双线铁路隧道光面爆破施工技术

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【摘要】随着我国山区铁路快速发展，为缩短铁路里程，增加运力，双线隧道占有较大的比重，在隧道施工中，大部分均采用了传统的普通爆破，没有真正体现出光面爆破优质、快速、低耗的优势。本文分析了光面爆破机理，结合工程实践，从爆破设计、爆破施工施工过程控制等阐述了双线铁路隧道爆破光面爆破技术要点，可为同类工程提供借鉴。

【关键词】隧道；光面爆破；施工技术

中图分类号：TU74文献标识码： A

1工程概况

成昆铁路永仁至广通段扩能工程为国家和云南省重点建设项目，工程设计为国家I级电气化双线铁路，正线全长92.009km。

成昆铁路永仁至广通段扩能工程三标段起点里程DK679+700，终点里程DK707+035.85，正线长24.490公里（短链2846.279米）其中双线隧道8座，双线隧道全长14.438公里,占线路总长的59%，其中Ⅲ级围岩占隧道总长的54.3%。隧道光面爆破效果的好坏直接关系到隧道开挖的质量和施工成本。

2 爆破原理

（1）应力波叠加原理

当相邻两炮孔同时起爆时，各炮孔爆炸产生的压缩应力波以柱面波的形式向四周扩散，并在两孔连心线的中点相遇，产生应力波的叠加。在交会处，应力波切向分量合力的方向垂直于连心线，而且方向相背，促使岩体向外移动，产生拉伸应力。当合成应力超过岩石的抗拉强度时，便会在两炮孔的中间点首先产生裂缝，然后，沿着连心线向两炮孔方向发展，最后形成断裂面。见图6.1-1 就力波叠加原理图。

（2）爆炸高压气体作用原理

在不耦合装药条件下的缓冲作用，由于空气间隙的存在，使得作用于孔壁的冲击波波峰压力大大地减小。炮孔爆破时，若岩体附近有空孔存在，则沿爆破孔与空孔的连心线产生应力集中，相邻两个炮孔越近，应力集中现象越显著。此时，首先在孔壁上应力集中最大的地方出现拉伸裂隙，然后，这些裂隙沿着炮孔连心线方向延伸。如果孔距合适，则相向的裂隙互相贯通，形成一个光滑的断裂面。见图6.1-2 爆炸高压气体作用原理图。

（3）应力波与气体共同作用原理

应力波的主要作用是在炮孔周围产生一些初始的径向裂缝，随后，爆炸高压气体准静态应力的作用使初始径向裂缝进一步扩展。当相邻的两个炮孔爆炸时，不论是否同时起爆，还是存在不同程度的起爆时差，由于应力集中，沿炮孔的连心线方向首先出现裂缝，并且发展也最快。在爆炸气体压力的作用下，由于最长的径向裂隙扩展所需的能量最小，所以该处的裂隙将优先发展。因此，连心线方向也就成为裂缝继续扩展的优先方向，而其他方向的裂缝发展甚微，从而保证了裂缝沿着连心线将岩体裂开。

（4）相邻炮孔组起爆时差对成缝机理的影响

周边孔同时起爆时，光面爆破裂缝平整，周边孔宜选择同一个段位。此外，周边孔组与其相邻炮孔组的起爆时差对爆破效果的影响也很大，如果起爆时差选择合理，炮孔间距及光爆层厚度适当，可获得良好的光面爆破效果。由里向外的径向起爆时差对光爆破效果的影响也很大，理想的起爆时差应该是先发爆破的岩石应力作用尚未消失，且岩石刚开始断裂移动时，后发爆破立即起爆。在这种状态下，既为后发爆破创造了自由面，又能造成应力叠加，发挥出毫秒爆破的优势。起爆时差随炮孔深度的不同而不同，炮孔愈深，起爆时差愈大。

3 光面爆破评价标准

铁路隧道施工验收标准对爆破开挖的评定合格的主要主要标准为：

（1）拱部平均线性超挖Ⅲ、Ⅳ级围岩≤15cm，Ⅴ级围岩≤10cm；最大超：挖Ⅲ、Ⅳ级围岩≤25cm，Ⅴ级围岩≤15cm；边墙平均线性超挖均为≤10cm；隧底平均线性超挖≤10cm，隧底最大超挖≤25cm。

（2）隧道不应欠挖，围岩完整、石质坚硬时，个别突出部分欠挖≤5cm（每1m2不大于0.1m2），允许拱脚和拱脚以上1m范围严禁欠挖。

（3）眼痕保存率：硬岩≥80%，中硬岩≥60%，并在开挖轮廓上均匀分布。

隧道光面爆破与普通爆破相比，光面爆破能大大降低爆破对围岩的破坏程度，保证施工安全；爆破后成型规整，提高隧道轮廓质量；减少超欠挖，减少支护工作量和材料消耗；有利于加快隧道掘进进度，降低成本。总之，与普通爆破法相比，光面爆破的优点是：快速、优质、安全、高效、低耗。目前国内对于光面爆破效果的评定标准各有不同，参考规范及经验，主要以体现开挖进尺的炮眼利用率、体现成形效果的眼痕保存率、影响成本的超欠挖控制效果作为光面爆破评价标准：

（1）炮眼利用率:裂隙不发育≥95%为优良；≥90%为良好；≥80%为一般；＜80%为较差。

（2）眼痕保存率：

裂隙不发育：≥90%为优良；≥80%为良好；≥70%为一般；＜70%为较差。

裂隙较发育：≥80%为优良；≥70%为良好；≥60%为一般；＜60%为较差。

（3）最大超挖超限率：上台阶允许最大超挖15cm为基准，＜10cm为优良；≥10cm＜15cm为良好；≥15cm＜20cm为一般；≥20cm为较差。

（4）平均超挖：上台阶允许平均超挖10cm为基准，≤5cm为优良；＞5cm≤10cm为为良好；＞10cm≤15cm为一般；＞15cm为较差。

（5）最大欠挖：上台阶允许局部欠挖5cm为基准，≤5cm为优良；＞5cm≤10cm为为良好；＞10cm≤15cm为一般；＞15cm为较差。

4 开挖断面及爆破方案的确定

以永广铁路三标段凤仪村1号隧道为例，该隧道Ⅲ级复合衬砌(加宽80厘米)段采用正台阶法施工。根据设计该段预留变形量为5～8厘米，根据监控量测分析，预留变形量取5厘米进行控制，确定上台阶开挖断面见Ⅲ级复合（加宽80）上台阶开挖断面图。

Ⅲ级复合（加宽80）上台阶开挖断面图

根据断面形状，确定光面爆破方案：采用径向微差环向逐层起爆，逐环接力，提高掘进效率的同时，提高光爆层均匀度，为周边孔最终光爆破成形创造条件；周边孔空气柱不耦合间隔装药，均匀剥离，提高爆破成形质量，见上台阶爆破方案图。

上台阶爆破方案图

5 光面爆破设计

钻爆设计应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻具和爆破材料等综合进行钻爆设计，结合现场实施来调整钻爆参数，达到安全、合理、经济的爆破效果。其爆破参数的选定最好实地试验确定，也可参考有关光爆和预裂爆破的相关资料选定。

5.1周边光面爆破设计

（1）计算周边炮孔装药量

1）装药不耦合系数：Kd=dc/db=3.2/4.2=0.762

式中:db--炮孔直径（0.042m）；dc--装药直径（0.032m）；

2）装药系数：LL≤((8kbσc)/(nρ0D2))(db/dc)6

=((8*10*81*106)/(10*1050*36002))*(0.042/0.032)6=0.243

式中:kb--体积应力状态下的岩石强度提高系数（kb=10）；σc--岩石的抗压强度（取样试压81MPa=81*106Pa）；db--炮孔直径（0.042m）；dc--装药直径（0.032m）；n--为爆炸冲击波撞击炮孔壁引起的压力增大系数（一般取n=10）；ρ0--炸药密度（ρ0=1050kg/m3）；D--为炸药爆速（3600m/s）。

3）炮孔装药线密度：q1=(Л/4)(ρ0db2Kd2LL)

=(3.1416/4)*(1050*0.0422*0.7622*0.243)=0.21kg/m