火山侵入岩富水地层中等断面隧道光面钻爆参数优化研究

王建军张建

摘要：本文以火山侵入岩富水地层中等断面隧道实际工程为例，通过钻爆效果检验钻爆设计，过程中不断优化钻爆参数，以期获得较好的钻爆效果和较优的开挖进尺。

关键词：中等断面；钻爆设计；钻爆优化；开挖进尺

0引言

随着中国经济快速发展，逐年加大基础工程建设比重，以期改善人类交通运输条件，其中隧道工程逐年增多，且隧道由短、单一逐渐向着长、复杂的方向发展。正盘台隧道是新建京张铁路的控制性工程，隧道长度12.974km。隧道修建过程中因突发涌水，原有的斜井断面安设抽排水管路后严重制约了隧道通风管路安装及交通运输，施工组织压力增大。为缓解斜井交通运输压力，确保正常施工及运营期间的排水，在1#斜井处新增了泄水洞及1号斜井～3号斜井间线路右侧增设贯通平导，泄水洞与新增平导连通，形成永久排水系统。泄水洞及平导施工进度直接关系着正洞作业面的排水及进度，因此显得尤为关键。

泄水洞及平导开挖过程中因初期钻爆设计紧靠施工经验，未充分结合现场围岩因素，部分炮眼受作业台架影响无法打眼，工人为追求进尺盲目增加部分炮眼装药量，周边眼间距偏大，掏槽眼打眼角度随意，技术与施工结合不紧密，造成单循环进尺不理想，无法达到钻爆设计要求，致使工期滞后，隧道关门工期已定，唯有加快泄水洞及平导单循环进尺，才能为正洞施工解套。为此现场结合围岩地质、爆破条件对钻爆设计不断进行了优化、调整，并取得了较好的效果。

1工程概况

1.1设计概况

泄水洞及平导设计为单心圆直墙结构，泄水洞长度1100m，其中暗挖段920m，明挖段180m，1#斜井～3#斜井间线路右侧贯通平导长度5197m，泄水洞及平导净空尺寸为6.5m宽×6.5m高，III级围岩开挖尺寸为6.66m宽×6.88m高，断面为43.7m2。

1.2工程地质情况

隧道所处地质复杂多变，多处穿越侏罗纪上统张家口组多期喷发火山碎屑岩，岩层在各期均有间断，造成正常岩体中分布有透镜状软弱夹层，地质相变大，岩性均匀性差，其软弱夹层分布具有不确定性。

开挖揭示岩层主要为岩浆深成岩花岗岩及浅成岩粗面岩，岩石致密坚硬，实测单轴饱和抗压强度88MPa，节理裂隙较发育～发育，多为张开裂隙，裂隙充填物主要为黄色黏土，围岩较破碎～破碎，弱风化～强风化，施工期间局部段落掌子面发生坍塌、掉块。

1.3工程水文情况

地下水丰富，主要为基岩裂隙水。泄水洞及平导受各类风化及地质作用的影响，节理、裂隙发育，地下水赋存于节理、裂隙中，水量较大，施工期间掌子面一直潮湿渗滴水，个别段落有股状出水。

2光面爆破作用机理

光面爆破的破岩机理在定性分析方面已有共识，目前尚无定量分析。炸药起爆时对岩体产生效爆轰气体及应力波共同作用的破坏。光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点，当岩体的极限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后，爆炸产物的膨胀作用使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面。

a）剪应力作用；b）爆轰气体膨胀推力破坏

3决定隧道光面爆破效果的因素

光面爆破参数的影响因素很多，主要有岩石特性、炸药性能、爆破条件（断面大小、断面形状、钻眼设备、钻孔直径和深度）及爆破工艺。

⑴岩石特性

花岗岩及粗面岩岩石致密坚硬，抗压强度高，密度大、韧性强较难破碎，单位耗药量高，结合现场水环境爆破作业，优先选用爆炸力小、爆速大、抗水性能好、粉碎力大的2号岩石乳化炸药。

地质构造作用造成围岩较破碎及节理裂隙发育时，眼孔极易塌孔影响装药量，且节理裂隙使爆炸能量分布不平衡，严重阻碍了应力波的传播，造成应力波能量急剧衰减，并使爆生气体过早外溢，影响爆破效果，钻眼时尽量使炮孔与结构面垂直布置，如果遇到节理中含有黏土时加大装药量；当节理裂隙与炮孔平行时，减少炮眼间距和最小抵抗线。

⑵炸药性能

炸药的性能主要是指炸药的爆炸和粉碎力，泄水洞围岩为花岗岩或粗面岩抗压强度高，属硬岩，炸药用量直接影响爆破效果，选用2号岩石乳化炸药，Ф32药卷长30cm，药卷质量0.3kg，根据工程类比法在该种地层单位炸药消耗量初步确定在1～1.2kg/m3，雷管采用塑料导爆管，非电毫秒雷管，脉冲式起爆器起爆。

⑶爆破条件

一次爆破的断面较小，隧道断面为拱部为单心圆边墙为直墙式结构，受开挖作业台架影响，造成采用YT-28风钻打眼角度及钻眼深度受限，制约开挖单循环进尺。综合考虑隧道断面小，提高循环进尺和炮孔利用率，采用水平楔形掏槽，眼底距离20cm，掏槽眼夹角60°～65°，有利于后续炮孔的爆破；设计开挖进尺3.2m，炮眼利用率按90%考虑；采用YT-28手持风钻，钻孔直径42mm。

⑷爆破工艺

根据光面爆破孔壁上压力公式：

P=64&pide;27×Pj×（dc&pide;db）6×（Lc&pide;（Lc+La））×Ck

式中P为光爆孔壁上的压力；Pj为炸药的炮轰压力；dc、db为装药直径和炮孔直径，Lc、La为装药长度和空气柱长度；Ck为岩石刚度系数，其他参数一定时，P与不耦合系数的倒数6次方成正比，与空气柱长度成反比。增大药卷与钻孔间空隙，降低炸药爆炸后对孔壁的初始应力，减少动应力对孔壁的压缩破坏，提高光面爆破效果，周边眼采用非耦合非连续装药结构，其他炮眼采用非耦合连续装药结构，为提高周边眼不耦合系数，在钻爆优化采用了φ25药卷。

防止爆破能量损失，减少飞石，使洞室爆破达到预期的效果，炮眼孔口采用炮泥堵塞。起爆网络采用簇联起爆方式；起爆顺序掏槽眼—内圈眼—周边眼—底板眼。

4钻爆设计及优化

钻爆采用光面爆破，Ⅲ级围岩采用全断面施工，IV、V级围岩采用两台阶法施工。掌子面搭设作业台架，人工手持YT-28风钻钻眼，人工装药起爆后由装载机装渣，自卸车转渣。因III级围岩占比达到75%以上，因此III级围岩钻爆施工是关键，本文主要针对III级围岩段落进行了钻爆优化。

4.1光面爆破初期设计

⑴钻爆设计图及说明

图9爆破网络连接

6管理措施

⑴采用地震波反射法、电磁波反射法、超前地质探孔及加深炮孔相结合的方式综合进行地质预报，富水段落采用瞬变电磁及激发极化进行探测，多种地质预报手段综合运用、分析，大幅提高水文地质预报准确率，为优化钻爆设计提供依据。

⑵测量员采用全站仪画出开挖轮廓线及炮眼位置，提高炮眼位置及间距的精度，减少误差。

⑶技术干部不间断对作业人员进行培训与交流沟通，提高作业人员对钻爆的认识及按交底施工的重要性，同时技术干部要广泛采取作业工人好的建议和意见，及时优化钻爆设计，形成良好互动。

⑷开挖爆破施工过程中，实行定人、定机、定位，爆破后测量组检查断面，现场实行周边眼考核及超欠挖考核，调动作业人员积极性，提高光爆效果。

7结论与讨论

（1）钻爆设计应结合“岩变我变”的特征，针对施工过程中遇到不同地层时，尤其是现场岩层变化频繁，软岩、硬岩交替变化，因此要及时调整爆破参数，从而获得较好的单循环进尺及较优的开挖成型。

（2）钻爆效果直接影响着隧道开挖成型，超挖部分需要采用混凝土进行回填找平，欠挖需要二次爆破，增加施工成本，且为后续施工带来一系列不利影响，因此为节约施工成本，必须高度重视钻爆设计。

（3）掏槽眼最先起爆，起到抛掷中心岩石增加临空面及破碎周边岩石形成第二个自由面的作用，同时为其它炮眼爆破创造条件。掏槽与破岩效率、循环进尺密切相关。钻爆设计时必须首先考虑掏槽方式及装药量，确保形成理想槽腔，提高钻爆效果。

（4）炮眼必须采用炮泥堵塞，确保炸药充分反应及提高有效利用率。

（5）钻爆效果制约因素众多，因此在钻爆设计时，要考虑多方面影响因素，钻爆施工时，必须实地了解现场情况，随时掌握现场钻爆施工，及时进行钻爆优化。

（6）钻爆施工过程中，炮孔布置、炮孔起爆顺序充分考虑节理裂隙与节理裂隙等软弱结构面的影响，钻眼时尽量使炮孔与结构面垂直布置，如果遇到节理中含有黏土时加大装药量；当节理裂隙与炮孔平行时，减少炮眼间距和最小抵抗线。

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