隧洞爆破施工影响因素及控制

摘要：隧洞爆破是工程爆破专业的重要研究课题，实现预期的成型效果和掘进效率是爆破理论、爆破器材、钻孔成型工艺的最佳组合。本文通过在以石英云母片岩为主的中硬、软弱围岩及其结合带地层中工程爆破实践，针对以地质复杂、围岩破碎、多变为特征的隧道爆破作业，有效地进行不定性的围岩差异和动态的爆破设计参数调整。通过隧洞爆破设计功能分解，爆破参数模块化定位，依据预控爆破设计的参数，及时应对掌子面围岩的差异，确保爆破设计与实施同步，满足工程施工中快速进行隧道爆破作业的需要。

关键词：隧道爆破　因素及控制

Abstract：Tunnel blasting engineering blasting is an important research topic of professional, achieve the shaping and tunneling efficiency is blasting theory, the blasting equipment, drilling molding process of optimal combination. This article through to quartz mica schist in mainly in the hard, weak rock and light strata in blasting engineering practice, in view of the geological complex and surrounding rock is broken and much of the tunnel blasting characteristics into work, and effectively qualitative difference of the surrounding rock not blasting design parameters and dynamic adjustment. Through the tunnel blasting design function decomposition, blasting parameters modular positioning, based on the design of the blasting parameters is realized, to the differences in time face surrounding rock, ensure the blasting design and implement synchronization, meet the engineering construction of rapid tunnel blasting operation needs.

Key words：Tunnel blasting ;factors and control

1 引言

沪汉蓉通道武汉至安康增建第二线襄樊至胡家营段工程03标段，位于湖北省西北部，跨越湖北省襄樊地区的谷城县进入十堰市，全长32.06Km。全段有3KM以上隧道两座，即新武当山7720m，左家沟隧道3098m，3Km以下隧道9座，隧道共11座，全长19761m。隧道群主要穿越地层为元古界武当山群石英云母片岩、云母片岩及辉绿岩侵入体，由于遭受多期变形变质与岩浆活动的强烈改造，地质构造十分复杂，断裂、褶皱较为发育，岩层受构造影响较为破碎。

隧道穿越岩层以石英云母片岩、玄武岩为主,地质构造影响强烈，施工中针对以围岩破碎、多变为特征的隧道爆破设计，通过将隧道爆破设计按功能分区，爆破参数模块化定位，及时应对不定量的围岩差异和动态的爆破设计参数调整，确保了隧道爆破设计施工的有效实施。

2 隧道爆破设计与施工的主要影响因素

2.1地质构造对隧道爆破的影响

隧洞施工中开挖工作面不断纵向延伸，所穿越围岩的构造存在较大差异;且同一开挖面上围岩受地质构造的影响也存在较大的差异，理论上讲，每个工作面上爆破设计都有唯一性，即存在局部差异的调整。工程爆破的精确度是获得较为理想的爆破轮廓的关键，这主要在于：一是爆破完成后，围岩应力调整，位于成型轮廓上的岩体受节理和层理的切割易发生局部失稳、掉块脱落，不利于受力拱稳定;二是由于围岩局部的构造差异对工程爆破施工的准确度和针对性提出了更高的要求。

影响隧道爆破成型的因素有很很多，如爆破设计、钻孔精度、施工管理、地质变化、测量画断面等，在这些因素中地质变化和爆破设计是动态因素，每一循环都可能因围岩的岩性变化或岩层局部构造的不规则而进行爆破设计的调整。

在隧道不断向前掘进的过程中，工作面在硬岩与软岩、完整与破碎之间变化，要调整爆破设计参数的主要因素有：岩性变化、局部岩层构造差异;调整的内容有：掏槽区布置及线装药密度、扩槽区起爆顺序和药量、光爆带的布孔及线装药密度。

2.2爆破孔成型偏差、装药及起爆失误对隧道爆破的影响

实现隧道爆破设计意图的两个主要工序，一是钻孔，二是装药。钻孔成型质量受炮孔定位技术、钻孔机具、操作人员技术熟练等影响，是实施爆破设计的基础;装药工序的关键点一是各炮孔起爆顺序的准确定位和网络连接的可靠性，二是按中心掏槽区→扩槽区→周边成型区分块控制装药结构和线装药密度。

就整个工作面炮孔而言，单个炮孔空间位置偏差主要由开眼偏差、方向偏差、和岩石内部附加偏差组成，受偏差的影响，底部炮眼实际成型状况与设计图布置会出现很大差异。炮孔中心位置总偏差的偏差R取决于开眼偏差Re、方向偏差Rd、和岩石内部附加偏差Rr，可表示为：R=(R2e+R2d+R2r)0.5。工程实践表明，根据不同深度炮孔偏差的关系，当掘进深度为4m，钻孔累积偏差大于8㎝时，相邻两孔大于15㎝，对于直眼掏槽在装药量和炮眼布置正确时，炮眼利用率仅在80%左右，而同样偏差在楔形掏槽中，特别是在软岩爆破中影响较小。

装药及起爆失误会因一个炮孔的拒爆或出现较大的残眼，使下一排炮孔因抵抗线增大而形成严重的底坎，并遂层放大，延续至周边炮孔。工作面的起伏不平整，增大了下一循环钻孔难度和炮孔位置偏差。

根据施工统计低炮孔利用率是增加爆破作业成本的主要因素，炮孔利用率从90%到70%降低一个百分点，单项直接成本增加1.5%，总体增幅近30%。残余炮孔带来的底坎是下一循环爆破设计不能正常实施的主要影响因素。弥补方法一消坎，转入正常的施工状态，如此会增加下一循环作业的准备时间，二是局部参数调整即增加辅助炮孔，调整起爆时差和增加时序。如此会增大下一循环钻孔及起爆的技术难度。

2.3国内外研究的现状

据不完全统计，近50年来我国已修建铁路隧道总数达7 400余座，总长度超过4 200 km，隧道爆破在铁路建设中具有重要的地位，爆破是隧道开挖过程中的首要工序，它不仅直接影响隧道的工程速度，还直接关系到隧道安全、质量、工程造价。由于工作面的不断延伸地质的变化，要求操作人员掌握运用爆破设计相关理论知识，以工程类比法、预设计为指导，在实施过程中有针对性的及时有效实施爆破设计。目前国内外相关研究的情况：

中铁西南科学研究院刘正雄在“隧道爆破关键技术与发展”中指出软岩隧道爆破的关键技术与硬岩不同。软弱围岩隧道的爆破开挖必须慎重软岩隧道爆破首先应考虑尽量减少或控制爆破震动对围岩的破坏影响范围，以及采用光面爆破技术，确保周边开挖轮廓的成形效果，杜绝发生坍塌之后果。其主要控制点：其一，周边眼装药过量对周边围岩造成破坏所致;其二，爆破震动没有得到适度控制，震动过大所致。这就要求软弱围岩隧道的爆破必须采用关键技术——微震动控制爆破技术和光面爆破技术。

中铁十二局集团怀平生在“以色列卡迈尔(Carmel) 隧道控制爆破设计” 利用德国DIN4150标准进行控制爆破振动检算。以色列Carmel隧道工程实践，介绍了在隧道控制爆破设计，采用雷管分段孔外延时控制、周边孔减振措施。

西南科技大学环境与资源学院蒲传金，郭学彬，肖正学，张志呈在“岩土控制爆破的历史与发展现状”中回顾了岩土控制爆破的历史和发展现状，详细介绍了护壁爆破系列技术，给出了护壁爆破的各种装药结构。

西南交通大学土木工程学院的肖清华等在“基于先验知识和BP网络的隧道爆破参数计算” 提出为克服当前隧道爆破参数选取受人为因素影响的不足。以围岩普氏系数、隧道断面积、实际进尺和炮孔直径等为网络输人参数，以设计进尺、**单耗、周边孔距和掘进孔孔距等为网络输出参数，建立了台输入层、输出层和隐含层的神经网络模型，并给出了模型学习算法，提出了基于爆破先验知识的可加快模型求解收敛速度的网络学习约束条件隧道爆破参数的实例计算结果表明，给出的网络模型厦其算法能在借鉴已有爆破资料的基础上准确、快速计算爆破参数。

3　建立易于设别和可控的爆破设计施工分区控制模块

爆破施工由现场施工人员操作，当前技术工人缺乏，大量劳务人员参加培训时间短，导致实际的工效和工艺标准与预期目标相差太大，如何快速提高爆破作业人员的工作技能，实施有序的施工管理是关系到隧道施工整体工作有序推进的关键。我们针对我标段围岩类型的总体状况，将爆破设计分解为中心掏槽区→扩槽区→周边成型区，针对这三个区域的起爆特点，预设计为几种典型模式，便于现场类比采用，力求简洁便可行，方便现场操作调控。

3.1隧道爆破设计、施工分区控制

隧道爆破是在一个自由面状态下的掏槽成型爆破，其扩展过程是：中心掏槽区→扩槽→周边成型，即在既定的岩体内，布置炮眼和设置起爆顺序，最初的几个炮眼形成一个槽口，其余炮孔围绕这个槽口顺序地爆破扩大至设计轮廊，最后形成一个筒形的洞室空间，爆破过程中尽可能减小对洞壁岩石的破坏。槽口的形成是隧道爆破成败的关键，槽口的特点取决于掏槽方式和爆破效果。

按爆破设计意图隧道爆破一般划分为掏槽区、扩槽区、光爆区三个部分;掏槽区实现爆破过程由一个自由面向二个自由面转变，即借助起爆顺序、药量的有序控制，通过一系列炮孔空间位置的变化，获得一个达到预计深度的爆破槽口，这一过程要求钻孔精度高，起爆顺序正确。扩槽区将爆破槽口扩大至光爆层，这一过程是在有两个自由面状态下的浅孔爆破，但爆破孔在筒形状态下，受夹制作用大，合理的确定各个起爆孔的爆破顺序，满足扩槽炮孔最小爆破抵抗线和最小线装药密度的要求，才能实现扩槽爆破目的。周边区是紧临设计轮廊的爆破保护层，应用相邻炮孔在最小临界药量、最小时差状态下的爆破成缝理论，将周边区从设计轮廊上分离出来，以获得预期设计空间，主要采用预裂和光面爆破，其作业的要点：一布孔，炮孔沿设计轮廓布置的、符合设计要求的精确钻孔;二是周边眼装药结构选用约大于最小(临界)线装药密度成缝试验所确定的最佳线装药密度，三是选用起爆器材性能良好，爆破网络连接准确，有效，减小各炮孔间的起爆时差。

3.2爆破方案的选择

按铁路隧道断面设计，开挖净高度约为9m、净宽约8 m，根据围岩类别的不同，开挖方法有全断面开挖、半断面开挖;每一循环进尺控制在3 m左右。

爆破器材选择**选用乳化**，起爆采用非电毫秒雷管及其组成的起爆系统，周边眼装药结构采用小直径药卷和导爆索组合不耦合装药结构。

掏槽区布置，掏槽区布置在隧道断面中部，位置约偏下，是钻孔最方便的位置，便于提高钻孔精度和对称起爆扩槽区，掏槽类型大断面宜选用楔形掏槽(或V形掏槽)，掏槽区的槽口宽度可以通过几何作图确定，现场用简易三角尺定位，操作简易可控，减小相邻炮眼间的偏差。

扩槽区炮眼布置，要使扩槽区炮眼与掏槽眼的进尺相同，取决于炮孔底部的破碎条件，当掏槽槽口宽度小于最大抵抗线的最小值时，炮眼底部的抵抗线应减小或装药量应增大。当掏槽槽口宽度满足90°或更大的破碎角时采用矩形原理设计爆破破裂线。

周边炮孔布置及装药量：周边眼的间距E、周边眼的抵抗线W、线装药密度g、相邻炮孔的最小起爆时差(不大于50ms)是决定光爆质量的主要因素，较小的E有助于将光爆层从岩体上整体成缝切割下来，较小的线装药密度有利于保护岩面的完整和减小对围岩固有支护能力的损伤。采用护壁套管加工周边专用药卷，便于现场快速安装。

3.3装药量控制原则

在隧道开挖爆破中，可根据炮眼的部位及作用，采用不同的**单耗。周边眼可通过计算或试验，采用临界装药量;掏槽眼可采用加强抛掷爆破的装药量;扩槽眼和底板眼可采用标准抛掷爆破的装药量;槽腔上部的掘进眼可采用松动爆破的装药量;槽腔两侧的掘进眼可采用弱抛掷爆破的装药量;槽腔下部的掘进眼可采用标准抛掷爆破的装药量;二圈眼采用松动爆破的装药量。做到在保证爆破效果的前提下，控制**单耗，以达到控制**用量、减小爆破震动效应之目的。

3.4爆破设计实施的整体组合与差异对策

在隧道爆破施工中，影响隧道爆破效果的主要因素是钻孔精度、装药结构和起爆网络连接准确性，这是一项个体技术达标，班组协作有序，管理严谨的工作。从施钻、装药、起爆网络连接每一步都有标准、实施过程中有偏差，有专业爆破技术人员监督、检查、纠偏。采用开挖班专业班组的方式组织爆破作业，通过对爆破施工的工序和作业范围的分解，让工人掌握尽可能少的工序和工艺，通过分工组合实现整体水平的提高。

通过爆破工人的培训组织，使操作人员从知识和技能上有了很高的提高;把复杂的问题简单化是最好的解决方法，在现场组织中，我们把爆破布孔画出来，方向、倾角标出来，施钻过程整体清淅明了。周边装药结构、起爆药包及分段、堵塞炮泥等提前预加工好，装药过程中操作方便快捷;经我标多座隧道施工强化培训表明，开挖有效进尺炮眼利用率能达到90%以上，且光爆成型良好。

4、结论

隧道钻爆法施工是一项很成熟的施工技术，有关隧道爆破设计与施工的方法很多，相关文献和资料实践性很强，显然这是一项知识专一性和技术严谨性很强的工作。当前正是由于班组作业人员岗前培训的缺失，许多的工作不得不在岗位上补课，在这里我们结合工程对象，爆破器材、爆破方法，试图通过简便可行操作爆破参数定位，规范化的要素管理，帮助启发现场操作人员迅速掌握隧道爆破要领，特别是应对地质变化的爆破设计调整。

参考文献：

[1] 铁路隧道施工规范.北京：中国铁道出版社，2002.

[2] 关宝树.隧道工程施工要点集.人民交通出版社，2003.

[3] 怀平生.以色列卡迈尔(Carmel) 隧道控制爆破设计[期刊论文]-工程爆破 2007(9)

[4] 蒲传金，郭学彬，肖正学，张志呈. 岩土控制爆破的历史与发展现状[期刊论文]-爆破，2008 (9)

[5] 刘正雄. 隧道爆破关键技术与发展[期刊论文]-现代隧道技术2004年增刊(8～125)

[6]　王振东，郑华伟，沈振锋，徐胜，吴斌. 提高遂洞钻爆开挖炮孔利用率研究[期刊论文] -中国水运 2008 (9)

[7]　蔡书生，闫宇振. 隧洞开挖爆破计算机辅助设计[期刊论文]-爆破，2005 (6)