隧道爆破

隧道爆破施工技术隧道(tunnel)是人们利用地下空间的一种形式，被广泛应用于铁路、公路、水利、水电、矿山、市政、人防等部门，在国民经济建设中起着重要的作用。八达岭高速公路山羊洼二号隧道光面爆破目前，钻爆法(drillingblastmethod)由于对地质条件适应性强、开挖成本低，特别适合于坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道及大量短隧道的施工。钻爆法仍是隧道掘进的主要手段。虽然我国也在引进全断面隧道掘进机(tunnelboringmachine)，但是根据我国的国情，钻爆法与掘进机在相当长的时间内将同时并存和使用，而且在隧道掘进机及高压射流等新的岩石开挖技术进一步发展的同时，隧道爆破技术也会随着钻孔机具的不断改进、爆破器材的日益发展而不断进步。爆破开挖(excavationbyblasting)是以钻孔、爆破工序为主，配以装运机械出碴，完成隧道施工的方法，是建设隧道的主要工序，它的成败与好坏直接影响到围岩的稳定及后续工序的正常进行和施工速度，是隧道建设非常重要的组成部分。隧道爆破一般采用小孔径的钻眼爆破，其钻眼、装药、堵塞、爆破等施工操作具有以下特点：1.由于滴水、潮湿空气、照明、通风和洞内气温、噪音、粉尘等的影响，钻眼爆破作业条件差；加之它与支护、出碴运输等工作交替进行，致使爆破工作面受到限制，增加了爆破的施工难度，必须合理爆破施工，保证爆破循环的正常进行。2.爆破的临空面少，岩石的夹制作用大，耗药量大，不能充分发挥爆破效果。3.对钻眼爆破质量要求较高。既要使隧道方向正确，满足精度要求；又要使爆破后隧道断面达到设计标准，不能超挖过大。爆破时要预防飞石崩坏支架、风管、水管、电线等，爆落岩石块度要均匀，便于装碴运输。4.由于隧道一般断面较大，造价昂贵，服务年限长，且维修和养护时常需中断、停止隧道的使用，这对运营是很不利的，因此在施工中必须确保良好的工程质量。5.随着以新奥法为理论基础设计的隧道越来越多，为充分利用围岩自承力，要求施工中尽量减少爆破对围岩的扰动，确保围岩完整。6.隧道爆破的施工方法、施工机具和设备的选择主要取决于开挖断面的大小和隧道所处的山体位置，此外，变化复杂的围岩及围岩的结构、强度、松动程度、耐风化性、初始地应力方向、隧道的跨度和地下水活动情况对其也有较大的影响。岩石隧道开挖前，应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破器材等做好钻爆设计。合理地确定炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法、起爆顺序，安排好循环作业等，以正确指导钻爆施工，达到预期的效果。第一节隧道爆破设计一、炮眼的种类和作用隧道开挖爆破的炮眼数目，与隧道断面的大小有关，多在几十至数百范围内。炮眼类型按其所在位置、爆破作用、布置方式和有关参数的不同可分为如下几种：1.掏槽眼(cuthole)。针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点，为提高爆破效果，宜先在开挖断面的适当位置（一般在中央偏下部)布置几个装药量较多的炮眼,如图5-1中的1#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(reliever)。位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。如图5-1中的2#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(perimeterhole)。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。如图5-1中的3#、4#、5#炮眼，其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。按其所在位置的不同，又可分为帮眼（3#眼）、顶眼（4#眼）、底眼（5#眼）。爆破的关键是掏槽眼和周边眼的爆破，掏槽眼为辅助眼和周边眼的爆破创造了有利条件，直接影响循环进尺和掘进效果；周边眼关系到隧道开挖边界的超欠挖和对周围围岩的影响。二、掏槽形式和参数掏槽效果的好坏，直接影响整个隧道爆破的成败。根据掏槽眼与开挖面的关系、掏槽眼的布置方式、掏槽深度以及装药起爆顺序的不同，可将掏槽方式分为如下几类:斜眼掏槽斜眼掏槽（inclinecut）的特点是掏槽眼与开挖断面斜交，它的种类很多，如锥形掏槽、爬眼掏槽、各种楔形掏槽、单斜式掏槽等。隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽和锥形掏槽。(1)垂直楔形掏槽（verticalwedgecut）。掏槽眼水平成对布置（图5—1），爆破后将炸出楔形槽口。炮眼与开挖面间的夹角α、上下两对炮眼的间距a和同一平面上一对掏槽眼眼底的距离b，是影响此种掏槽爆破效果的重要因素，这些参数随围岩类别的不同而有所不同。表5-1列出一些经验数据供参考。围岩类别α（°）斜度比a(cm)b(cm)炮眼数量（个）Ⅲ类以下Ⅳ类Ⅴ类Ⅵ类70～8075～8070～7555～701:0.27～1:0.181:0.27～1:0.181:0.37～1:0.271:0.47～1:0.3770～8060～7050～6030～503030252044～666表5-1垂直楔形掏槽爆破参数(2)锥形掏槽(pyramidalcut)。这种炮眼呈角锥形布置，各掏槽眼以相等或近似相等的角度向工作面中心轴线倾斜，眼底趋于集中，但互相并不贯通，爆破后形成锥形槽。根据掏槽炮眼数目的不同分为三角锥、四角锥、五角锥等。图5-2所示为四角锥形掏槽，它常用于受岩层层理、节理、裂隙影响较大的围岩。其有关参数见表5-2。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。但是，眼深易受开挖断面尺寸的限制，不易提高循环进尺(cyclelength)，也不便于多台凿岩机同时作业。围岩类别α（°）a(cm)眼数（个）Ⅲ类以下Ⅳ类Ⅴ类Ⅵ类706865601009080703456表5-2锥形掏槽爆破参数直眼掏槽直眼掏槽(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。由于直眼掏槽凿岩作业较方便，不需随循环进尺的改变而变化掏槽形式，仅需改变炮眼的深度，且石碴的抛掷距离也可缩短，目前现场多采用直眼掏槽。但直眼掏槽的炮眼数目和单位用药量要增多，对眼距、装药等要求严格，往往由于设计或施工不当，使槽内的岩石不易抛出或重新固结而降低炮眼利用率。1直眼掏槽形式直眼掏槽形式很多，过去常用的有：龟裂掏槽，五眼梅花掏槽和螺旋掏槽。近年来，由于重型凿岩机械的使用，尤其是能钻大于100mm直径炮孔的液压钻机投入施工以后，直眼掏槽的布置形式有了新发展，目前常用的形式有：①柱状掏槽。如图5-3所示。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。作为临空孔(freehole）的空眼(busterhole)数目，视炮眼深度而定，一般当孔眼深度小于3.0m时采用一个；0当孔眼深度为3.0m～3.5m时，采用双临空孔；当孔眼深度为3.5m～5.15m时采用三个。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。②螺旋形掏槽。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，其联线呈螺旋形状，如图5-4所示。装药眼与空眼之间的距离分别为a=(1.0～1.5)D；b=(1.2～2.5)D；c=(3.0～4.0)D；d=(4.0～5.0)D.D为钻孔直径，一般不小于100mm，也可用ф60mm～ф70mm的钻头钻成8字形双空。爆破按1、2、3、4由近及远顺序起爆，能充分利用自由面，扩大掏槽效果。2影响直眼掏槽效果的因素直眼掏槽以空眼作为增加的临空面，利用炸药爆炸的能量将槽内岩石破碎，并借助爆破产生气体的余能将已破碎的岩石从槽腔内抛出，在直眼掏槽中应注意以下几点：①眼距。空眼与装药眼之间的距离。当用等直径炮孔时，此距离一般随岩性不同而变动，变动范围为炮眼直径的2～4倍；当采用大直径空眼时，眼距不宜超过空眼直径的两倍。由于掏槽效果对眼距变化很敏感，往往眼距稍大会造成掏槽失败或效果降低，而眼距过小不仅钻眼困难，还容易发生槽内岩石被挤实现象。②空眼。空眼不仅起着自由面和破碎岩石发展的导向作用，同时为槽内岩石破碎提供一个膨胀的空间。所以，增加空眼数目，能获得良好的效果，一般随眼深加大，空眼数也相应增多。③装药。直眼掏槽一般都是过量装药，装药长度占全眼长的70%～90%，如果装药长度不够，易发生“挂门帘”和“留门坎”现象。当眼深大于2.5m时易产生沟槽效应，应采取相应措施防止爆轰中断。④辅助抛掷。直眼掏槽的关键是把槽内已破碎岩石抛出槽腔，当炮眼较深时仅利用爆炸产生气体的余能抛出岩石是很难达到预计的掏槽效果的，所以当眼深在2.0m以上时，可采用辅助抛掷措施。一般是将空眼加深100～200mm，并在眼底放一卷炸药，在掏槽眼全部起爆后接着起爆。⑤钻眼质量。要保证钻眼的准确性，使各炮眼之间保持等距、平行是极为重要的。如果两眼钻穿，易造成爆生气体过早损失，降低槽内岩石抛出率或使岩石再生。如果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。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。（1）复式掏槽严格地说，复式掏槽(doublecut)也属于斜眼掏槽，它是在浅眼楔形掏槽的基础上发展起来的，在大断面隧道掘进中，为加大掏槽深度，可采用两层、三层或四层楔形掏槽眼，每对掏槽眼呈完全对称或近似对称，深度由浅到深，与工作面的夹角由小到大。复式掏槽也叫多重楔形掏槽或V形掏槽(V-cut)。复式掏槽的爆破角(掏槽眼与工作面的夹角）与掏槽眼深度的相互关系，应使从每个眼底所作的垂线恰好落在开挖断面两壁与开挖面相交的临空面上；最深掏槽眼眼底的垂直线也必须落在隧道内，即与已爆出的工作面相交；在每一掏槽眼眼底所作的垂线必须与隧道壁面相交。（2）升级掏槽升级掏槽系采用逐级加深的炮眼布置，按掘进方向平行钻孔，把全部掏槽深度分阶段达到爆破的目的，如图5-6所示。由于升级掏槽将常用掏槽方法在爆破技术上的优点和直眼掏槽在钻眼技术上的优点结合起来，因此，其适应能力强，可对各种不同的条件和岩石状况采用不同的方法加以处理，掏进深度可以根据炮眼的级数来确定。实践表明，用这种方法进行爆破是很有成效的。（3）分段掏槽为克服深眼爆破中装药底部仅产生挤压破碎作用和弱抛掷，可将掏槽炮眼分次起爆，这样可以有利于槽腔形成，提高掏槽腔的有效深度，便于机械化作业。图5-7给出了南昆线米花岭隧道采用的直眼二次掏槽的示意图，炮眼利用率在90%以上。实践表明，对于斜眼分段掏槽循环进尺可达隧道开挖宽度的76%，炮眼利用率可在95%以上。除此之外，其它混合掏槽还有角锥与直眼、楔形与直眼(图5-8）等形式组合。这些一般用在比较坚硬的岩石中。三、隧道爆破的参数设计炮眼直径炮眼直径(boreholediameter）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。因此，必须根据岩性、凿岩设备和工具、炸药性能等综合分析，合理选用孔径。一般隧道的炮眼直径在φ32mm～φ50mm之间，药卷与眼壁之间的间隙一般为炮眼直径的10%～15%。炮眼数量炮眼数量（numberofholes）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，其公式为：1-5qSN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=1.2kg/m3～2.4kg/m3；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5-3；γ—每米药卷的炸药重量（kg/m）,2号岩石铵梯炸药的每米重量见表5-4；围岩类别炮眼名称Ⅱ、ⅢⅣⅤⅥ掏槽眼辅助眼周边眼0.50.40.40.550.450.450.600.500.550.65～0.800.5