隧道开挖减振光面爆破施工工法.doc
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隧道减振光面爆破开挖施工工法
1．前言
随着我国山区高速公路快速发展，为缩短公路里程、适应山区地形、节省投资，减少耕地占用，隧道成为很重要的一种公路结构形式。
隧道开挖施工需要解决的两个重要问题是：
一是根据新奥法原理，减少超欠挖，加强围岩的自承能力，千方百计把对围岩的损伤程度控制在最小限度以内，像保护我们眼睛一样地保护围岩；另一个是最大限度地降低爆破振动，减少对隧道围岩和支护体系的振动，减少隧道爆破对地表及附近民房和农用构筑物的影响。
2010年3月，集团公司在高速公路隧道工程施工中，成立专门科研小组，组织科学技术攻关，以张家口至涿州段高速公路四标西马各庄隧道为研究对象，经过不断研究和总结，形成了一套隧道减振光面爆破开挖施工技术，并且在张家口至涿州高速公路五标的南台1#、南台2#隧道得到良好的应用，后经过认真总结，形成了此工法。
2.工法特点
1．采用掏槽爆破技术，将爆破振动控制在《爆破安全规程》（GB6722-2003）要求范围之内，确保地表及附件建筑物的安全；冲击波小，低噪音，消除居民的恐惧心理和不适感。
2．采用光面爆破技术，进行减振方案设计，采取减振措施，减少对保留围岩的扰动，减少超欠挖，隧道断面成型好，增强围岩的自承能力。
3.利用测振仪进行安全振动动态监测，根据检测结果确定爆破振动衰减规律，及时调整开挖方案和爆破参数，达到减振及光面爆破的双重效果。
3.适用范围
适用山岭隧道以及地下铁路、防空通道、矿山巷道、水电站导流洞等地下工程爆破开挖。
4.工艺原理
根据隧道开挖新奥法施工原理及围岩类别，采用掏槽爆破与光面爆破相结合的施工方案，采取减振措施，降低爆破振动速度，减少对围岩扰动，增强围岩的自承能力，同时利用测振仪进行安全振动监测，根据检测结果确定爆破振动衰减规律、优化调整开挖方案和合理进尺，控制爆破振动的危害。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工准备：
确定总体施工方案，配备劳动力、机械、材料
确定开挖方法
爆破振动监测设计
施工工艺及操作要点
制定
减振措施
光面爆破设计
掏槽爆破设计
修改爆破设计
测量隧道轮廓线；布孔
钻孔
装药和堵塞
连接起爆网络
警戒、起爆
埋设爆破振动监测点
现场爆破振动监测准备就绪
若不符合量测基准
图5.1施工工艺流程
5.2施工工艺及操作要点
5.2.1施工准备
1.确定爆破开挖施工方案
1）采用掏槽爆破技术和光面爆破技术相结合施工方案。
隧道爆破开挖质量，关键在于掏槽爆破技术和周边成型控制爆破技术，掏槽爆破的目的：
为后续炮眼爆破提供新的、足够的临空面和空间，隧道周边成型控制爆破技术采用光面爆破施工技术。
光面爆破参数的选择，采用工程类比法并结合施工经验综合选取，并由现场爆破试验进行总结和动态调整。
2）确定爆破振动安全标准
根据《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定，爆破振动安全允许标准见表5.2.1
爆破振动安全允许标准表5.2.1
序号
保护对象类别
安全允许振速/（cm/s）
<10Hz
10Hz~50Hz
50Hz~100Hz
1
土窑洞、土坯房、毛石房屋
0.5~1.0
0.7~1.2
1.1~1.5
2
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物
2.0~2.5
2.3~2.8
2.7~3.0
3
钢筋混凝土结构房屋
3.0~4.0
3.5~4.5
4.2~5.0
4
一般古建筑与古迹
0.1~0.3
0.2~0.4
0.3~0.5
5
水工隧道
7~15
6
交通隧道
10~20
7
矿山巷道
15~30
8
水电站及发电厂中心控制室设备
0.5
注1：
表列频率为主振频率，系指最大振幅所对应波的频率。
注2：
频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取。
选取频率时亦可参考下列数据：
硐室爆破<20Hz；深孔爆破10~60Hz；浅孔爆破40~100Hz。
A选取建筑物安全允许振速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。
B省级以上（含省级）重点保护古建筑与古迹的安全允许振速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。
C选取隧道、巷道安全允许振速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、埋深、爆源方向、地震振动频率等因素。
D非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速，可按本表给出的上限值选取。
爆破开挖区附近的房屋性质按保守估计，可以划归一般非抗震的大型砌块建筑物一类内。
根据隧道爆破振动的频谱分析，其主振频率f>20Hz，因此一般砖混结构房屋爆破振动安全允许标准为不大于2.3cm/s~2.8cm/s，其他设备和设施按照相关要求执行。
2.人、材、机配备
人员配备：
隧道爆破配备人员有爆破技术人员、生产管理人员、爆破员、安全员、凿岩机操作手、爆破辅助工等，所有人员均必须参加由公安部门组织的爆破安全培训并持证上岗。
对于作业班组、作业人员要保持相对稳定，人员数量满足施工需要。
材料准备：
采用当地民用爆炸物品管理部门批准使用品种，主要有非电导爆索、2#岩石硝铵炸药、2#岩石乳化炸药，炸药均采用ф25mm和ф32mm卷装炸药。
设备机具配置：
设备机具应结合隧道爆破方案、开挖方法、工期要求进行合理配置。
配套的生产能力应为均衡施工能力的1.2～1.5倍。
根据围岩类别和开挖方法，掌子面配备液压钻机台车、气腿式钻机、空气压缩机、半自动施工台架以及其它辅助设备等。
5.2.2确定开挖方法
隧道开挖按照新奥法原理施工，根据不同的围岩等级选择不同的开挖方法如全断面法、台阶法、三台阶法、弧形导坑预留核心土等，特别对于软弱围岩、断层破碎带及岩溶地段，严格按照“早预报、先治水、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测，步步为营，稳步前进”的原则，施工则由人工配合机械开挖或弱爆破进行开挖，稳扎稳打。
为提高围岩的自承能力，对坚硬围岩则主要控制对遗留岩体的损伤，而对软弱破碎围岩则是主要控制围岩的松弛，各开挖方法确定应考虑爆破振动控制和爆后光面层的要求。
各级围岩一般开挖方法见表5.2.2。
各级围岩开挖方法表5.2.2
围岩级别
开挖方法
机械配备
正洞Ⅰ、Ⅱ级
全断面法、台阶法
液压钻机台车配YT28风动凿岩机钻孔，减振光面爆破
正洞Ⅲ级
台阶法开挖
钻孔平台配YT28风动凿岩机钻孔，减振光面爆破
正洞Ⅳ级
台阶法或三台阶法开挖
钻孔平台配YT28风动凿岩机进行上下断面钻孔，减震光面爆破
正洞Ⅴ级
导坑预留核心土、三台阶七步法开挖
风镐配合机械开挖，减震光面爆破或非爆破法开挖
5.2.3掏槽爆破技术
掏槽爆破是利用微差爆破的原理，在只有一个临空面条件下，首先在工作面形成较小但有足够深度的槽穴，创造其它炮孔爆破需要的辅助自由面和破碎岩石膨胀空间，为后起爆装药眼创造有利爆破条件，依次扩大槽腔。
这个槽穴是隧道等地下工程施工开挖中的先导，掏槽爆破是实现爆破减振的关键，隧道爆破能否减轻爆破振动，关键在于掏槽爆破能否成功。
掏槽爆破若失败，爆碴未抛掷出去，大部分爆炸能量将以振动波的形式传播出去，则掘进无进尺，爆破振动大。
掏槽型式主要取决于岩性和掏槽眼深度，其主要包括空眼直径、空眼数目，布置掏槽平面几何形状等方面的控制。
在隧道爆破开挖中常使用直眼掏槽和楔形掏槽两种形式。
掏槽形式的选择应遵循如下原则：
掏槽孔设计越简单越好，易于工人掌握和实现设计；每孔掏出面积大，以节省钻孔劳动量和用药量；首段起爆的每装药孔占中空孔眼数多，可增大每装药孔的自由面和补偿空间，提高爆破效率；尽可能减少起爆段数；炮眼利用率高。
1.直眼掏槽
1）为保证减振效果和隧道围岩及地表、附近建筑物的安全，直眼掏槽适用于除韧性岩石之外炮眼深度小于2米的各种硬度围岩条件，尤其更适用于Ⅲ级~Ⅴ级围岩的台阶法、三台阶法、三台阶七步法、导坑预留核心土等围岩较差较小断面开挖。
经现场爆破试验、掏槽效果观测及地震波检测，直眼掏槽方法采用双孔眼六孔菱形直眼掏槽、相隔双孔眼七孔菱形掏槽和单孔眼五孔菱形掏槽三种型式，请见图1、图2、图3。
图5.2.3-1直眼掏槽型式示意图
2）特点：
掏槽眼都垂直于工作面，钻眼互相干扰少，要求钻眼精度高；岩石抛掷不远，爆渣集中，不易崩倒棚子和损坏设备；韧性岩石不适用。
利用中空眼作为其它炮孔临空面，在掏槽区域实现逐孔和少孔起爆，最大限度降低掏槽爆破单响药量，降振效果显著，提高炮孔利用率，装药量可至炮眼深度的85%左右。
隧道掘进施工多采用钻头ф32mm的小直径气腿式凿岩机，中空眼间距15~30cm，抵抗线间距25~50cm，中空眼的直径为60~100mm,解决的办法可用多个小直径空眼或毗邻并列的空眼来代替。
3）三种掏槽形式现场施工数据比较表，见表5.2.3-1
掏槽形式施工数据比较表表5.2.3-1
掏槽型式
抵抗距（cm）
眼数（个）
平均掏槽面积（m2）
孔深（cm）
起爆段数
炸药单耗（kg/m3）
W1
W2
装药孔
空孔
合计
双孔眼六孔菱形直眼掏槽
20
40
4
2
6
1.365
200
2
3.11
相隔双孔眼七孔菱形直眼掏槽
20
50
5
2
7
1.675
200
2
3.17
单孔眼五孔菱形直眼掏槽
20
40
4
1
5
1.36
200
2
3.125
由表分析：
三种掏槽型式炸药单耗量几乎相同，以相隔双孔眼七孔菱形直眼掏槽效率最高，单孔眼五孔菱形直眼掏槽效率最小，并通过振动波检测，其振动峰值均在2.3cm/s~2.8cm/s控制要求范围内，保证了爆破安全。
2.楔形掏槽
1）楔形掏槽形式：
楔形掏槽由两排及以上相邻对称的倾斜炮孔组成，爆破后形成楔形槽，槽可分为水平楔形和垂直楔形掏槽两种形式；其掏槽形式分为水平楔形掏
槽和垂直楔形掏槽；根据地质情况及开挖面宽度，可采用单层掏槽、双重掏槽、多重楔形掏槽，常采用对称多重楔形掏槽等方式。
2）楔形掏槽与直眼掏槽比较具有的优点：
直眼掏槽炸药消耗量大，炮眼利用率偏低，并需要大直径中空孔为其提供临空面。
楔形掏槽在岩石条件复杂、岩性坚硬又有较大塑性情况下，楔形掏槽显出更大的优越性。
楔形掏槽能提供较大区域的槽腔体积，有利于后续炮孔的爆破，提高循环进尺和炮孔利用率，有利于快速施工；楔形掏槽的夹制作用比直眼掏槽相对较小，减振效果较好。
但是药量控制不得偏大，不得盲目增加掏槽高度和采用大角度和大抵抗线，否则飞石过远、冲击波偏大。
3）适用条件：
楔形掏槽是斜眼掏槽中较易掌握并具有普遍性掏槽方式，其适用性较强。
适用于各种围岩等级（包括塑性岩石）、各种开挖断面的隧道爆破开挖，可根据开挖面节理裂隙发育程度以及走向分别采用水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽（当存在水平层理时应用水平楔形掏槽，当存在竖向层理时应用垂直楔形掏槽）。
4）起爆顺序：
根据现场爆破振速测试：
当采用楔形掏槽时，雷管使用ms1、3、5、7、9计5个段别的非电毫秒雷管，在距工作面5m附近测得最大振动速度超过20cm/s，同等条件下采用不跳段布置，即用ms1、2、3、4、5、6、7、8、9等段，其振动速陡降10cm/s以上，其超前支护以外的围岩坍落高度大大减小,通过分析与测试表明,控制爆破振动是防止不良地质条件下产生坍方及降低爆破危害的有效措施。
对于双重楔形掏槽起爆顺序如下（对于多重楔形掏槽与此类同）：
图5.2.3-2楔形掏槽的起爆顺序
5）楔形掏槽炮眼布置特点
①.掏槽爆破是相邻掏槽孔装药爆炸作用相互叠加的结果，相邻炮孔起爆后装药爆炸产生的动态应力场和准静态应力场相互叠加，使岩石破碎、抛掷，实现掏槽爆破。
②.楔形掏槽爆破时掏槽孔倾角一般控制在45~70°，且不同强度的岩石掏槽爆破时需要做爆破试验确定与之相适应的最佳炮孔倾角，才能有效调整炸药爆炸能量的分配形式和分配比例，使其与掏槽效果相匹配，提高炸药的有效能量利用率，确保良好的掏槽效果，此需要根据现场爆破试验和爆破振动检测综合考虑确定。
③.掏槽孔对称布置可充分利用炮孔的相互作用，对掏槽爆破炮孔利用率、槽腔深度和槽腔体积均有较大影响，对称布置掏槽孔是保证掏槽效果的关键。
④.为发挥掏槽孔的共同作用，掏槽孔高度方向，雷管应连段设置不得跳段使用。
6）楔形掏槽孔网参数
①.楔形掏槽孔网参数
楔形掏槽由掏槽深度Wi、掏槽高度H及夹角θ、扩槽孔孔底最小抵抗线W、孔口间距a、炮孔长度L、掏槽孔最小抵抗线W等主要要素组成，如图5所示。
图5.2.3-3楔形掏槽剖面示意图
②.掏槽孔深度Wi
楔形掏槽深度与凿岩设备构造、开挖断面和地质情况密切相关，同时将减振效果和掏槽效果作为决定进尺的先决条件，按下表通过爆破试验和减振效果进行综合确定：
开挖断面大小决定的掏槽深度Wi单位：
m表5.3.2-2
断面宽度（m）
4～5
5～6
6～8
8～12
备注
最大掏槽深度
2～2.5
2.5～3
3～4
4～6
由开挖断面、地质岩性确定，未考虑减振因素
推荐掏槽深度
1～1.5
1.5～2
2～2.5
2.5～3
由地质岩性、减振因素、合理循环时间综合确定
地质情况决定的掏槽深度Wi单位：
m表5.3.2-3
围岩类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ及以上
备注
最大掏槽深度
0.5～1.0
0.8～1.2
1.5～2.5
2.5～4
>3.5
充分考虑减振因素
推荐掏槽深度
0.5～1.0
1.0～1.5
1.5～2.0
2.0～2.5
2.5～3.0
③.掏槽高度H及夹角θ
掏槽高度由岩石性质决定，可按表5.3.2-4选择:
掏槽参数与岩石极限抗压强度关系表5.3.2-4
类别
极限抗压强度（Mpa）
夹角θ（o）
相邻眼口距离a（m）
掏槽高度H（m）
单层炮孔数N（个）
次坚硬岩石
及软岩
20～60
45～50
0.5～0.8
0.5～0.8
4
60～80
55～60
0.4～0.5
0.4～1.0
4～6
普通坚硬岩石
80～100
50～55
0.35～0.4
0.7～0.8
6
100～120
60～65
0.35～0.3
0.6～0.7
6
特坚硬岩石
120～160
60～65
0.2～0.3
0.4～0.6
6
160～200
65～70
0.2
0.4～0.6
6～8
④.扩槽孔底抵抗线W
扩槽孔抵抗线过大，不利于提高炮孔利用率，可按表5.3.2-5进行选取：
扩槽孔底抵抗线W取值表5.3.2-5
岩石软硬取值
坚硬岩石
中硬岩石
软岩
备注
允许值（m）
0.8～1.0
1.0～1.2
1.2～1.4
已计入钻孔偏差
建议值（m）
0.6～0.8
0.8～1.0
1.0～1.2
考虑技术可靠系数
7）楔形掏槽装药参数
①.计算经验公式
掏槽孔装药量不宜过大，装药量过大危害：
增大爆破振动扰动范围，影响围岩稳定及隧道地表、隧道附近建筑物安全；产生远距离飞石，损坏洞内设施。
装药量计算原则是应既能满足槽腔抛碴彻底又不致于产生过大振动。
（kg）
（kg/m）
同层楔形掏槽孔装药量建议按下述经验公式（公式5.3.2）进行计算，并结合表5.3.2进行取值:
式中:
a—指相邻孔孔口间距，单位：
m；
N—指同层掏槽深度Wi时的掏槽炮孔数，单位：
（个）
K—指标准爆破漏斗炸药单耗（kg/m3）；
Wi—指同层掏槽孔的掏槽深度，单位：
m;
f（n）—指爆破作用指数函数，其值为：
f（n）=0.4+0.6n3
θ—指楔形掏槽炮孔之间夹角；
L—指楔形掏槽炮孔深度，单位：
（m）
Q—单孔装药量，单位：
（kg）；
q线—单孔平均线装药量，单位：
（kg/m）
②.计算参数及线装药量参考取值
各参数及线装药量参照下表取值：
楔形掏槽炮孔装药量计算参数表表5.3.2-6
围岩
f（n）
K（kg/m3）
深度Wi（m）
夹角
θ（o）
间距
a（m）
炮孔数
Ν（个）
平均线装药量
q线（kg/m）
软岩
1～1.25
1～1.2
1～2
58
0.6～0.8
4
0.15～0.20
中硬岩
1.25～1.3
1.2～1.6
1.5～2.0
58～60
0.5～0.6
4～6
0.25～0.45
坚硬岩
1.3～1.5
1.6～2.0
1.2～1.5
60～70
0.4～0.5
6
0.50～0.65
注：
岩石可爆性好时，f（n）、θ取小值，a、wi取大值；可爆性差时，f（n）、θ取大值，a、wi取小值。
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