浅谈公路隧道定向断爆光面爆破技术

浅谈公路隧道定向断爆光面爆破技术

万冬冬

中铁上海工程局集团第七工程有限公司

摘 要：研发了切缝PVC管的定位装置，并通过现场试验验证了切缝PVC管的爆破效果，利用导爆索起爆周边眼炸药，利用长短周边眼等施工工艺和工法进一步提高光面爆破效果，实践证明效果较理想。有效保证了隧道光面爆破效果，保证了隧道初支结构平整度，节省了初喷混凝土消耗量，提高了功效，节省成本。

关键词：高度公路隧道 定向断爆 设备研发

引言

长期以来高速公路隧道工程，尤其是石质隧道爆破控制效果差，导致初期支护及二衬混凝土超耗严重，极大的增加了隧道工程施工成本及施工风险，本论文通过分析了隧道及地下工程光面爆破技术,提出了隧道及地下工程光面爆破技术存在的问题,对隧道及地下工程光面爆破技术的发展趋势进行了探讨,阐述公路隧道定向断爆设备与光面爆破施工方法，主要从理论上阐述了定向断爆的破岩机理，以及定向断爆对隧道光面爆破的效果的影响因素，进一步通过数值模拟确定了定向断爆PVC管的尺寸如壁厚、开口距离等因素，研发了切缝PVC管的定位装置，并通过现场试验验证了切缝PVC管的爆破效果。

1 定向断爆设备研发与光面爆破技术基于原理

基于定向爆破的原理，针对具体施工工艺也进行了研究和优化，主要包括周边眼利用竹片间隔装药提高装药均匀性，利用导爆索起爆周边眼炸药，利用长短周边眼等施工工艺和工法进一步提高光面爆破效果，实践证明效果较理想。

2 项目概况

本项目依托工程为旬邑至凤翔公路工程第TJ-6标段杏林塬隧道。杏林塬隧道左线：ZK305+930～ZK307+260,长1330m；右线：K305+948～K307+260，长1312m。其中Ⅲ级围岩共700米，地层岩性主要以砂岩和砾岩为主，设计时速100km/h,双向四车道高速公路隧道。在隧道爆破施工过程中，由于预留变形量过大和爆破超挖的原因，导致混凝土的用量超耗量在1倍以上。

2.1 地质情况

2 2

（2）22 强风化砂岩（T）：强风化，灰白色，碎裂状、碎裂状结构，岩芯呈碎块状、碎片状。RQD<25%。

(3) 中风化砂岩（T）：中风化，青灰色，碎裂状、碎裂状结构，岩芯呈短柱状，10-20cm，RQD=70%。

(4) 微风化砂岩（T）：微风化，青灰色，坚硬，裂隙块状结构，岩芯呈多长柱状，最长 58cm， RQD=90%。

(5)中风化泥岩（P）：中风化，紫红色、灰白色，中厚层，中风化后成块状，较软弱，砂粒以

(6)中风化砾岩（P）：中风化，褐红色、坚硬但胶结差，骨架由砾石、卵石和漂石组成，成分主要为石英砂岩、石英岩、灰岩和花岗岩，泥质胶结，胶结弱，厚层，层间夹有砂岩。

2 2

(8)强风化砂岩（T）：强风化，灰白色，碎裂状、碎裂状结构，岩芯呈碎块状、碎片状。RQD<25%。

(9)中风化砂岩（T）：中风化，青灰色，碎裂状、碎裂状结构，岩芯呈短柱状，10-20cm，RQD=70%。

(10)微风化砂岩（T）：微风化，青灰色，坚硬，裂隙块状结构，岩芯呈多长柱状，最长 58cm， RQD=90%。

(11)中风化泥岩（P）：中风化，紫红色、灰白色，中厚层，中风化后成块状，较软弱，砂粒以

(12)中风化砾岩（P）：中风化，褐红色、坚硬但胶结差，骨架由砾石、卵石和漂石组成，成分主要为石英砂岩、石英岩、灰岩和花岗岩，泥质胶结，胶结弱，厚层，层间夹有砂岩。

3 理论分析

（1）基于PVC切缝管的控制爆破技术

A）切缝爆破的理论基础

B）PVC切缝管

C）基于PVC切缝管的爆破试验研究

（2）基于新型聚能管的控制爆破技术

A）基于数模模拟的聚能管的尺寸优化

B）新型聚能管的研发

C）基于新型聚能管的爆破试验研究

（3）基于周边眼装药优化结构研究

A）使用竹片间隔装药结构优化研究

B）周边眼“长短眼”钻孔装药爆破技术

C）掏槽眼减震爆破技术研究

4 定向断爆方法优势

（1）降低施工成本的需要

如不实施定向断爆，初喷及二次衬砌亏方严重。以杏林塬隧道为例，有钢架地段初喷混凝土，超耗约为设计的125%；无钢架地段，初喷混凝土超耗约为设计的70%，二衬混凝土超耗约设计的51%，超耗的主要原因是超挖所致，浪费严重，降低了工效。超挖都要用同级初支或二衬材料回填，浪费巨大且质量得不到保证。控制隧道超挖最好的手段就是做好爆破设计、提高光面爆破效果、提高炮眼保痕率。通过提高光爆质量，线性超挖由原来的18.5~22.1cm降到目前的8.9~9.5cm（当然还有降低线性超挖的空间），隧道平均每延米减少支出1773元（已扣除因提高光面爆破质量所增加的炮眼、火工品以及工时等费用），其中：Ⅱ级围岩每延米减少1815.6元；Ⅲ级围岩每延米减少1714.8元；Ⅳ级围岩每延米减少2175.9元。推广光爆节约投资、增加效益将十分可观。

（2）增加作业人员收入的需要

在光面爆破得到持续保持后，加上质量安全班组长责任制的奖罚制度，作业班组也享受到了应有的奖励，作业人员的收入明显提高，有些班组平均每月每人增加2477元。

3. 确保隧道施工质量安全的需要

因开挖不平整，超欠挖严重，对围岩过多扰动，带来的是质量安全隐患，后续铺设的防水无法密贴，甚至出现空洞，处理难度大，留下了质量安全隐患。特别是由于超挖造成的大量混凝土回填，又增加了台车的承受能力，形成安全风险源。

（4）提高隧道施工功效的需要

尽管钻爆时间每循环增加了约半个小时，但光爆质量提高后缩短了找顶排险时间，缩短了初喷混凝土时间，减少二衬混凝土灌注时间等，防水板、排水板的铺设更加方便，总体上功效是提高的。

5 拟采取的方法研究

（1）于PVC切缝管的控制爆破技术

将Φ30PVC管（图5-2-1）沿切缝面即中间切成两半（图5-2-2），切开后的两片管片中间包裹着Φ32炸药，安装好的效果截面如图5-2-3所示，接着用胶带在三处缠紧，三处位置分别为两端和中间，从而来实现聚能切缝的效果。注意：切缝口沿着轮廓面方向。

图5-1-1 PVC管切缝面示意图

图5-1-2 切后的PVC管片示意图

图5-1-3 装药后截面示意图

（2）基于新型聚能管的控制爆破技术

隧道断面的所有周边眼采用聚能管，聚能管组合后的效果如图5-2-1所示，其中聚能管的连接件、底部封盖和顶部封盖如图5-2-2、5-2-3和5-2-4所示。单孔的装药量为3.5节炸药，将其中两节炸药从中间分开，采用间隔装药方式，炮孔的最底端放一节炸药，并在最底端的一节炸药的底部装入雷管，随后将半节炸药间隔开来，间隔距离15cm，放5半节，按这样的顺序放入聚能管管片内，然后把这些炸药用导爆索连接起来，随后封盖。用木棍将聚能管送到炮孔最底端，放入炮孔后的效果如图5-2-5所示。

图5-2-1 聚能管组合示意图

图5-2-2 聚能管连接件示意图

图5-2-3 聚能管底部封盖示意图

图5-2-4 聚能管顶部封盖示意图

其中：1-管片；2-连接件；3-第一支撑段；4-第一连接段；5-第一限位段；6-底部封盖；7-第一圆板；8-第二限位段；9-第一通孔；10-顶部封盖；11-第二圆板；12-第二支撑段；13-第二连接段；14-第三限位段；15-第二通孔。

图5-2-5 周边眼装药剖面图

（3）基于周边眼装药优化结构研究

隧道断面的所有周边眼采用竹片间隔装药方案，更精确的控制了间隔距离，竹片长度3.5m，装药前在竹片的凹槽里放上导爆索，在竹片末端放一节炸药，随后间隔开来，间隔距离15cm，放5半节炸药，单孔装药量为3.5节炸药，摆放后的效果如图5-3-1所示。再把导爆索、炸药和竹片用黑色胶带粘接，现场效果如图5-3-2所示。

图5-3-1 炸药在竹片上摆放后的效果示意图

图5-3-2 竹片装药粘接后的效果图

周边眼的导爆索连接方式采用三角连接。周边眼的每个孔引出的导爆索与主导爆索连接，再使用一小节导爆索两头分别与主导爆索和炮孔内的导爆索连接，连接部位用胶带粘接，粘接长度≥15cm，粘接剩余长度也≥15cm，如图5-3-3所示。

图5-3-3 导爆索炮口处连线示意图

现场周边眼炮孔处三角连线效果如图5-3-4所示。

图5-3-4 周边眼炮孔处三角连线效果图

炮眼布置如图5-3-5所示，其中标记的周边眼炮孔（①—⑤）底部炸药装雷管，如图5-3-6所示，其余周边眼炮孔装药如图5-3-7所示。

图5-3-5 炮眼布置图方案四：“长短眼”结合

图5-3-6 放入炮孔后的剖面图（单位cm）

图5-3-7 装雷管的炮孔剖面图（单位cm）

短眼打钻角度与隧道纵向夹角约7度，打钻深度约1.5米，剖面如图5-8所示，短眼装药量为1节炸药，并将其分成两半，采用间隔装药，间隔长度30cm，如图5-9所示；长眼角度与隧道纵向夹角约4度，打钻深度约3米，长眼装药量为2节炸药，并将其分成四半，采用间隔装药，间隔长度30cm，并在孔底的那段炸药安装雷管，如图5-3-10所示。隧道断面炮眼布设位置如图5-3-11所示。

图5-3-8 长短眼剖面布置示意图（单位mm）

图5-3-9 短眼装药图（单位cm）

图5-3-10 长眼装药图（单位cm）

图5-3-11 “长短眼”布孔结合隧道断面示意图

6 主要效果及达到的技术指标。

主要成果

（1）III级围岩控制平均线性超挖值在10cm左右；IV级围岩控制平均线性超挖在15cm左右；V级围岩控制平均线性超挖在20cm以内。

（2）降低混凝土超耗，III级围岩混凝土超耗率不超过80%；IV级围岩超耗率不超过70%；V级围岩超耗率不超过60%

（3）增加炮眼残留率，III级围岩炮眼残留率不低于90%；IV级围岩炮眼残留率不低于70%；V级围岩炮眼残留率不低于60%。

7 技术、经济及社会效益预测

（1）基于安全与经济的理念，提出合理、经济、安全的定向断爆形式、设计与施工方法，并及时将现场监控量测结果反馈到设计和施工中。为依托工程提供技术支持，确保施工的安全、工程质量和设计的合理性。在确保安全的前提下，降低工程造价和缩短工程工期，对依托工程旬凤高速杏林塬隧道施工具有重要工程实际意义。

（2）我国隧道建设正全面推进，特别是西部地区地质情况复杂，因此该成果具有广阔的应用前景，将会在我国隧道工程建设中取得显著的经济和社会效益。

参考文献

（1）《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80∕1-2017)。

（2）田岗, 代晓东, 张宪堂,等. PVC塑料切缝管在聚能爆破中的应用[J]. 工程爆破, 2012,018(003):37-40.

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（4）李启月, 赵新浩, 魏新傲,等. 大断面隧道轮廓控制爆破技术研究与应用[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3).

（5）王建秀, 邹宝平, 胡力绳. 隧道及地下工程光面爆破技术研究现状与展望[J]. 地下空间与工程学报, 2013(04):800-807.