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第五章光面爆破技术•瑞典从20世纪50年代开始，率先研究一种能按设计轮廓线爆破岩体，使巷道周壁或开挖面平整，并使围岩不受明显破坏的控制爆破技术，即光面爆破技术。美国、加拿大等国也相继进行了研究。•我国自1970年以来，在矿山、水利、地下工程中获得了广泛应用光面爆破技术，至今成为控制开挖轮廓线的主要爆破方法之一。•特别是光面爆破与锚喷支护相结合后，已成为井巷工程中一项重大技术改进。图5—2普通爆破和光面爆破的效果(a)普通爆破(b)光面爆破云南元磨高速公路隧道光面爆破三峡工程建基岩水平光爆湖北清江水布垭水电站高边坡爆破与开挖广西龙滩水电站高边坡爆破与开挖三峡工程临时船闸爆破与开挖圬工砌拱光面爆破在隧道掘进建设中的应用光面爆破在铁路隧道建设中的应用光面爆破在公路隧道建设中的应用•对掘进巷道来说，爆破顺序是掏槽、崩落，最后周边眼光面爆破。•在巷道掘进中采用光面爆破具有以下优点：•①光爆锚喷施工质量好，减少了围岩的位移、松动和破坏，增加了安全性。•唐山地震后，曾对开滦煤矿井下4515m光爆锚喷巷道作了震后检查，完好率达95%。•②减少超挖、节约材料，降低了成本。•根据徐州矿务局统计，成本大约降低30%。•据大秦线铁路施工统计，在19km隧道掘进中，如每循环超挖10cm，则相当于多挖1km相同断面隧道；全国每年各类巷道进尺约5000km，相当于多挖250km，浪费10多亿元。第一节光面爆破技术的特点和基本原理•一、光面爆破的特点•(1)爆破后成型规整，符合设计轮廓，特别在松软岩层中更能显示出光面爆破的作用。•光面爆破后通常可在新形成的壁面上残留清晰可见的半边孔壁痕迹。•（2）光面爆破可以大大减少巷道的超挖量，提高施工质量，加快施工进度，节省大量的混凝土衬砌浇筑量。•（3）光面爆破对围岩的破坏要轻微得多。根据声波探测表明，采用光面爆破时，围岩松弛带的范围只是常规爆破方法的1/3~1/2，从而提高了围岩的稳定性，减少了支护工作量；•采用光面爆破，围岩的壁面平整，危石少，撬顶工作简单，减轻了表面应力集中现象，避免局部冒落，增进了围岩的稳定和施工安全，并为喷锚支护的使用创造了有利条件。•光面爆破的优点在完整岩体中十分明显，可以直观地感到爆破后的开挖面光洁平整，岩体完整，爆破裂隙不发育，给人以安全感。•但是，在松软的岩石中，特别是在一些不均质的岩体和构造发育的岩体中采用光面爆破在减轻围岩的破坏，减少超挖以及避免产生冒顶等方面，仍起到很大作用二、光面爆破的基本原理•光面爆破的实质是沿开挖轮廓线布置间距减小的平行炮眼，采用特殊的装药结构，在这些光面炮眼中进行减少药量的不耦合装药，选择合理的光爆参数，然后同时起爆。•爆破时，沿这些炮眼的中心联接线破裂成平整的光面。•比如在巷道掘进设计断面的轮廓线上布置加密的周边孔，减小药包直径，减少装药量，配套采用不耦合装药结构，采用低密度和低爆速的炸药，甚至专用的光面爆破炸药（小直径、低猛度、低爆速2000~3000m/s），以控制炸药爆炸能量及其作用，降低爆炸冲击波的峰值压力，削弱它在岩石中引起的应力波强度，避免在炮孔周围产生压碎区，而使爆破作用集中到需要爆落的一侧岩体上，减弱对原岩体的破坏作用。•光面爆破时由于采用不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低。此时药包的爆破作用为准静压作用。当炮孔压力值低于岩石动抗压强度时，在炮眼壁上就不致造成“压碎”破坏。•这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能引起少量的径向细微裂隙。图5—2光面爆破时炮眼连心线破裂面的形成（a）炮孔装药情况；（b）先爆炮孔对相邻炮孔的影响；（c）光面的形成邻孔和空孔的导向作用•与普通爆破相比，光面爆破的主要优点是：岩壁面光滑平整，围岩稳定，其爆破后壁面光滑、平整。•目前对光面爆破的质量要求尚不统一，一般应要求：周边轮廓尺寸符合设计要求，壁面凸凹度不大于200mm；眼痕率：软岩＞55%，中硬岩石≥65%，坚硬岩石≥75%。第二节光面爆破的参数和施工技术•一、光面爆破主要爆破参数的确定•主要爆破参数有：最小抵抗线、炮孔密集系数、不耦合系数、线装药密度、孔距和起爆时差等。（一）最小抵抗线W•光爆层是指周边炮孔与最外层主爆孔之间的一圈岩石层。（全断面一次开挖成型和预留光面层）•光面层厚度或周边眼（光爆孔）到邻近辅助眼间的距离，是光面眼（光爆孔）起爆时的最小抵抗线，一般它应大于或等于光面眼间距。•如果最小抵抗线过大，光爆层将不能很好地破碎下来，甚至产生大块或留底根；•如果最小抵抗线过小，在反射波作用下，可能导致围岩破坏，影响光爆效果和围岩的稳定性，甚至产生超挖形成凹凸不平的壁面。把光爆层岩石看作类似露天台阶爆破，可以采用以下经验公式来确定最小抵抗线W，式中W——光爆层厚度；qb——炮眼内的装药量；S——炮眼间距；Lb——炮眼长度；C——爆破系数，相当于炸药单耗值。bbLSCqW•光爆层的厚度还与巷道开挖断面的大小有关，大断面巷道的顶拱垮度大，光爆孔所受到的夹制作用小，岩体比较容易崩落，此时，光爆层厚度可以大一些。小断面巷道的光爆孔受到的夹制作用大，其厚度宜小一些。•光爆层的厚度还与岩石的性质和地质构造等因素有关。坚硬完整的岩石，光爆层宜薄一些；而松软破碎的岩石，光爆层宜厚一些。（二）炮孔密集系数•光爆层厚度w与周边孔的间距a有着密切的关系，可用两者的比值K＝a/W来表示，K称为周边孔（光爆孔）的密集系数。K值过大时，爆破后可能在光爆孔间留下岩埂，造成欠挖，达不到光面爆破效果；反之m值过小时，则会在新壁面造成凹坑，可能出现超挖。•实践中多取最小抵抗线大于孔距，具有小孔距、大抵抗线的特点，尤其在坚硬岩石中密集系数皆小于1。这样，可使反射拉伸波从最小抵抗线方向折回之前造成贯穿裂缝，隔断反射拉伸波向围岩传播的可能，减少围岩破坏。•实践表明，当m=0.8～l.0时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩中取小值。（三）不耦合系数•不耦合系数K'，是指炮孔直径与药包直径之比（环向空气间隔装药时）。光面爆破采用药包直径小于炮孔直径的方法，因而不耦合系数K'＞1。•不耦合系数K‘的取值一般介于1.1~3.0之间，采用最多的是不耦合系数K'=1.5～2.5用得较多。图5—5光面爆破炮孔装药结构1—导爆索；2—堵塞段；3—中间装药；4—底部增强装药（四）线装药密度•线装药密度是指单位长度炮孔内的装药量，又称装药集中度，当采用既有环向不耦合又有轴向空气间隔的装药结构时•当光爆孔直径为35~45mm时，一般将线装药密度取为0.1~0.3kg/m，其中软岩为0.07~0.12kg/m，中硬岩为0.1~0.15kg/m，硬岩则为0.15~0.25kg/m。2140dqΔ——炸药密度，kg/m3；d1——药卷直径，m；q0——线装药密度，kg/m。——连续装药22240Kdq采用环向不耦合连续装药结构时，因为K'=d2/d1，这里d2为炮孔直径（五）孔距•光爆孔的间距比主爆孔小，它与炮孔直径、岩性和装药量等参数有关。孔距过大，难以爆出平整光面；孔距过小会增加凿岩费用。通常，合理的孔距可按炮孔直径选取S=（10~20）d2S——孔距（实际工程设计多用类比法选取），m；d2——炮眼直径，m。在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石中可取大值。（六）起爆间隔时间•时差越短则壁面平整效果越有保证。图5—6起爆时间对光面爆破效果的影响（a）不同段秒差延期起爆；（b）齐发爆破；（c）微差起爆二、光面爆破的施工方法•1、起爆顺序•用光面爆破掘进巷道时有两种方案：•一种是全断面一次掘进，多用于掘进小断面巷道。•全断面一次掘进方案的炮孔起爆顺序为：掏槽孔→辅助孔→周边孔（光爆孔），如图5—9所示。图5—9全断面巷道光面爆破炮眼排列及起爆顺序•此时掏槽眼、辅助眼等的参数按普通爆破来设计•周边眼则按光面爆破来设计。•常用多段毫秒电雷管或塑料导爆管起爆系统顺序起爆。•掏槽眼间、辅助眼间起爆间隔时间不应小于25ms。•邻近周边眼的一排炮眼的药量要比其它炮眼的药量少，以控制围岩爆震裂隙的发展。•另一种是分次掘进，预留光面层，先进行中心掏槽眼、辅助眼的爆破，最后进行周边轮廓线的光面爆破。或者先掘进超前导硐，采用超前掘进小断面导硐，然后刷大至全断面，是分次爆破，多用于掘进大断面巷道或硐室。如图5-10所示。这种方案常用来掘进大断面巷道或硐室。这种预留光面层法的特点是，在爆破周边眼之前可根据爆破超前导硐的情况进行参数调整或修整轮廓，以达到较好的光面爆破效果。图5—10大断面巷道光面爆破挖掘程序1—超前导硐；2—刷帮爆破区；3—光面层•在预留光面层的光面爆破中，要分两次起爆，施工时间长。如果采用火雷管起爆而通风条件不佳，则工人接触有毒有害气体的时间也较长。有些工程中在采用预留光面层法时，由于超前导硐的高度不够，以致影响装岩机的操作。为解决上述种种问题，可改用预裂爆破。2.影响光面爆破质量的因素•（一）爆破参数——经验•（二）钻眼质量——准确定位•（三）装药量和装药结构——严格控制•（四）起爆顺序与起爆间隔时间，50~100ms；•（五）传爆方向——反向起爆多•此外，岩石力学性质、地下硐室的深度、岩体的节理数和方向、节理面的粗糙度、地下水、炸药性质等都不同程度影响光面爆破质量。思考题•1.什么叫光面爆破？其装药结构有什么特点？•2.巷道光面爆破的基本原理？