隧道光面爆破设计

隧道开挖光面爆破设计高新强副教授博士（13623217818）石家庄铁道大学2011年1月•岩石隧道爆破特点•炮眼的种类及作用•掏槽眼类型及布置隧道爆破施工技术主要包括：•隧道爆破参数及炮眼布置•周边眼的控制爆破•钻爆施工•钻爆设计实例主要内容隧道爆破施工技术一、岩石隧道爆破特点二、炮眼的种类及作用图5-1炮眼布置图隧道爆破施工技术（一）掏槽眼图5-1炮眼布置图隧道爆破施工技术（二）辅助眼图5-1炮眼布置图隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术（三）周边眼图5-1炮眼布置图隧道爆破施工技术（一）斜眼掏槽三、掏槽眼类型及布置隧道爆破施工技术Ø单向掏槽(a)顶部掏槽(b)底部掏槽(d)扇形掏槽(c)侧向掏槽隧道爆破施工技术Ø楔形掏槽隧道爆破施工技术(a)垂直楔形掏槽(b)水平楔形掏槽ab隧道爆破施工技术垂直楔形掏槽爆破参数围岩级别α（°）斜度比a(cm)b(cm)炮眼数量（个）Ⅳ级以下Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级75～8075～8070～7555～701:0.27～1:0.181:0.27～1:0.181:0.37～1:0.271:0.47～1:0.3770～8060～7050～6030～503030252044～666隧道爆破施工技术bαL=(0.5~0.7)BBLB——开挖断面宽度。隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术α隧道爆破施工技术Ø锥形掏槽(a)三角锥(b)四角锥(c)五角锥隧道爆破施工技术Ø锥形掏槽围岩级别α（°）a(cm)眼数（个）Ⅳ级以上Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级706865601009080703456锥形掏槽爆破参数隧道爆破施工技术斜眼掏槽具有操作简单，精度要求较直眼掏槽低，能按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度，易把岩石抛出，掏槽眼的数量少且炸药耗量低等优点。眼深易受开挖断面尺寸的限制，不易提高循环进尺，也不便于多台凿岩机同时作业。(2)斜眼掏槽的优缺点隧道爆破施工技术（二）直眼掏槽直眼掏槽(cylindercut)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。隧道爆破施工技术(1)直眼掏槽的类型及布置形式(a)菱形布置(b)矩形布置(c)三角形布置它是充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空间，使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。隧道爆破施工技术作为临空孔(freehole）的空眼(busterhole)数目，视炮眼深度而定:v一般当孔眼深度小于3.0m时采用1个；v当孔眼深度为3.0m～3.5m时，采用2临空孔；v当孔眼深度为3.5m～5.15m时采用3个。试验表明：第一个起爆装药孔离开临空孔的距离应不大于1.5倍的临空孔直径。隧道爆破施工技术螺旋形掏槽是由柱状掏槽发展而来，其特点是中心眼为空眼，邻近空眼的各装药眼至空眼之间的距离逐渐加大，其连线呈螺旋形，并且由近及远依次起爆。a=(1.0～1.5)Db=(1.2～2.5)Dc=(3.0～4.0)Dd=(4.0～5.0)DD为空眼钻孔直径，一般不小于100mm。1234acdb隧道爆破施工技术(2)直眼掏槽的特点隧道爆破施工技术(3)影响掏槽效果的因素最先一段起爆的炮眼与空眼的距离空眼直径、眼距与岩石爆破效果关系隧道爆破施工技术2daA)(22ddaφdaA中空眼炮眼隧道局的建议公式一般情况下不大于空眼直径的2倍；常用的空眼直径为102mm，眼距采用18~20cm。隧道爆破施工技术空眼数目越多掏槽爆破效果越好；炮眼越深空眼数目越多。采用过量装药，装药长度占全眼长的70~90%。当眼深在2.0m以上时，将空眼加深100~200mm，并在空眼底部放1~2卷炸药，在掏槽岩全部起爆后接着起爆，加强淘槽眼的抛掷效果。钻眼使各炮眼之间保持等距、平行是极为重要的。钻穿，易造成爆生气体过早损失，降低槽内岩石抛出率。距离过大或钻眼偏斜，易发生单个炮眼直径扩大或单个炮眼爆炸，炮眼间的岩石不易崩落。隧道爆破施工技术(4)直眼掏槽实例灰黑色厚层加中厚层隐晶质灰岩，Ⅱ级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工技术致密块状的花岗岩，Ⅲ级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度3.9m和5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术（三）混合掏槽混合掏槽是指两种以上的掏槽方式的混合使用，一般在岩石特别坚硬或隧道开挖断面较大时使用。隧道爆破施工技术（四）减轻爆破震动的掏槽形式为了减少掏槽眼的爆破震动，经常采用特殊掏槽形式。复式楔形掏槽隧道爆破施工技术混合掏槽隧道爆破施工技术直眼分层掏槽隧道爆破施工技术增加空眼直眼掏槽隧道爆破施工技术（一）隧道控制爆破的分类四、周边眼的控制爆破光面爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。预裂爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。隧道爆破施工技术（二）光面爆破与预裂爆破的关系v周边眼的孔距必须与最小抵抗线相匹配；v采取不耦合装药或装填低威力炸药；v同组光爆孔(预裂孔)同时起爆。v起爆顺序不同；v装药量不同。隧道爆破施工技术（三）隧道光面爆破v开挖轮廓成形规则，岩面平整；v炮眼的保存率硬岩不应小于80%，中硬岩不应小于70%的半面炮眼痕迹，软岩不应小于50%的半面炮眼痕迹；v无明显的爆破裂缝；v超欠挖符合规定要求。隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术v周边眼间距一般取Ki=10~18LdFLEctdEtc/dKEi在不偶合装药的前提下，光面爆破应满足炮孔内静压力F小于爆破岩体的极限抗压强度，而大于岩体的极限抗拉强度的条件。即E——周边眼间距；L——炮眼长度；——岩石抗拉强度；——岩石抗压强度；d——炮眼直径。tc隧道爆破施工技术v光爆层厚度及炮眼密集系数一般取周边眼的密集系数K=0.8;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。周边眼的间距E与光面层厚度W有着密切关系，通常以周边眼的密集系数K（K=E/W）表示，其大小对光面爆破效果有较大影响。隧道爆破施工技术v装药不耦合系数一般取装药不耦合系数≥2~5。合理的不耦合系数应使爆炸后作用在孔壁上的压力低于岩石的动抗压强度，而高于其动抗拉强度。隧道爆破施工技术v装药量在光面层单独爆落时，周边眼的线装药密度一般为0.15kg/m～0.25kg/m,全断面一次起爆时，一般可达0.30kg/m～0.35kg/m。周边眼的装药量通常以线装药密度表示，每米炮眼装药的质量。。施工中应根据孔距、光面层厚度、石质及炸药种类等综合考虑确定装药量。隧道爆破施工技术岩石类别炮眼间距E（cm）抵抗线W(cm)密集系数(K=E/W)装药集中度(kg/m)硬岩中硬岩软岩55～7045～6535～5060～8060～8040～600.7～1.00.7～1.00.5～0.80.30～0.350.20～0.300.07～0.12表5-6光面爆破一般参考数值隧道爆破施工技术v隧道光面爆破的技术措施为了获得良好的光面爆破效果，可采取以下技术措施：(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。光面爆破的不偶合系数最好大于2，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定传爆。当采用间隔装药时，相邻炮眼所用的药卷位置应错开，以充分利用炸药效能。(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。周边眼应尽量做到同时起爆。(4)严格控制装药集中度，必要时可采取间隔装药结构。为克服眼底岩石的夹制作用，通常在眼底需加强装药。隧道爆破施工技术（四）隧道预裂爆破v不平整度不超过15cm；v炮眼保存率硬岩不应小于80%，中硬岩不应小于60%的半面炮眼痕迹；v无明显的爆破裂缝。隧道爆破施工技术岩石类别炮眼间距E（cm）至内排崩落眼间距(cm)装药集中度（kg/m）硬岩中硬岩软岩40～5040～4535～404040350.30～0.400.2～0.250.07～0.12表5-8预裂爆破参数隧道爆破施工技术（一）隧道爆破参数的确定五、隧道爆破参数及炮眼布置隧道爆破施工技术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。加大炮眼直径以及相应装药量可使炸药能量相对集中，爆炸效果得以改善。但炮眼直径过大将导致凿岩速度显著下降，并影响岩石破碎质量、洞壁平整程度和围岩稳定性。一般隧道的炮眼直径在32mm～50mm之间。（一）隧道爆破参数的确定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。炮眼数量应能装入设计的炸药量，通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算。隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术qsN式中：N—炮眼数量，不包括未装药的空眼数；q—单位体积岩石炸药消耗量，一般取q=1.2kg/m3～2.4kg/m3；S—开挖断面积，m2；τ—装药系数γ—每米药卷的炸药重量（kg/m）隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术首先计算周边眼数量N1和装药量Q111aBBNl11111LNQ式中：Bl—隧道开挖断面周长；B—隧道开挖宽度;a—周边眼间距；L1—周边眼钻孔平均深度;γ1—周边眼每米药卷的炸药重量（kg/m）;τ1—周边眼装药系数.隧道爆破施工技术其次计算总的装药量22212LQQN然后计算掏槽眼和辅助眼数量qsLqVQ式中：L—炮眼的平均深度;L2—辅助眼和掏槽眼的平均深度;γ2—辅助眼和掏槽眼每米药卷的炸药重量（kg/m）;τ2—辅助眼和掏槽眼的装药系数;η—炮眼利用率，一般取0.8~0.95。隧道爆破施工技术首先计算掏槽眼数量N1和装药量Q1；其次计算周边眼数量N2和装药量Q2；然后计算辅助眼数量N3和装药量Q3；最后计算炮眼数量N和装药量Q。隧道爆破施工技术炮眼深度是指炮眼底至开挖面的垂直距离。合适的炮眼深度有助于提高掘进速度和炮眼利用率。L隧道爆破施工技术对于斜眼掏槽，由于施工原因和岩石的夹制作用，一般最大炮眼深度取断面宽度（或高度）B的0.5～0.7倍，当围岩条件好时，采用较小值。L=（0.5～0.7）B隧道爆破施工技术v按每掘进循环的进尺数来确定lLv按每掘进循环中所占时间来确定NmvtL目前常用的炮眼深度为1.8m~2.5m，中深孔2.5~3.5m，深孔3.5~5.15m。隧道爆破施工技术合理的药量应根据所使用的炸药的性能和质量、地质条件、开挖断面尺寸、临空面数目、炮眼直径和深度及爆破的质量要求来确定。目前隧道爆破设计中多采取先用体积公式计算出一个循环的总用药量，然后按各种类型炮眼的爆破特性进行分配，再在爆破实践中加以检验和修正，直到取得良好的爆破效果为止的方法。隧道爆破施工技术4)-(5qVQ式中：Q—一个爆破循环的总用炸药药量，kg;q—爆破每立方米岩石所需炸药的消耗量，kg/m3;隧道爆破施工技术（二）炮眼的布置v先布置掏槽眼，其次是周边眼，最后是辅助眼。掏槽眼一般应布置在开挖面中央偏下部位，其深度应比其它眼深15cm～20cm。为爆出平整的开挖面，除掏槽和底部炮眼外，所有掘进眼眼底应落在同一平面上。底部炮眼深度一般与掏槽眼相同。隧道爆破施工技术v周边眼应严格按照设计位置布置断面拐角处应布置炮眼。周边眼设计位置应考虑0.03～0.05的外插斜率。10cm隧道爆破施工技术v保证光爆层的合理厚度靠近周边眼的辅助眼分布均匀。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。v岩层层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面。隧道爆破施工技术v直线形布置形式简单且易掌握，同排炮眼的最小抵抗线一致，间距一致，前排眼为后排眼创造临空面，爆破效果较好。隧道爆破施工技术v多边形布置这种布眼是围绕着掏槽部位，由里向外，将炮眼逐层布置成正方形、长方形、多边形