复杂环境下隧道爆破参数优化设计

复杂环境下隧道爆破参数优化设计

敖小伟

珠海华源爆破工程有限公司广东珠海519000

摘要：在复杂环境下，隧道的爆破施工将会对隧道围岩、覆盖岩层及周围设施造成不同程度的损伤破坏，导致灾难性的事故发生。鉴于此，本文结合具体工程，依据其地层特性，对原爆破方案进行优化设计，综合考虑现场情况，合理设计出该段的爆破方案及装药参数。采用掏槽式光面爆破技术，在爆破施工中采用低密度、低爆速乳化炸药可有效地减少爆破对围岩的损伤和超挖量，同时降低工程成本。

关键词：隧道爆破；钻爆方案；参数优化；爆破网路；效果

近年来，随着国民经济的飞速发展，交通建设的规模也日益扩大。尤其是许多城市地铁的建设，都有许多隧道等地下工程。在进行隧道工程施工的时候，为了不对隧道围岩，特别是地表建筑造成破坏或是较大的扰动，就需要采用合理的爆破方案。现有的隧道开挖方法有钻爆法和盾构法，钻爆法对地质条件适应性较强且成本低，既适宜坚硬岩石隧道也适宜破碎岩体隧道，是隧道开挖最常用的施工方法。本文就对复杂环境下隧道爆破参数优化设计进行研究分析，可为有关方面提供技术指导。

1工程概况

某隧道工程地处环境恶劣，对施工效率影响非常大。隧道穿过多个断层破碎带，围岩稳定性差，施工风险高，爆破参数选取难度大，确保不良地质地段的快速安全施工属于本标段施工的难点。

2施工方法简介

根据现场围岩情况，本标段施工为Ⅴ级围岩加强段，采用三台阶预留核心土开挖法施工，开挖配备YT28风钻钻孔，开挖前进行掌子面开挖轮廓线的放样。首先进行上部预留核心土开挖→初期支护施工→中部左右侧错开2～3m开挖→边墙支护→下部左右侧错开2～3m开挖→边墙支护。

开挖时喷－锚－网－钢－喷支护紧跟。采用小型挖掘机配合重型自卸汽车出渣。具体开挖尺寸见图1。

图1V级围岩加强段爆破开挖断面设计图（单位：cm）

3原钻爆方案

原方案沿用传统式保守设计，炸药用量大，单耗量高，超挖不能合理的控制，增加了单循环时间，爆破设计孔位分布如图1所示。

原设计方案将核心土部位作为掏槽眼，不能合理的利用临空面，使用强迫掏槽，层层推进，对围岩损伤极大，超挖量大。其爆破参数，仅设计单循环炸药量达224.4kg，具体数据如表1所示。

该方案周边眼装药结构采用连续装药加炮泥的形式，单孔装药1.2kg，装药结构如图2。

图2隧道爆破周边眼装药结构

周边眼的装药方式直接决定了装药量和围岩损伤程度，其连线采用一把抓起爆网路连线方式，孔内采用非电毫秒雷管起爆，孔外采用非电毫秒雷管传爆。由于该种连线方式不能双向传导，往往造成哑炮，徒增补炮时间和火工品的用量，为保证施工进度，控制超挖量，需要对原有钻爆施工方案进行优化。

4隧道爆破参数优化设计

4.1钻爆施工要求

根据现场地质条件，合理设计爆破参数，使得开挖进尺控制在2榀拱架间距范围内。超挖量控制在10cm以内。合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上。选用低密度、低爆速、低猛度的炸药，本隧道采用2号岩石乳化炸药，非电毫秒雷管起爆，其主要性能指标如表2。

（1）钻爆参数的选择

通过爆破试验确定爆破参数，试验时参照表3。

（2）装药结构及堵塞方式

周边眼装药结构：用φ32药卷不耦合间隔装药，其中导向作用的眼不装药。

掏槽眼：仅中心较深炮孔底部装药1节，上下两孔不装药。

其他眼：均采用连续装药结构，距离孔口50～60cm为宜。

所有装药炮眼用炮泥或软纸团堵塞，周边眼堵塞长度不小于25cm。

4.2爆破参数设计

该隧道采用三台阶七步法开挖方案，全断面单延米开挖体积约85.94m3，其中周边眼为不耦合间隔装药，装药满度系数为15%，其他眼装药满度系数为75%～80%。其中上台阶与中台阶、中台阶与下台阶两侧连接处各设置1导向作用的孔，上台阶左中右掏槽眼各设置两个导向孔，作为最初临空面。

4.2.1周边眼的设计

（1）确定装药不耦合系数B，并计算炸药的直径

按照施工经验，确定装药不耦合系数为1.3。

采用钻头直径42mm的风动气推式凿岩机，钻孔直径42mm，计算出炸药直径为

dt=dk/B=42&pide;1.3≈32mm

式中：dt为炸药直径，mm；dk为钻孔直径；B为不耦合系数。

（2）确定周边眼间距E和最小抵抗线W

取千枚岩坚固系数为2，板岩坚固系数为6，该隧道开挖面总体为板岩夹千枚岩或者千枚岩夹板岩，取坚固系数4～6，从表4中可以取岩石破坏屈服系数为0.56。

注：f是岩石极限抗压强度的1/10

周边眼间距根据施工经验采用不耦合装药方式，取E=50cm。最小抵抗线W=1.25E=62.5cm。

（3）确定周边眼的装药量

周边眼的单孔装药量，采用不耦合装药方式，根据实际经验采用一节半炸药三段间隔装填，取装药集中系数为0.15kg/m，周边眼单孔装药量为qz=ηL（Ql/l）=0.15×2×（0.2&pide;0.2）=0.3kg。

式中：Ql为单个药卷的重量，kg；l为单个药卷的长度，m。

（4）周边眼的数量

N=+1=2400&pide;50+1=49个，去掉周边四个导向空孔为4个，周边眼装药总量为49×0.3=14.7kg。

4.2.2其他炮眼

计算总装药量

Q=q?v

式中：q为单位体积岩体的耗药量，根据经验取值为0.7kg/m3；v为单个循环开挖的体积，v=q0?l，q0为单延米开挖体积，q0=85.94m3；L为单循环开挖进尺，L=2m。总装药Q=q?v=0.7×85.94×2=120.3kg

计算除周边眼外其他炮眼的平均装药量

Q0=Lα（Ql/l）

式中：L为循环开挖长度，L=2m；Ql为单个药卷的重量，kg；l为单个药卷的长度，Ql/l为炸药的线密度；α为除周边眼外平均装药系数，根据工程实际取经验值0.7。

Q0=Lα（Ql/l）=2×0.7×（0.2&pide;0.2）=1.4kg

其他炮眼的数量

N2=

式中：N2为其他炮眼的数目；Q为设计总装药量，kg；Qz为周边眼装药量，kg；Q0为其他炮眼的平均装药量，kg。

N2=（120.3－14.7）&pide;1.4≈75（个）

与实际情况相符合。

4.2.3上台阶掏槽眼的设计

在上台阶的开挖过程中本着充分合理利用毫秒差爆破形成的临空面对隧道进行爆破掘进。此外掏槽眼设置在距离上台阶核心土的上、左、右方10cm处，在设计中三个掏槽眼中存在一个较深的孔，其目的是把掏槽眼1段的爆破碎石送出槽外，为下一级爆破提供新的临空面，为保证爆破效果，保证不补炮，同时使得预留核心土可以比较易于清理，在适当位置增加辅助眼。炮眼布置分布及段别设计图如3所示。

图3上台阶爆破炮眼布置分布及段别设计图

4.2.4上台阶底板眼的设计

计算底板眼的装药量，按照工程经验取装药系数0.76。

q=βL（Ql/l）=0.76×2×1=1.18kg

单孔需要炸药卷数n=1.52&pide;0.2=7.6≈8（卷）

根据实际情况取底板眼间距如图所示均匀布置。

4.2.5上台阶辅助眼的设置

辅助眼的爆破时间在掏槽眼之后，其目的是为了进一步扩大掏槽眼为之后的爆破充分制造临空面，从而保证爆破的效果。其布置原则为整体性较好的硬岩布眼宜密，而破碎、节理发育的岩层布眼宜疏。

4.2.6中下台阶炮眼的设计

中下台阶炮眼设计原则为在合理利用临空面的基础上，逐级确定爆破顺序，根据现场三台阶实际开挖情况，适当采用小角度倾斜孔，孔位布置如图4所示。

图4中下台阶孔位布置图（单位：cm）

5爆破网路

起爆方式采用1～13段非电毫秒延时雷管，利用圈（排）间的毫秒差延时起爆，上台阶起爆顺序由里（掏槽眼部位）向外（周边眼）逐圈进行起爆，中下台阶起爆顺序由靠近临空面到周边眼逐渐延伸进行起爆。周边眼用伸出孔外大于空间距20cm的导爆管以“T”型方式双向顺次绑扎连接牢固，连接点在各孔口处；其余炮孔均采用孔内延时起爆，每个炮孔内装一个导爆管雷管，采用“捆联”的方式连接整个起爆网络，每捆导爆管控制在15～20根内，而每捆导爆管再用2发1段非电导爆管反向搭接，最后再用“捆连”方式进行连接进行起爆，孔口堵塞炮泥后，用电火花起爆器来引爆非电导爆管从而起爆雷管直至整个网络如图5。

图5爆破网路图

6爆破效果

爆破效果良好，半孔率达80%以上，无哑炮，超挖量从平均30cm以上降低到10cm以内。大大提高了爆破质量和施工进度。下图为采用此爆破方法后的情况，如图6。

图6爆破效果图

7结论

综上所述，爆破方案的合理设计是隧道建设安全质量、成本控制的关键工艺。本文以某隧道爆破为例，对其爆破参数的优化设计。经实践表明在V级围岩爆破施工中采用低密度、低爆速乳化炸药可有效地减少爆破对围岩的损伤和超挖量，其爆破效果良好，大大提高了爆破质量和施工进度。该优化设计方案不仅通过现场试验及实时调整爆破参数可有效控制超挖量，有效节省了喷浆时间和喷浆量；使用导爆索引爆雷管，采用顺接搭接和“T”型打结的方式，降低甚至消除了哑炮；采用导爆索集中反接方式，消除了导线不引燃的现象；还对爆破方式及孔位的优化减少了钻孔数量，节省了打钻的时间，同时减少围岩损伤，光面爆破效果好，围岩相对较稳定，掉块现象明显减轻；以及对掏槽眼的设计进行优化，能合理利用临空面，达到最大限度的爆破岩层，增大了炸药压力的利用率。

参考文献：

[1]郝文广.水平岩层特长隧道的爆破参数优化与超欠挖控制[J].铁道建筑技术.2013

[2]黄志强，吴立，邢心魁.复杂地质条件下大跨度隧道洞口爆破优化设计[J].爆破.2014

[3]王梅梅，王延璞.国内某隧道爆破方案优化设计[J].山西建筑.2012