××隧道钻孔爆破施工技术

1、PAGE PAGE 14隧道钻孔爆破施工技术摘 要 本文就隧道坚硬围岩实施光面爆破进行了一系列的实践与探索，总结了斜眼掏槽技术、中深度进尺在双跨大断面中的应用，以供今后类似工程有一定的借鉴作用，值得推广。关键词 隧道 坚硬围岩 光面爆破 施工技术前言 80年代开始，在总结经验的基础上，我国隧道工程技术人员借鉴国外经验，在隧道施工方面采用新奥法，并进行了更深入的研究与探讨，在开挖方面，实施了光面爆破。它是通过科学的布孔和装药量设计，对开挖坑道周边部位实行准确凿岩，而控制开挖轮廓的一种新型爆破技术。它最大限度地保持了围岩的完整性，增强围岩自身承载力；坑道成型规整，极大地控制超欠挖，节约成本；周边圆

2、顺，减少通风阻力，职工的劳动保护也得以提高。所以光面爆破在隧道施工中一直是一个常抓不懈，而又不易较好控制的重要课题。工程简况 隧道位于陕西省蓝田县境内，是西安南京铁路全长在3000m以上的长大隧道之一。该隧全长3914m，双线直线隧道，隧道穿越秦岭山脉刘家山，进口里程DK79+622，出口里程DK83+536。进口段除洞口38m为类，其余2414m分属、围岩，极限强度0=1500kpa。岩层主要为太古界太华群片麻岩夹片岩，燕山期花岗岩，石质坚硬，给钻眼带来了一定的困难。节理裂隙较发育，岩体切割呈大块状，对周边眼裂缝的贯穿形成有一定的影响。永久性衬砌除洞口38m为模筑衬砌外，其余均采用复合式衬砌

3、，衬砌厚度为3035cm，这样对开挖的精度要求十分高，否则就会导致超欠挖现象的发生。超挖势必增大回填混凝土成本，欠挖补炮，不仅可能导致超挖，而且对围岩进行二次扰动，又不利于安全施工。对此，形成规整圆顺的内轮廓，保证良好的光面爆破效果十分重要，在本隧施工全过程中引起了高度重视。钻爆设计掏槽形式方案比选2000年7月，隧道施工进入类坚硬围岩地段，地质条件相对较好，对此实行全断面一次成型开挖，结合西康线等以往隧道施工经验，并参照相关资料，采取了常规五眼中空直眼掏槽技术。由于受凿岩机限制，中间仅能设置50直径空眼。掏槽形式及全断面钻爆设计如下图(图一)所示。图一 全断面钻爆设计图经过两个星期的施工，并

4、收集相关资料进行分析：全断面钻眼数量达175个，炸药及雷管单耗过大，炮眼利用率为83%，进尺达不到设计值。收集的数据见(表一)所示。(表一) （五眼中空直眼掏槽）时间(2000年)围岩类别每星期进尺（m）耗用炸药(kg)耗用雷管(发)炸药单耗(kg/m3)雷管单耗(发/m3)每茬炮进尺（m）全断面钻眼数设计钻眼深度掏槽区平均残眼深7月1日7日24350422671.490.9642.401753m50cm7月8日14日 26386324211.520.9502.601753m35cm针对上表究其原因是由于掏槽区爆破不完全，也就是说爆破所需的临空面不够。掏槽区爆破不充分当时认为有两个方面的原因：

5、其一、钻孔作业不精确，有相互穿孔的现象；其二、钻眼时设计的较大直径空眼由于受凿岩机性能影响施工较为困难，临空面过小。针对原因我们制定了相应对策，对操作者进行爆破原理及钻孔技术培训，同时把五眼中空改为七眼中空掏槽，主要思路就是往筒形掏槽方向发展，布置图如下图（图二）。经过两个星期的运用，在进尺上基本达到设计值，分析数据如（表二）所示。(表二) （七眼中空直眼掏槽）时间(2000年)围岩类别每星期进尺（m）耗用炸药(kg)耗用雷管(发)炸药单耗(kg/m3)雷管单耗(发/m3)每茬炮进尺（m）全断面钻眼数设计钻眼深度掏槽区平均残眼深7月15日21日27.5393525601.460.9502.85

6、1773m15cm7月22日28日 29403626431.420.9302.901773m10cm由于采取以上方式取得了初步成功，炮眼利用率得到了较大幅度的提高，对此，为提高进度，我们在循环进尺上改为每茬炮设计3.5m。从2000年8月1日7日，掏槽区出现残眼4050cm，这时增加掏槽区炸药量，装药集中度改为0.90kg/m，从8月7日15日，掏槽区出现残眼2030cm。根据本月收集数据分析可知，爆破是否充分在某种程度上与炸药量的多少不一定成正比关系，其主要原因是临空面是否足够。从9月1日9月30日，我们又改进了掏槽方式，设置为九眼中空直眼掏槽，掏槽思路仍为桶形掏槽，布置图如（图三）所示。通

7、过掏槽改进后爆破较为理想，钻眼深度3.5m，残眼基本控制在1015cm之间，月进尺一举突破156m。具体数据如表（三）。(表三) （九眼中空直眼掏槽）时间(2000年)围岩类别每2星期进尺（m）耗用炸药(kg)耗用雷管(发)炸药单耗(kg/m3)雷管单耗(发/m3)每茬炮进尺（m）全断面钻眼数设计钻眼深度掏槽区平均残眼深9月1日15日74.51036767901.420.9303.241793.5m15cm9月16日30日81.51118172681.400.9103.261793.5m10cm从（表一）、（表二）、（表三）所收集数据进行成本分析，虽说在9月份找到了在进尺上较为理想的钻爆方案，

8、但在火工品中的炸药、雷管及钻头、钻杆消耗上，远远大于定额标准，根本原因在于钻孔数量的增加所致，班组在成本上难以接受，必然导致工费降低。对此，经理部成立了以总工程师牵头的坚硬围岩快速中深度进尺的技术探讨小组，采取了楔形斜眼掏槽技术，起初我们设计掘进深度按3.5m、4m考虑，掏槽钻孔图如（图四）所示。经过实践，我们从进尺、钻孔作业的方便程度及成本分析方面考虑，确定了第（2）种掏槽方式，把斜眼掏槽的角度最终定为3652，达到完全掏出掏槽部分岩石，创造大面积的临空面。再者对周边眼的间距、抵抗线、装药量等进行一定范围的调整，钻爆设计得到了极大的优化，全段面钻爆设计图如（图五）所示。经过两个月的实践和探索

9、，狠抓过程控制，不断优化钻爆设计，这样不仅在进度上取得了较好的成绩，还有力地控制了成本。具体数据分析见（表四）、（表五）所示。(表四) （楔形斜眼掏槽）时间围岩类别月进尺（m）耗用炸药(kg)耗用雷管(发)炸药单耗(kg/m3)雷管单耗(发/m3)每茬炮进尺（m）全断面钻眼数备注2000.1017015558116841.040.7813.23157钻眼深3.5m2000.11 17418075137441.060.8063.31157钻眼深3.5m(表五) 直眼、斜眼掏槽每一循环时间对比统计表 (分钟)掏槽形式上一循环台架就位测量放线钻眼装药起爆通风洒水出主碴挖齐头出次碴检底下一循环合计直眼

10、20403305030240603020820斜眼20402405030240403020710表一、表二、表三、表四、表五都是从大量的统计数据所得，经过比较分析：斜眼掏槽相对于直眼掏槽，钻眼时间少，炸药雷管单耗低，炮眼利用率高，每茬炮进尺多，循环作业时间短。主要是因为掏槽充分完全，为临近炮孔的相继爆破创造较大的临空面。3.2 斜眼掏槽光面爆破参数的优化选定3.2.1 光面爆破的原理分析3.2.1.1 周边眼贯穿裂缝的形成取相邻两炮孔进行分析，如图六所示。 岩石爆破瞬间，在爆炸波的反复作用下，炮孔周围形成反复的压缩(压)与拉伸(拉)，从而在炮孔上产生许多细小裂缝，由于爆炸气体产生的尖劈作用，导

11、致裂缝逐渐扩大。当两个相邻炮孔的孔距E足够近时，其裂缝相互贯通，这样周边眼就形成一条贯穿裂缝，岩石爆破后在周边眼炮孔中心的连线上形成一个比较平整光滑的面，获得规整的坑道断面。 3.2.1.2 当两眼装药量一定时，如增大E值，会使两眼上的拉应力(拉)小于岩石极限强度（0），即拉0，而造成切割面不平整。当E2W（W为最小抵抗线）时，即周边眼密集系数m=E/W 2时，等于相邻两炮孔单独起爆，形成各自的爆破漏斗，导致岩石面不平整。当E值过小，会造成两眼间的岩石过分破碎，形成超挖。在一定的装药量条件下，E、W之间的比值变化，对爆破后岩面的平整度影响也很大。3.2.1.3 周边眼各个炮孔必需同时起爆。实践

12、表明，如果时差过大，超过100ms：其一，等于各个炮孔单独作用，形成独自的爆破漏斗；其二，后爆炮孔顺着先爆炮孔形成的裂缝延伸并加强发展，将导致切割面不平整。3.2.2 光面爆破的参数选定光面爆破的质量决定于周边眼的爆破参数：炮眼间距E、最小抵抗线W、不偶合系数m、装药结构及堵塞长度等一系列因素，隧道参照隧道施工设计规范、工程类比法及现场实际经验逐步模索而来，具体如下。3.2.2.1 周边眼间距EE值是指开挖外轮廓线两孔之间的距离，它是直接控制开挖轮廓面的平整度和成型质量的主要因素。 E按公式：E=54.2976kpd0 kp岩石抗破坏系数 d0_药卷直径(cm) 隧道坚硬围岩分布情况：片麻岩夹

13、片岩(0=1500kpa)，燕山期花岗岩(0=1500kpa)，岩石抗破坏系数片麻岩kp取0.52，花岗岩kp取0.55，药卷直径为=2.5cm，故E=54.2976（0.520.55）2.5 = 0.560.59(cm)。考虑到隧道部分地段分布有基岩裂隙水，岩体节理裂隙较发育发育，并经过反复实践调整，周边眼间距E值取为E=55cm。3.2.2.2 最小抵抗线WW与周边炮孔E的比例关系，依岩性不同而变动。实践证明，中等坚硬和比较坚硬的岩体，根据国内外有关资料，以W/E=1.21.25为宜，即W=1.25E=69cm，经现场多次试验，取W =65cm作为抵抗线厚度，即光面层厚度。3.2.2.3

14、不偶合系数mm=d/d0(d为炮孔直径，d0为药卷直径)，光面爆破随m值的变化而有所不同。瑞典岩石光面爆破，药卷直径d0=1820mm。我国光面药卷的生产量很少，为操作考虑，通常使用d0=25mm，采取药卷间隔装药。通常m应为m=d/d0=1.52.5，若d为42mm时，药卷直径取d0=25mm，则m=1.68。3.2.2.4 炸药种类及装药量光面爆破总的要求是控制周边孔的爆破质量，使之即能完成周边内岩石按要求爆掉，又能最大限度地减小扰动。所以对炸药品种的要求是爆速低、猛度低、密度低、爆炸稳定性高的低级或低中级炸药。为此，隧道采用的是西安生产的EJ-102防水型乳胶炸药，有=25mm、=32m

15、m两种规格。周边炮孔装药集中度为0.25kg/m,药卷规格为25、长20cm/个、单重为0.00625kg/cm。其余装药量见(表六)。(表六) 单孔装药量一览表（平均）眼名眼数眼深段位单 孔 装 药 量备注药卷直径装药集中度（Kg/m）装药量一级掏槽82.01321.0016.0二级掏槽123.73320.9040.0三级掏槽83.75320.9026.6扩槽眼123.57320.6527.3掘进眼53.58320.6511.4掘进眼143.59320.6531.9掘进眼63.510320.6513.7掘进眼33.511320.656.8内圈眼123.512320.6527.3内圈眼153.

16、513320.6534.1周边眼433.514250.2537.6二台眼63.59320.6513.7底板眼113.512320.9034.7底角眼23.515321.007.0合计157328.1炸药单耗：328.1/(94*3.4)=1.03kg/m3 眼孔分布率：157/94=1.67个/m2装药结构周边炮孔采用空气间隔装药(如图七)，用电工绝缘胶布把25药卷和导爆索绑扎在竹片上，导爆索和竹片有一定的紧挨度，以保证充分传爆。其余眼孔装药采用32药卷连续装药。 3.2.2.6 堵塞长度 堵塞充分后不容易出现拒爆现象，也可相对地减少炸药量。足够的堵塞长度使爆破气体在受阻的情况下继续加强裂缝的

17、形成，避免出现穿孔现象，有效地提高光面爆破效果，本隧道的堵塞长度选择2030cm。钻爆施工4.1 操作平台隧道由于围岩地质条件好，故采用全段面一次成型开挖，为加快循环时间,自制了与之配套的简易多功能开挖台架(如图八)。该简易多功能台架由两个相对独立的台架并排组成一个，其目的就是减少单个台架的总重量（800KG/个），方便装载机对台架的移动。该台架共分四层，每层高度均控制在2.3m左右，二、三平台台架的两侧可根据周边情况自由伸缩，四平台再在两台架中间安设一小台架，便于光面爆破钻眼装药。4.2 凿岩机具凿岩机具选用YT-28，手持风钻钻眼，使用“一”字型钻头，22钻杆。整个作业面配备凿岩机26台（

18、另考虑510台以图八 多功能开挖台架作备用），四层平台同时进行钻眼装药作业。各平台机具及人员配置见(表七)。 (表七) 各作业平台机具及人员配置表序号平台号钻眼个数钻机数量人员配置备注1一平台57914掏槽眼加深20cm2二平台38610掏槽眼加深20cm3三平台2957提前钻完，领取火工品4四平台3368合 计1572639各平台同时进行钻眼装药作业5 光面爆破的具体实施5.1 测量布孔 开挖台架就位后，测量人员在掌子面准确地定出中线和水平，再由五寸台用红油漆画出开挖外轮廓线，继而定出周边炮孔等的具体分布位置。另外，在拱顶中线上距离掌子面23m定出钻孔方向控制线，为钻孔导向，以供司钻人员作参

19、照。另外，还在一、二平台距隧道中线2.5m的两侧，各画一油漆线定出掏槽区域，以确定逐级掏槽的具体位置，方便钻眼时挂眼，作好整体控制。5. 2 钻孔作业钻孔是爆破作业的重要步骤，光爆掘进的速度、质量取决于钻孔的精度。台架就位、测量布孔，并作再次找顶后，班长统一指挥，实行平台组长负责制，认真实行定人、定位、定机、定质、定量的“五定”岗位责任制，分区按顺序钻孔，避免相互干扰、碰撞、拥挤和窝工现象。周边眼不随时乱换人，以便熟练技术，提高钻孔的速度和准确性。周边炮孔挂眼时，采用内移5cm开口钻眼，外插角控制在2度以内。掏槽孔比其余孔加深0.2m，当掏槽区域有严重的凹凸时，掏槽孔挂眼应在红油漆线两侧作适当

20、的内外移动，以确保掏槽孔孔底所到达的正确位置，避免穿孔和相互交错现象，保证掏槽充分成功，为相邻炮孔的爆破创造更大的临空面。 5. 3 装药及装药结构装药前，应用高压风将眼内泥、水吹干净，以保证装药的顺利和炸药的传爆。检查光爆孔的孔距、孔深、孔角，按要求验收，不符合标准的重新钻孔。周边眼采用空气间隔装药，其余眼采用连续柱状装药，均采用反向起爆法，非电毫秒雷管置于孔底第一节药卷。周边眼装药时，将加工好的竹片药串插入孔时，竹片紧挨炮孔外缘部分，以起到保护周边围岩作用。其余眼孔按钻爆设计的装药量进行仔细装填，装药结束后，应用炮泥堵塞，提高光爆效果。周边眼堵塞长度选为20cm。堵塞物由于黄泥缺乏，在本隧

21、道中采用炸药外包装纸箱经充分湿润后揉成条状，进行堵塞。 起爆网络的联接在施工前期，隧道采用MS1MS15段非电毫秒雷管及半秒39段进行联接。各层平台段别相差较大，当在岩石节理及裂隙发育时，时差间隔影响较大，带炮现象尤为突出。特别是周边眼，由于各层平台各不一样，四平台半秒9段，三平台半秒8段，二平台毫秒13段，一平台毫秒12段，时差太大，第一，爆破后形成各自的爆破漏斗，眼孔之间容易出现局部欠挖，第二，先爆后的形成裂缝，后爆的再顺着裂缝薄弱点加强裂缝的形成，致使外轮廓极不圆顺，经常出现周边掉包、穿孔欠挖部分。施工后期，经过不断优化，全段面采用MS1MS15段非电毫秒雷管进行联接，周边炮孔统一采用1

22、4段，底角眼15段，上述现象最大限度地克服，很少出现周边补炮现象。各层平台分别汇总后，最后采用双发雷管引爆的复式网络进行联接，再将各个平台的四支毫秒管汇总后与两发火雷管仔细联接，最后起爆。详见图九。施工组织及管理措施培训上岗工程开工前，由工程科对开挖工进行上班前的培训。对钻爆设计，钻眼技术要求，以及装药等进行仔细的讲授，再举行统一考试，确认合格者才能上岗。6.2 管理细化各层平台定员、定人、定眼、定位，班组长进行现场管理，班员听从班组长的调遣和安排，班长对班员进行上班工日统计和参与当月工资收入的分配。这样，管理更为细化，职工的生产劳动积极性得以提高，也利于前勤管理的直接性和有效性。实行炸药、雷

23、管火工产品的专人配备，由三人组成炸药库值班小组，对每茬炮爆破所需的火工产品提前配好，各层平台的毫秒管段位、个数单独捆系，便于装药过程容易区分，避免混淆，提高装药速度。6.3 深入前勤技术人员、现场领工员深入到班组前勤，到前勤去管理，随时提供技术及各种服务，对斜眼掏槽的角度用自制的简易三角板进行比照钻眼，确保掏槽的准确性。实行跟班作业负责制，及时准确地了解掌子面的情况，得到实施光面爆破的第一手资料。对光爆参数、工序间距、循环时间不断优化调整，实施快速优质掘进。 奖罚分明6.4.1 经理部专门成立光面爆破评定小组，由部安质科牵头主办，每月26日对上月的光面爆破效果进行检查评定，具体项目有：超欠挖控

24、制(由台车混凝土实作断面计算确定)，轮廓圆顺度，炮眼痕迹率等。最后进行总体评定，优奖劣罚。6.4.2 技术人员每茬炮跟班对上一茬炮掌子面出现超出允须值的超欠挖，底板及掏槽各部分的情况进行收集，针对实际进行现场奖罚，以引起开挖工的重视，避免钻眼过程的随意性。6.4.3 开挖作业队对从事周边眼、掏槽眼、底板眼钻眼的职工，相对提高其工资和奖金系数，因为它是直接决定光爆效果质量好坏的重要因素。6.5 隧道一开工，我部就成立了隧道坚硬围岩光面爆破QC小组，通过活动的开展，逐步解决施工中的问题。效果检查隧道自开工以来，由于采取了严密的组织及管理措施，使光面爆破效果稳步上升。周边弧度圆顺，超欠挖控制在允许范

25、围之内，炮眼茬茬相连，半孔率程度高，拱部炮眼痕迹率达90%以上，边墙达80%以上，受到了上级及兄弟单位的多方好评，为刘家山模式注入了入了新的内容。 光爆效果见下图十：8 结束语8.1 双线大断面隧道，在坚硬围岩的钻爆设计中，确定掏槽形式尤为重要。经过比较分析并在实践中积累总结，证明中深度进尺楔形斜眼掏槽是切实可行的，它易于控制钻眼精度。不仅加快了循环时间，还可节约成本，取得良好的经济效益。直接经济效益具体见以图十 光爆效果图下分析数据： (1)火工用品直眼掏槽：炸药、雷管单耗：从（表一）、 （表二）、（表三）收集数据可得：炸药单耗=（1.49*24+1.52*26+1.46*27.5+1.42*29+1.42*74.5+1.4*81.5）*98/（24+26+27.5+29+74.5+81.5）*98=（376.5*98）kg /（262.5*98）m3=1.43 kg/m3。雷管单耗=（0.964*24+0.95*26+0.95*27.5+0.93*29+0.93*74.5+0.91*81.5）*98/（24+26+27.5+29+74.5+81.5）*98=（244.381*98）发/（262.5*98）m3=0.931发/m3 。斜眼掏槽：炸药、雷管单耗：从（表四）收集数据可得：炸药单耗=（1.04*170*88+1.06*174*98