隧道爆破设计

第二节隧道爆破施工技术一、爆破对固体介质的破坏作用

(一)无限介质中的爆破作用如图7-6-1所示。1.压缩粉碎区2.抛掷区3.破坏区4.震动区R3R4R2R1图7-6-1(二)临空面与爆破漏斗

临空面又叫自由面，是指暴露在大气中的开挖面。爆破漏斗，如图7-6-2所示。爆破漏斗有以下几何要素组成：药包中心到自由面最短距离，称为最下抵抗线(W)；最下抵抗线与自由面交点到爆破漏斗边沿的距离，叫爆破漏斗半径(r)；药包中心到爆破漏斗边沿的距离叫破裂半径(R)；可见漏斗深度(P)；压缩圈半径(R1)等。爆破漏斗半径r与最小抵抗线W的比值n(n＝r/w)，称为爆破作用指数n＝1的爆破称为标准抛掷爆破，n>1的爆破称为加强抛掷爆破或扬弃爆破；0.75<n<1的爆破称为加强松动或减弱抛掷爆破；n≤0.75的爆破称为松动爆破。

r=nWWPRR1图7-6-2(三)柱状药包爆破特点简称柱状药包。有炸药爆炸特性所确定，球形药包爆炸应力波的传播方向，是以药包中心为圆心成球面状向四周传播。二、爆破材料

1.炸药的性能炸药的主要性能如下：(1)敏感度。①热敏感度。见表7-6-1。

炸药名称爆发点(℃)炸药名称炸药名称爆发点(℃)炸药名称炸药名称爆发点(℃)EL系列乳化炸药330梯恩梯290~2952号岩石硝铵炸药186~230硝化甘油2002号煤矿硝铵炸药180~188黑索金230黑火药290~390特屈儿195~200

②火焰感度③机械感度见表7-6-2。④爆轰感度炸药名称EL系列乳化炸药2号岩石硝铵炸药硝化甘油黑索金特屈儿黑火药梯恩梯撞击感度(%)≤82010070~7550~60504~8摩擦感度(%)0

9024

0表7-6-2几种炸药的撞击、摩擦感度(2)爆速几种炸药的爆速见表7-6-3。炸药名称铵梯炸药硝化甘油梯恩梯特屈儿黑索金太安密度(g/cm3)1.401.601.601.591.761.72爆速(m/s)520074506850733486608083表7-6-3几种炸药的爆速(3)爆力(威力)炸药名称2号铵梯岩石炸药硝化甘油梯恩梯特屈儿黑索金太安密度(g/cm3)0.1~1.11.601.501.601.70

爆力(cm3)320600285300600580表7-6-4几种炸药的爆力(4)猛度

见表7-6-5。

炸药名称2号铵梯岩石炸药EL系列乳化炸药RJ系列乳化炸药硝化甘油梯恩梯特屈儿黑索金太安密度(g/cm3)0.1~1.1

1.601.501.601.70

爆力(cm3)320

600285300600580表7-6-5几种炸药的猛度值(5)爆炸稳定性和临界直径、最佳密度、管道效应爆炸稳定性是指炸药经起爆后，能否连续、完全爆炸的能力。①临界直径“临界直径”是在柱状装药时被动药卷能发生殉爆的最小直径φmin。②最佳密度③管道效应(6)殉爆距离(7)安定性2.隧道工程常用的炸药(1)铵梯炸药(2)浆状(水胶)炸药(3)乳化炸药(4)硝化甘油炸药又称胶质炸药

3.起爆材料(系统)(1)导火索与火雷管①导火索是用来传递火焰给火雷管

②火雷管是最简单的一种雷管，见图7-6-3。

123451-管壳；2-加强帽；3-正起爆药；4-副起爆药；5-聚能穴图7-6-3火雷管(2)电雷管①雷管可分为即发电雷管和迟发电雷管。即发电雷管见图7-6-4，图7-6-5

②迟发电雷管按其延期时间差可分为秒迟发和毫秒迟发系列。

1234图7-6-5迟发电雷管1-塑料塞；2-延期药；3-延期内管；4-加强帽；图7-6-4即发电雷管123456789101-脚线；2-管壳；3-密封塞；4-纸垫；5-桥丝；6-引火头；7-加强帽；8-DDNP；9-正起爆药；10-副起爆药(a)(b)(b)引火头式(a)直插式表7-6-7秒迟发电雷管的延期时间段别1234567延期时间(s)＜0.11.0+0.52.0+0.63.1+0.74.3+0.85.6+0.97.0+1.0脚线颜色灰蓝灰白灰红灰绿灰黄黑蓝黑白

③发爆电源可用交、直流照明或动力电源，也可以用各种类型的专用电起爆器。(3)塑料导爆管与非电雷管①塑料导爆管的传爆原理及优点：塑料导爆管是用来传递微弱爆轰给非电雷管，使之爆炸的传爆材料②非电雷管的构造及延期时间系列：见图7-6-6。③导爆管的发爆及连接网络：图7-6-7、图7-6-81-塑料导爆管；2-消爆空腔；3-延期药；4-正起爆药；5-金属管壳；6-塑料联接套；7-空信帽；8-加强帽；9-副起爆药；123456789图7-6-6迟发非电雷管77777772555555591111333火雷管导火索（炮眼旁数字为毫秒雷管段别）图7-6-7导爆管－非电雷管起爆网络之一12345图7-6-8导爆管－非电雷管起爆网络之二1-导爆索；2-8号雷管及胶布；3-导爆管；4-连接块；5-炮眼123456789101112传爆方向1-导爆索；2-副起爆药；3-加强帽；4-缓冲剂；5-大内管；6-消爆管；7-导爆索；8-雷管壳；9-正起爆药；10-纸垫；11-外套管；12-连接管图7-6-9导爆索与继爆管三、隧道爆破设计(一)炮眼的种类和作用

1.掏槽眼如图7-6-10中的1号炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创造新的临空面。2.辅助眼如图7-6-10中的2号炮眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，为周边眼爆破创造临空面。3.周边眼如图7-6-10中的3号、4号、5号炮眼，其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。爆破的关键是掏槽眼和周边眼的爆破。1-掏槽眼；2-辅助眼；3-帮眼；4-顶眼；5-底眼bBα444443333222255555111111aa图7-6-10炮眼种类(二)掏槽形式和参数1.斜眼掏槽斜眼掏槽的特点是掏槽眼与开挖断面斜交

垂直楔形掏槽。图7-6-10锥形掏槽图7-6-11所示为四角锥形掏槽其有关参数见表7-6-10。围岩类别α斜度比a(cm)b(cm)炮眼数量(个)Ⅳ类及以上70º~80º1:0.27~1:0.1870~80304III类75º~80º1:0.27~1:0.1860~70304~6II类70º~75º1:0.37~1:0.2750~60256I类55º~70º1:0.47~1:0.3730~50206表7-6-9垂直楔形掏槽爆破参数图7-6-11四角锥形掏槽a围岩级别αa/cm炮眼数量/个II级及以下70º1003Ⅳ级68º904Ⅳ级65º805Ⅵ级60º706表7-6-10锥形掏槽爆破参数2.直眼掏槽直眼掏槽由若干个垂直于开挖面的炮眼所组成，掏槽深度不受围岩软硬和开挖断面大小的限制，可以实现多台钻机同时作业、深眼爆破和钻眼机械化，从而为提高掘进速度提供了有利条件。(1)直眼掏槽形式①柱状掏槽(图7-6-12)。②螺旋形掏槽图7-6-12柱状掏槽装药孔临空孔图7-6-13螺旋形掏槽abcd1234(2)影响直眼掏槽效果的因素①眼距②空眼③装药④辅助抛掷⑤钻眼质量3.混合掏槽(1)复式掏槽如图7-6-14所示。

图7-6-14三级复式楔形掏槽35040023016072.50700680903030701303129030307013025040023016068o63o55o(a)(b)(2)升级掏槽如图7-6-15所示。图7-6-15升级掏槽012345665432100123456450(3)分段掏槽图7-6-16图7-6-17图7-6-16直眼二次掏槽4,54,56,76,713317766偶合装药炮泥图7-6-17混合掏槽10~20cmHH(a)角锥与直眼10~20cmH(b)楔形与直眼(三)隧道爆破的参数设计1.炮眼直径炮眼直径对凿岩生产率、炮眼数目、单位耗药量和洞壁的平整程度均有影响。一般隧道的炮眼直径在32～50mm之间，药卷与眼壁之间的间隙一般为炮眼直径的10％～15％。2.炮眼数量炮眼数量主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关，炮眼的多少直接影响凿岩工作量。

(7-6-1)式中N——炮眼数量，不包括未装药的空眼数；q——单位炸药消耗量，一般取q=1.1~2.9kg/m3，见表7-6-11；S——开挖断面积，m2；α——装药系数，即装药长度与炮眼全长的比值，可参考表7-6-12；γ——每米药卷的炸药质量，kg/m，2号岩石铵梯炸药的每m质量见表7-6-13。炮眼数量常用的经验数值可参考表7-6-14。工程项目炸药类型岩石级别特坚石Ⅰ坚石Ⅱ~Ⅲ次坚石Ⅲ~Ⅳ软石Ⅴ导坑4~6m2硝铵炸药2.92.31.81.562％胶质炸药2.11.71.81.17~9m2硝铵炸药2.52.01.61.362％胶质炸药2.01.61.251.110~12m2硝铵炸药2.251.81.51.262％胶质炸药1.71.351.10.9扩大炮眼硝铵炸药1.100.850.70.6周边炮眼0.900.750.650.55底部炮眼1.41.21.11.0半断面(多台阶)拱部硝铵炸药1.0~1.1底部0.5~0.6全断面硝铵炸药1.4~1.6表7-6-11爆破1m3岩石用药量炮眼名称围岩级别II、IIIⅣⅤⅥ掏槽眼0.50.550.600.65—0.80辅助眼0.40.450.500.55—0.70周边眼0.40.450.550.60—0.75表7-6-12装药系数α值药卷直径/mm32353840444550γ/(kg/m)0.780.961.101.251.521.591.90表7-6-132号岩石铵梯炸药每米质量y值围岩级别开挖面积4~67~910~1213~1540~43软岩(Ⅵ、Ⅴ)10~1315~1517~1920~24

次坚岩(III、Ⅵ、)11~1616~2018~2523~30

坚岩(II、III)12~1817~2421~3027~3575~90特坚岩(I)18~2528~3337~4238~4380~100表7-6-14炮眼数量参考值

3.炮眼深度

炮眼深度是指炮眼底至开挖面的垂直距离。炮眼深度一般根据下列因素确定：(1)围岩的稳定性，避免过大的超欠挖；(2)凿岩机的允许钻眼长度、操作技术条件和钻眼技术水平；(3)掘进循环安排，保证充分利用作业时间。一般最大炮眼深度取断面宽度(或高度)的0.5~0.7倍，即L=(0.5~0.7)B。当围岩条件好时，采用较小值。另一种方法是利用每一掘进循环的进尺数及实际的炮眼利用率来确定，即(7-6-2)

第三种方法是按每一掘进循环中所占时间确定，即(7-6-3)

4.装药量的计算及分配炮眼装药量的多少是影响爆破效果的重要因素。计算总用药量Q的公式为

Q＝qV(7-6-4)

(四)炮眼的布置炮眼一般按下述原则布置：1.先布置掏槽眼，其次是周边眼，最后是辅助眼。2.周边眼应严格按照设计位置布置。3.辅助眼的布置主要是解决炮眼间距和最小抵抗线的问题4.当炮眼的深度超过2.5m时，靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角。5.当岩层层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面。可以有以下几种布置方式：1.直线形布眼如图7-6-18(a)、(b)所示2.多边形布眼如图7-6-18(c)所示。3.弧形布眼如图7-6-18(d)所示4.圆形布孔。(a)(b)(c)(d)图7-6-18隧道炮眼布置方式二、周边眼的控制爆破1.隧道光面爆破的特点与标准光面爆破是通过正确确定爆破参数和施工方法，在设计断面内的岩体爆破崩落后才爆周边孔，使爆破后的围岩断面轮廓整齐，最大限度地减轻爆破对围岩的扰动和破坏，尽可能地保持原岩的完整性和稳定性的爆破技术。其主要标准为：开挖轮廓成形规则，岩面平整；围岩壁上保存有50％以上的半面炮眼痕迹，无明显的爆破裂缝；超欠挖符合规定要求，围岩壁上无危石等。2.隧道光面爆破的主要参数(1)周边炮眼间距E。如图7-6-19所示，即(7-6-5)一般取Ki=10～18，即E=(10～18)d；当炮眼直径为32～40mm时，E=320～700mm。图7-6-19光面爆破参数示意EEEWF

(2)光面层厚度及炮眼密集系数。所谓光面层就是周边眼与最外层辅助眼之间的一圈岩石层。其厚度就是周边眼的最小抵抗线W(图7-6-19)。周边眼的间距E与光面层厚度W有着密切关系(3)装药量。周边眼的装药量通常以线装药密度表示。在光面层单独爆落时，周边眼的线装药密度一般为0.15~0.25kg/m，全断面一次起爆时，为减少残眼，装药密度需适当增加，一般可达0.30~0.35kg/m。3.隧道光面爆破的技术措施(1)使用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威力大的炸药。(2)采用不偶合装药结构。(3)严格掌握与周边眼相邻的内圈炮眼的爆破效果，为周边眼爆破创造临空面。(4)严格控制装药集中度，必要时可采取间隔装药结构。装药集中度(kg/m)岩石类别炮眼间距E(cm)抵抗线W(cm)密集系数K=E/W0.30~0.35硬岩55~7060~800.7~1.00.20~0.30中硬岩45~6560~800.7~1.00.07~0.12软岩35~5040~600.5~0.8表7-6-15光面爆破一般参考数值（二）隧道预裂爆破预裂爆破是由于首先起爆周边眼，在其他炮眼未爆破之前先沿着开挖轮廓线预裂爆破出一条用以反射爆破地震应力波的裂缝而得名。岩石类别炮眼间距E/cm至内排崩落眼间距cm装药集中度(kg·m-1)硬岩40~50400.30~0.40中硬岩40~45400.2~0.25软岩35~40350.07~0.12表7-6-16预裂爆破参数

四、钻爆施工(一)钻眼(二)装药

隧道爆破中常采用的装药结构有连续装药、间隔装药及不偶合装药等，如图7-6-20。

不偶合装药；(b)间隔装药；(c)反向起爆装药；(d)正向起爆药。1－引线；2－炮泥；3－雷管；4－药卷；5－小直径药卷。11112354234234234(a)(b)(c)(d)图7-8-20装药结构(三)堵塞及起爆(四)起爆顺序及时差(1)除预裂爆破的周边眼是最先起爆外，在一个开挖断面上，起爆顺序是由内向外逐层起爆。这个起爆顺序可以用迟发雷管的不同延期时间(段别)来实现。(2)试验和研究表明，各层(卷)炮之间的起爆时差越小，则爆破效果越好。常采用的时差为40～200ms，称为微差爆破。(3)内圈炮眼先起爆，外圈炮眼后起爆，这个顺序不能颠倒，否则爆破效果大受影响，甚至完全失败。(4)同圈眼必须同时起爆，尤其是掏槽眼和周边眼，以保证同圈眼的共同作用效果。(5)延期时间可以由孔内控制或孔外控制。(五)盲炮的预防和处理1．盲炮产生的原因(1)火雷管拒爆产生盲炮(2)电力起爆产生盲炮(3)导爆索起爆产生盲炮(4)导爆管起爆系统拒爆产生盲炮2．盲炮的预防(1)破器材要妥善保管，严格检查，禁止使用技术性能不符合要求的爆破器材；(2)同一串联支路上使用的电雷管，其电阻差不应大于0.8Ω，重要工程不超过0.3Ω；(3)不同燃速的导火索应分批使用；(4)提高爆破设计质量。设计内容包括炮孔布置、起爆方式、延期时间、网路敷设、起爆电流、网路检查等。对于重要爆破，必要时须进行网路模拟试验；(5)改善爆破操作技术，保证施工质量。(6)在有水的工作面或水下爆破时，应采取可靠的防水措施，避免爆破器材受潮。3．盲炮的处理(1)浅眼爆破盲炮处理：①经检查确认炮孔的起爆线路完好时，可重新起爆；②打平行眼装药爆破。③用木制、竹制或其他不发生火星的材料制成的工具，轻轻地将炮眼内大部分填塞物掏出，用聚能药包诱爆；④在安全距离外用远距离操纵的风水管吹出盲炮填塞物及炸药，但必须采取措施，回收雷管；⑤盲炮应在当班处理。(2)深孔爆破盲炮处理①爆破网路未受破坏且最小抵抗线无变化者，可重新连线起爆；最小抵抗线有变化者，应验算安全距离，并加大警戒范围后连线起爆；②在距盲炮口不小于10倍炮孔直径处另打平行孔装药起爆。爆破参数由爆破工作领导人确定；③所用炸药为非抗水硝铵类炸药且孔壁完好者，可取出部分填塞物，向孔内灌水使之失效，然后进一步处理。(六)超欠挖问题1.隧道允许超欠挖值隧道的允许超欠挖值应符合表7-6-17的规定。表7-6-17

隧道允许超欠挖值

开挖部位围岩级别ⅠⅡ~ⅣⅤ~Ⅵ拱部平均10平均15平均10最大20最大25最大15边墙、仰拱、隧底平均10平均10平均102.超欠挖的原因(1)地质条件：(2)钻孔设备(3)炸药品种及装药结构(4)爆破设计不当(5)施工操作3.防止或减少超欠挖的措施

(1)优化每循环进尺，尽可能将钻孔深度设计在4m以内。(2)选择与岩石声阻抗相匹配的炸药品种。(3)利用空孔导向，或在有条件时采用异型钻头钻凿有翼形缺口的炮孔。(4)利用装药不偶合系数或相应的间隔装药方式。(5)提高施工人员素质，加强岗位责任制。(七)隧道爆破质量检验标准一般采用表7-6-18所示的质量检验标准岩性软弱中硬硬围岩扰动深度(m)10．80．5平均线性超挖(cm)151510最大线性超挖(cm)252520两炮衔接台阶最大尺寸(cm)151515局部欠挖(cm)555炮眼残痕率≥50％≥70％≥80％炮眼利用率100％95％90％岩壁爆后围岩稳定，无剥落现象石渣块度大块一般不宜超过300n，大型装渣机允许50~60cm，最大为1000n，渣堆集中，最大抛距20m，双线隧道深眼爆破时为30m某隧道为石灰岩，无地下水，属Ⅳ级围岩，隧道为矩形断面，其尺寸为4.2m×3.0m，月掘进计划为130m，每月施工28d，采用四班四循环作业，炮眼利用率为0.9，采用2号岩石铵梯炸药，药卷直径φ32mm。钻爆设计如下：1.根据隧道的地质情况决定采用垂直楔形掏槽。2.计算导坑炮眼数N：式中，开挖面积S：4.2×3=12.6m2；单位耗药量q=1.4kg/m3(根据开挖面面积及围岩级别查表7-6-3)；α=0.8(查表7-6-4并根据工程实践经验)；γ=0.78(根据药卷直径φ32mm表7-6-5)。则N=1.4×12.6/0.8×0.78=28个3.根据采用的垂直楔形掏槽及Ⅳ级围岩由《铁路工程施工技术手册·隧道》中查得：掏槽炮眼与开挖面间的夹角=70°，上、下两对炮眼间的距离a=50cm，同一平面上两炮眼眼底的距离b=20cm，掏槽炮眼为6个。五、隧道爆破设计实例4.计算每一循环炮眼深度：l=130/(28×4×0.9)=1.29m≈1.30m每一循环进尺为1.3m×0.9=1.17m。故掏槽眼及底眼深度l掏、底=1.3m+0.10m=1.4m。辅助眼、帮眼、顶眼深度l辅、帮、顶=1.3m。5.计算各种炮眼的长度L及同一平面上两掏槽炮眼眼口间的距离B(图7-6-21)：图7-6-21炮眼示意图（单位：m）0.151.301.41b=0.2Bccb7001.490.151.30掏槽炮眼长度：同一平面上两掏槽炮眼眼口的距离B(图7-6-22)为辅助炮眼长度l辅：因辅助炮眼垂直于开挖面，故l辅=l辅=1.3m。为钻眼方便