隧道开挖光面爆破技术

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【摘 要】京沪高速铁路滕州隧道采用光面爆破技术进行开挖，通过对炮孔数目、最小抵抗线、炮孔密集系数、装药密度、孔距和起爆顺序和起爆时差等进行研究，有效地解决了隧道开挖超欠挖问题，大大加快了施工进度，保证了施工质量，增加了隧道施工的安全性，保证了经济效益。

【关键词】隧道开挖；光面爆破；超欠挖；京沪高铁

1 引言

高速铁路隧道施工的最大特点是开挖断面大，施工难度大为增加。大断面隧道的方法要根据断面形式，隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定。本文结合京沪高速铁路滕州隧道开挖施工对光面爆破技术进行论述。

2 工程概况

京沪高速铁路三标滕州隧道位于山东省枣庄市木石镇大峪庙村西的蟠龙山,为低山丘陵区。进出口地势较平缓，各有230m浅埋地段，埋深约5米。山顶附近植物茂盛，出口大部分基岩，植物稀少。隧道全长1504m，隧道最大埋深为130m。隧道通过地层为灰岩，鲕状、隐晶质、块状构造，厚层～中厚层状，节理裂隙发育，含泥质条带，以薄层状为主，夹中厚层鲕状灰岩及竹叶状灰岩，强风化～弱风化，地表多溶沟，充填粘土。该隧道围岩为Ⅱ–Ⅴ级。

3 工程地质特征

根据地质资料分析，滕州隧道通过地层沿节理裂隙方向岩溶较发育，岩溶多表现为窄而高的溶缝式溶洞分布，大部分充填较松散的粘性土。岩溶发育地段岩石较破碎，溶沟、溶槽宽度一般0.2～2.0m,长度几米到几十米不等，部分具贮水功能，施工过程中仰拱、边墙及拱部等部位均发现有溶洞。隧道开挖断面大，内轮廓设计采用单洞双线断面，Ⅱ级围岩开挖断面为127.56m?，Ⅲ级围岩开挖断面为143.55㎡，Ⅳ 级围岩开挖断面为149.6m?，Ⅴ围岩开挖断面为154.5m?。隧道地质构造复杂，不良地质和特殊地质多，隧道Ⅳ级软弱围岩所占比例大，隧道进出口埋深较浅，对超前地质预报、监控量测及施工过程控制要求高。

4 隧道开挖光面爆破施工技术

洞内施工工序为开挖、支护及衬砌，结合本隧道施工的实际情况，支护及衬砌工艺均为一般施工工艺，隧道洞身开挖光面爆破达到较优的效果。

根据隧道通过的地质条件及隧道的设计断面，洞身开挖均采用二台阶法施工。针对本隧道实际情况，Ⅱ级围岩采用光面爆破后效果较为理想，部分地段炮孔残留率达到100%。隧道Ⅱ级围岩上部半径约为7.10m的半圆形断面为上台阶，隧道下部高2.97m,宽14.2m的矩形断面为下台阶。隧道全断面面积：127.56m2,隧道上部半圆拱形断面积约79.18m2，隧道下部断面面积约为48.38m2。

上台阶布置炮孔140个，下台阶为50个，其炮孔分布、起爆顺序见图1。

4.1 光面爆破参数选定

光面爆破主要针对断面周边一层岩体的爆破，要求在爆落岩体的同时，应形成光滑、平整的边界。光面爆破的主要参数有：炮孔数目、最小抵抗线、炮孔密集系数、线装药密度、孔距和起爆顺序和起爆时差等。

4.1.1 周边孔间距

光面爆破周边孔间距比主爆孔小，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,且产生大块。孔距过小会增加凿岩费用,合理的孔距可按炮孔直选取，一般按以下经验公式确定：a=（10～15）d2 d2炮孔直径（mm）,炮孔直径40mm；周边孔间距a取0.5m。

4.1.2 周边孔密集系数

密集系数过大，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，反之则可能出现超挖。由此可见，周边孔密集系数是光面爆破的一个重要参数。实践中多取0.5～0.8,即最小抵抗线大于孔距,具有小孔距、大抵抗线的特点。炮孔密集系数计算公式为：

K=a/W=0.5/0.7=0.71

K-周边孔密集系数；

a-周边孔间距,取a=0.5；

W-光爆层厚度（周边孔最小抵抗线）,周边孔最小抵抗线W取0.7m。

4.1.3 线装药密度

线装药密度是指单位长度炮孔的装药量，又称装药集中度，用计算式为：

Q1=qaw

式中 q-单位体积耗药量（kg/m3）；

a-光爆炮孔间距（m）；

w-光爆层厚度（m）。

取q为0.5kg/ m3, 线装药密度Ql=0.15 kg/m,实际取Ql为0.2kg/m。

4.1.4 炮孔装药结构

周边孔采用轴向空气间隔装药结构，在光爆炮孔深4m中安放4个药包（每个药包0.2kg）,用导爆索起爆，数个光爆炮孔用同一段毫秒雷管（13段）起爆导爆索。要特别指出，炮孔填塞长度不小于0.7m。

4.1.5 光爆炮孔起爆间隔时间

光爆炮孔与内圈炮孔起爆时间间隔为190ms,即内圈炮孔为11段，周边孔为13段。

4.2 光爆炮孔施工

光面爆破效果的好坏与炮孔的孔形、周边炮孔外插率、炮孔深度、周边孔的孔距误差、周边孔最小抵抗线误差，炮孔装药、填塞连线等诸多环节有很大关系。

4.2.1 测量布孔

钻孔前，测量人员用全站仪测量出隧道中心线和拱顶高程；用激光断面仪测量出隧道开挖轮廓线，用红油漆画出隧道开挖轮廓线，并标出炮孔位置。

4.2.2 钻孔

周边孔沿隧道断面开挖轮廓线上按周边孔间距均匀布置，允许沿断面轮廓线调整的范围不大于5.0cm，以2°～3°的角度外插，并根据炮孔深度来调整外插角度，孔底不超过隧道断面开挖轮廓线10cm，力求孔底在同一垂直面上。

4.3 光面爆破参数的调整实施原则

4.3.1 根据围岩变化调整

在隧道开挖施工过程中，围岩级别会发生变化，为了确保隧道光面爆破效果，光面爆破设计参数应针对围岩变化情况而调整。滕州隧道进口部分地段是不均质岩体，掌子面围岩左侧较破碎、夹有多条带状红色黏泥，右侧掌子面围岩整体性较好，各占隧道断面近二分之一，在钻爆施工作业时对左侧周边孔孔距与光爆层厚度以及各类炮孔的孔距、排距作了相应的调整，加大左侧周边孔孔距与光爆层厚度，减少断面左侧的炮孔数量和孔内的炸药填装量。经过调整后光面爆破取得了良好的效果。

4.3.2 根据光爆效果调整

光面爆破参数经过设计选定后，爆破效果可能达不到最佳效果，隧道洞身会出现超欠挖现象，需要对光面爆破参数进行调整。隧道洞身出现欠挖，需减小周边孔距、光爆层厚度、增加炮孔的数目和炸药填装量；隧道洞身出现超挖，需加大周边孔距、光爆层厚度、减少炮孔的数目和炸药填装量。经过二、三个钻爆循环作业参数的调整，光面爆破就达到了最佳效果。

5 结论

滕州隧道开挖长1504m，采取上下台阶两步爆破开挖，月掘进175m，于2009年4月15日安全顺利地贯通，比预计工期提前了45天。该隧道开挖不但取得了爆破掘进施工进度快的好成绩，而且光爆质量极佳，Ⅱ-Ⅲ级围岩地段上下台阶光面爆破，炮孔半眼痕保留率高达95-100%，如图3所示，直观地感到爆破后的开挖极为光洁平顺，无超欠挖，岩体无裂纹，给人安全感。滕州隧道光面爆破技术极具推广价值，为今后大断面隧道施工提供了宝贵的经验。