖工程量，又可节省大量的炸药。