光面爆破设计原理及实列分析.docx
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光面爆破设计原理及实列分析
光面爆破设计原理及实列分析
前言
光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，形成规整的轮廓壁并尽可能多的保留半边眼痕迹和减小对围岩的扰动。
通过控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动，改善支护结构物的受力状况，确保施工安全和延长使用年限等方面有重大意义。
1光面爆破的机理
光面爆破是沿开挖轮廓线布置间距较小的平行炮眼，在这些光面炮眼中进行药量较少的不耦合装药，然后同时起爆，爆破时沿这些炮眼的中心连线破裂成平整的光面。
通过国内外实验室研究和现场生产实践可以看出，光面爆破是由于采用不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低，此时药包的爆破作用为准静压力。
当炮孔压力值低于岩石的抗压强度时，在炮眼壁上不至造成“压碎”破坏。
这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能引起少量的径向细微裂隙。
裂隙数目及其长度随不耦合系数和装药量而不同。
一般在药包直径一定时，不耦合系数值愈大，药量愈小，则细微裂隙数愈少而长度也愈短。
光面炮眼组同时起爆时，由于起爆器材的起爆时间误差，不可能在同一时刻爆炸。
先起爆的药包的应力波作用在炮眼周围产生细微径向裂隙（图1-b的A炮眼）。
由于B炮眼所起的导向作用，结果沿相邻两炮眼连心线的那条径向裂隙得到优先发育。
在爆炸气体作用下，这条裂隙继续延伸和扩展，在相邻两炮眼的连心线同眼壁相交处产生应力集中，此处拉应力最大。
A、B两炮眼中爆炸气体的气楔作用将这些径向裂隙加以，扩展，成为贯通裂隙。
a）孔装药情况；（b）先爆炮孔对相邻炮孔的影响；（c）光面的形成形成光面
图1光面爆破时炮眼连心线上破裂面的形成
2.光面爆破的参数及工艺
2．1光面爆破主要有以下几个参数
影响光面爆破效果的主要参数是：
不偶合系数（D）、装药集中度（q）、炮眼间距（E）、周边眼密集系数（m）和最小抵抗线（W）.
2.1.1不偶合系数不偶合系数是指炮孔直径d和药卷直径d0之比。
D=d/d0
药卷在有空隙的炮眼中（不偶合装药）爆炸时，形成的冲击波随不偶合系数的增大而衰减。
导致爆破介质中的应变随不偶合系数的增大而衰减，在双对数坐标系中，应变与不偶合系数间的规律，见图2。
不偶合系数D一般为1.25～2.0范围内，在1.5左右比较合适。
2.1.2装药集中度间隔装药，以装药长度的平均线装药密度计，隧道爆破一般为0.04～0.4kg/m。
过大易破坏光爆壁面；过小则爆不下来。
2.1.3周边眼间距
周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采用以下经验公式确定：
E=（12～15）d
式中，d为炮孔直径
2.1.3周边眼密集系数周边眼密集系数是指周边眼间隔E与最小抵抗线W之比值，即m=E/W。
m值的大小，对光面爆破效果影响最大，下面从三种不同情况进行说明。
（1）当m=a/W=2时，则两个爆破漏斗不相连接，即使两个炮眼同时起爆，各炮眼也都单独破坏岩石，即在岩体中产生的压缩波到达自由面得同时，于两个炮眼中间相遇，其行程相等。
由此压应力而衍生的拉应力不足以使a、b间的岩柱造成裂隙，则留下abc的三角形岩柱，使岩面凸出（所谓欠挖），不能取得光面爆破效果。
如果两个周边眼不是同时起爆，更是如此。
如图-2（a）。
（2）当m=a/W=1时，如果两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面之前在abc间相遇。
由于该点C与ab点的距离小于最小抵抗线W，拉应力可使ab之间岩石产生裂隙。
如果两个炮眼不同时起爆，压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼的位置，该点c起自由面作用，也能使ab间岩石产生裂隙。
因此这两种情况都能取得光面爆破效果，如图-2（b）所示。
（3）当m=a/W=0.5时，不管是否同时起爆，压缩波到达自由面时，必须超过另一个炮眼的距离，拉应力不仅使ab间岩石产生裂隙，同时会破坏abc三角形而造成岩面凹进（所谓超挖），也达不到光面爆破的效果，见图-2（c）所示。
a
b
c
图2不同密集系数的爆破情况
实践表明，当m=0.8~1.0时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩中取小值。
2.1.4最小抵抗线W光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离，是光面眼起爆时的最小抵抗线，一般应大于或等于光面眼间距。
理论和实践均证明光面爆破炮眼间距与最小抵抗线之比为0.8为好，即E/W=0.8，则
W=1.25E
W—最小抵抗线，cm
E—炮眼间距，cm
2.1.5光面爆破装药集中度q。
光面爆破装药集中度可以按以下经验公式计算：
q=10（E+W）*
式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa
2.1.7周边眼的其他参数
（1）炮眼直径d。
光面爆破的周边眼直径无需选择，国内掘进常用的炮眼直径为35mm-50mm；
（2）周边眼的深度l和角度α。
“全断面一次爆破时，周边眼深度一般为2.5m-3.0m。
确定眼深时，还应考虑到其他作业的生产能力在掘进循环中的充分发挥。
周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角一般为3º~5º。
偏斜角度的大小，可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外100mm处。
隧道光面爆破常用参数如表1所示。
表1隧道光面爆破常用参数
岩石
类别
周边眼间距E（cm）
最小抵抗线W（cm）
相对距离（E/W）
装药集中度q（g/m）
硬岩
55~65
60~80
0.8~1.0
300~350
中硬岩
45~60
60~75
0.8~1.0
200~300
软岩
35~45
45~55
0.8~1.0
70~120
2.2掏槽爆破
隧道开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创造临空面，必须先在开挖面上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽。
隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术，掏槽的成功与否直接影响爆破效果，掏槽的深度直接影响隧道掘进的循环进尺。
而掏槽的成功与否，有与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆程序等有关。
在大断面隧道掘进中，为了加大掏槽深度，常采用双层、三层或四层楔形掏槽眼，这种掏槽称为复式楔形掏槽。
每对掏槽眼呈完全对称形或近似对称形。
2.2.1掏槽选定的条件
1）、开挖断面的大小及宽度
2）、地质条件
3）、机具器材条件
4）、钻眼爆破技术水平
5）、开挖技术要求等
2.2.2楔形掏槽需注意的几个关键技术问题
1）、楔形掏槽在断面较宽时，应当尽量缩小掏槽角，因而也要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。
2）、楔形掏槽在炮眼较深时，其底部加强装药应保持炮眼全长的1/3长度，前部装药（柱状结构）集中度可以减为底部装药集中度的40—50%或换成威力较低的炸药。
不应把炸药装填到炮眼口，而应大约流出20%的炮眼长度不装药，并装填不少于20cm长的炮泥。
3）、楔形掏槽眼应每级均应尽量同时起爆，以使用毫秒雷管爆破。
级间间隔时差也不宜太短，以50ms较合适，以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。
2．3光面爆破主要施工方案
用光面爆破开挖隧道时有两种方案，一种是全断面法，如图-3所示。
对于Ⅱ、Ⅲ类整体性好的围岩，可采用全断面法，此时掏槽眼、辅助眼等的参数按普通爆破来设计，周边眼则按照光面爆破来设计。
可用多段毫秒电雷管或非电导爆系统按顺序起爆，掏槽眼、辅助眼间起爆间隔时间不应小于25ms。
邻近周边眼的一排炮眼的药量要比其他炮眼的药量少，以控制围岩爆震裂隙的发展。
3.影响光面裂缝形成的因素
影响光面裂缝形成的因素很多，主要因素有装药量和装药结构，最小抵抗线与孔间距的比值，起爆方法、空孔等。
3.1装药结构
为了不破坏需要保护一侧的围岩，要采用较大的不偶合系数（D=d/d0），环状间隙装药和间隔装药，以及低猛度、低爆速（如2000m/s~3000m/s）、低密度的炸药。
3.2最小抵抗线、空孔与孔距
最小抵抗线应大于光面孔的孔距。
最小抵抗线过小时，孔与孔之间的光面裂隙来不及贯通，各孔就已朝自由面形成爆破漏斗，结果产生凸凹不平的破裂面；相反，最小抵抗线过大时，光面裂隙固然容易形成，但是自由面方向的爆破效果可能要恶化，会出现大块度。
根据理论推算和现场施工分析，空孔和最小抵抗线的比值最好是0.8~1。
在节理、裂隙发育的岩石中以及开挖面的拐角、弯曲部分，要加密炮孔或增加导向空孔。
3.3起爆间隔时间
实验室爆破试验研究表明，齐发起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之，秒差延期最差。
齐发起爆时，炮眼贯通裂隙较长，抑制了其它方向裂隙的发育，有利于减少炮眼周围的裂隙的产生，可形成平整的壁面。
所以，在实施光面爆破时，间隔时间愈短，壁面平整的效果愈有保证。
应尽可能减少周边眼间的起爆时差，相邻光面炮眼的起爆间隔时间不应大于100ms。
4．工程实例
4.1工程地质
枫相院隧道清水沟斜井是枫相院隧道4个进口之一，全长1582米，开挖断面面积50.43m2，开挖断面宽7.86m，其中Ⅲ级围岩1511m，占隧道全长的95.5%，其余为Ⅳ级和Ⅴ级围岩。
位于甘肃省陇南市武都区境内，地属西秦岭中山区，北高南低，山体陡峻，谷深且多呈“V”字形。
地面高程基本分布在760～2050m，高差约1300m。
隧道最大埋深位于DK440+500附近的婆娘山，约1220m。
隧道通过区出露的地层主要为：
第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚岩、变砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩。
本区属松潘—甘孜褶皱系之巴颜喀拉山冒地槽褶皱带。
隧道位于该冒地槽褶皱带的东部，隧道洞身无褶皱的地质构造现象，基岩稳定，产状单一，岩石较为完整。
4.2爆破方案
1、
类围岩稳定性较差，节理裂隙发育。
对
类围岩采用台阶开挖法，每个循环进尺为2.0m。
2、
、
类围岩稳定性较好，考虑到机械设备的使用效率以及工期的影响，对此类围岩采用全断面开挖法,每个循环进尺为3.0m。
4.3凿眼、爆破器材
4.3.1凿岩机械采用可移动式全断面作业台车，使用YT-28型气腿式凿岩机钻眼。
全断面作业时配合13台凿岩机同时钻眼，以保证开挖作业进度。
4.3.2爆破器材电雷管导爆索
4.4爆破参数
本隧道岩石特性：
第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚岩、变砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩。
主要岩层为千枚岩，为比较常见的变质岩的一种，粒状鳞片变晶结构。
4.4.1钻头直径40mm，故炮眼直径按42mm计，根据不偶合系数取值范围，确定药卷直径32mm。
则
D=d/d0=42/32=1.312
4.4.2周边眼间距和最小抵抗线
E=（12～15）d
d为炮孔直径，42mm
计算得：
E=504～630mm
合理的周边眼间距需要结合围岩类型、岩石条件等因素进行选择，对于节理发育、层理明显的地方，周边眼间距可适当减小。
本工程掘进过程中，主要是
级围岩，取E=500mm，在隧道侧面经多次爆破后根据岩石、钻孔等条件适当加密取E=480mm。
则根据W=1.25E，E=500mm，W=1.25*500=625mm，
E=480mm，W=1.25*580=600mm，
本工程中取W=600mm
4.4.3光面爆破装药集中度q
q=10（E+W）*
式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa，本工程中
级围岩的平均抗压强度为126Mpa。
计算得q=10（500+600）*√126=123g/m
根据光面爆破现场试验结果，优化和调整装药量，最后得到周边眼装药集中度最佳取值：
q=200g/m。
5.炮眼布置图
6.爆破参数，见下表
7、掏槽区爆破采用楔形掏槽，布置图如下
楔形掏槽布置图
8.钻爆施工与管理
8.1布孔。
为了确保光面爆破效果，由测量人员按照炮孔设计要求，利用全站仪将开挖断面中线、水平线、周边眼、掏槽眼准确地用红漆标在开挖面上，并由专人检查记录。
炮眼位置和钻眼方向均用红油漆标注，以便钻眼人员准确掌握钻孔深度和角度。
8.2钻孔。
在施工过程中，要求开孔准确，严格控制周边孔间距，其误差小于2cm。
为保证下一循环的掘进工作面净空，周边孔要保持3—5度的外插角，钻孔作业要求做到准、平、直、齐。
钻孔应尽量从上而下进行，以防止施工过程中泥浆堵塞已钻好的炮眼。
8.3装药爆破。
装药前，对经检查合格的炮孔用高压风管进行清理，将炮孔内的泥浆、石粉吹干净。
严格按设计装药量、装药结构及雷管段别进行填装，周边孔堵塞长度要大于20cm，所有装药的炮孔必须堵塞炮泥。
为确保爆破效果，避免瞎炮，联线工作应由专人负责。
8.4为了确保光面爆破效果，必须建立严格的钻爆管理制度。
根据施工规范允许的超、欠挖值，制定奖惩措施，并严格执行。
9.安全技术要求
9.1严禁在残眼上打钻。
9.2炸药加工应在专用加工房进行。
9.3采用竹制或木制炮棍装药。
9.4放炮时要发出使周围的人能听到或看到的预警信号，并在确认其他施工人员已撤至安全地点后才能起爆。
9.5爆破后应等待15分钟后爆破人员才能进入爆破点检查，并确认无瞎炮和其他危险后其他人员才能进入爆破区。
9.6如出现瞎炮，应由爆破人员处理，处理过程中，其他施工人员不能进入爆破区。
10.光面爆破效果
在已施工的清水沟斜井
级围岩地段，经过多次试验，光面爆破基本达到了预期要求。
爆破后形成了光洁平整的轮廓面，半残眼率超过了规范规定，达到90%,炮眼利用率达到了95%，欠挖很少，超挖基本控制在8cm之内，爆堆比较集中，岩渣粒控制在30m以内，没有二次爆破的现象，便于铲装。
光爆轮廓面
11.结语
从急速角度上讲，光面爆破施工过程中需要注意以下方面。
11.1钻孔质量。
周边孔德外插角掌握不当就会造成超、欠挖，影响周边轮廓的平整度。
11.2堵塞质量。
爆破作业中，不可忽视堵塞炮泥的作用，尤其是对不偶合系数较大的光面爆破。
11.3严格检查。
爆破前，对光爆孔的间距、孔深、外插角按要求进行检查、验收，并详细记录炮孔数目、装药量和围岩变化情况。
爆破后检查作业面得平整度、半孔率和超欠挖等，以便根据光爆效果调整和优化爆破参数。
参考文献
1、蒲小平《大瑶山隧道光面爆破技术》
2、《铁路工程施工技术手册-隧道》1995年铁道部第二工程局
3、《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204-2008中铁一局集团有限公司
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