大断面隧道轮廓控制爆破技术研究与应用

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.350

大断面隧道轮廓控制爆破技术研究与应用

李启月^,¹, 赵新浩^,¹, 魏新傲¹, 郑静², 张建秋²

1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2. 中交第一公路工程局有限公司第五公司，新疆哈密 839000

Study and Application of Contour Control Blasting Technology for Large Section Tunnel

LI Qiyue^,¹, ZHAO Xinhao^,¹, WEI Xin’ao¹, ZHENG Jing², ZHANG Jianqiu²

1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2. CCCC First Highway Engineering Co. ，Ltd. ，Fifth Company，Hami 839000，Xinjiang，China

通讯作者: 赵新浩（1995-），男，江苏徐州人，硕士研究生，从事爆破与采矿研究工作。782204671@qq.com

收稿日期: 2018-05-22 修回日期: 2018-09-20 网络出版日期: 2019-07-08

基金资助:

国家重点研发计划项目“金属矿深竖井高效掘进与成井关键技术及装备”（编号：2016YFC0600802）、“新疆维吾尔自治区重大科技专项”（编号：2018A03003）和“特长公路隧道机械化安全快速施工技术研究”. 2018A03003-2

Received: 2018-05-22 Revised: 2018-09-20 Online: 2019-07-08

作者简介 About authors

李启月（1968-），男，湖南衡阳人，教授，从事非煤矿山采矿方法与岩土工程爆破方面的教学与研究工作qyli@csu.cn , E-mail：qyli@csu.cn

摘要

预留光面爆破层全断面一次爆破技术和导爆索三角形搭接起爆周边孔技术是控制大断面隧道轮廓成形效果的有效手段。介绍并对比研究了这2种爆破模式，给出相应的工程应用条件；分析了预留光面爆破层全断面一次爆破技术优势，给出预留光爆层爆破参数计算公式；分析了导爆索三角形搭接传爆机制，对传爆时间进行理论计算，结果显示该搭接方式可以在5 ms内将起爆信号传至整个爆破网路、相邻炮孔最大起爆时差小于1 ms。以东天山隧道工程为背景，对2种爆破模式进行现场试验，结果表明2种模式均可有效控制开挖断面轮廓，提高炮孔痕迹率，降低超挖量。2种模式的适用条件分别为：Ⅳ级围岩较好情况下及Ⅲ级围岩以上可应用预留光面爆破层全断面一次爆破技术，Ⅳ级围岩较差情况下乃至Ⅴ级围岩可应用导爆索三角形搭接起爆周边孔技术。

关键词： 大断面隧道 ; 预留光爆层 ; 导爆索三角形搭接 ; 轮廓控制技术 ; 光面爆破 ; 全断面

Abstract

With the general trend of tunnel construction in China towards large and super-large sections，the application of full-face blasting excavation method in tunnel excavation generally has the problems of poor contour forming effect，low trace rate of blasting holes and large under or over excavation.The technology of full section blasting with pre-arranged layer and the technology of detonating peripheral hole with triangular lap of detonating cord can effectively solve the above problems and achieve good contour forming effect.The two kinds of blasting modes are introduced and compared，and the corresponding engineering application conditions are given in this paper.The advantages of the full section blasting technology with pre-arranged layer are analyzed，and the calculation formula for the parameters of the pre-arranged layer is given.The detonating mechanism of triangular lap of detonating cord is analyzed.The theoretical calculation of the blasting time is calculated，and as a result,the detonation signal can be transmitted to the whole blasting network in 5 ms，and the maximum detonating time difference between adjacent blast hole is less than 1ms.Based on the Dong Tianshan tunnel project，the field tests of two kinds of blasting modes have been carried out.The results show that both modes can effectively control the contour of the excavation section，improve the hole trace rate and reduce the over excavation.The applicable conditions of the two modes are as follows：The technology of full section blasting with pre-arranged layer can be used under the good condition of Ⅳ class surrounding rock and above grade Ⅲ surrounding rock；The technology of detonating peripheral hole with triangular lap of detonating cord can be applied under the poor condition of Ⅳ class surrounding rock and Ⅴ surrounding rock.The results can provide reference for similar projects.

Keywords： large section tunnel ; pre-arranged layer ; triangular lap of detonating cord ; contour control technology ; smooth blasting ; full section

PDF (8298KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

李启月, 赵新浩, 魏新傲, 郑静, 张建秋. 大断面隧道轮廓控制爆破技术研究与应用[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(3): 350-357 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.350

LI Qiyue, ZHAO Xinhao, WEI Xin’ao, ZHENG Jing, ZHANG Jianqiu. Study and Application of Contour Control Blasting Technology for Large Section Tunnel[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(3): 350-357 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.03.350

光面爆破是控制轮廓成形效果行之有效的手段^[1,2]，广泛应用在隧道掘进施工中。然而，随着我国隧道建设的总体趋势往大断面、超大断面的方向发展^[3,4]，使用全断面爆破开挖方法对隧道进行掘进施工时，轮廓成形效果差的问题日渐突出。针对提高光面爆破质量的问题，诸多学者做了大量研究，如：徐颖等^[5]和宗琦等^[6]对空气垫层和水垫层不耦合装药结构进行了研究，结果表明软垫层可以缓冲爆炸压力，减少对围岩的压缩性破坏，延长作用时间，有利于裂隙贯通；罗伟等^[7]应用LS-DANA软件对炮孔堵塞长度进行了数值模拟，得出堵塞长度合理的炮孔爆破效果优于不堵塞或深堵塞炮孔的结论；马芹永等^[8]结合爆炸应力波与爆生气体综合作用破岩理论，推导出孔距与光爆层厚度之间的计算公式，为现场施工光爆参数的选取提供了理论依据；戴俊等^[9]和付玉华等^[10]考虑到岩体的初始损伤及内圈孔爆破对光爆层的二次损伤，引入损伤因子，推导出损伤条件下光爆参数的计算公式；戴俊等^[11,12]考虑到原岩应力与相邻炮孔存在起爆时差的影响，分别给出高应力条件下和存在起爆时差的孔距计算公式。

由此可知，现有研究主要集中在光爆参数的调整与修正上，取得了丰富的研究成果，而对起爆技术的研究却鲜有报道。众所周知，隧道施工中常用的普通导爆管雷管延期时间误差随雷管段别的提高而增大，单纯使用高（最高）段别导爆管雷管起爆周边孔难以满足光爆孔同时起爆的要求。岳中文等^[13]研究指出光爆孔同时起爆的爆生裂纹成壁质量比微差起爆效果好。因此，解决光爆孔同时起爆的问题，是获得较好光面爆破效果的重要途径。在安全、快速、经济且高效的隧道施工要求下，针对上述问题，研究并应用预留光面爆破层（以下简称“预留光爆层”）全断面一次爆破技术与导爆索三角形搭接起爆周边孔技术，以提高轮廓成形效果，具有工程实践意义。

1 隧道爆破掘进模式及选择

在隧道爆破掘进施工中，高精度导爆管雷管与数码电子雷管均可实现周边孔同时起爆，达到良好的轮廓控制效果，但其成本较高，相比而言，预留光爆层的光面爆破技术与导爆索三角形搭接起爆周边孔技术在技术上可行且经济上更为合理。预留光爆层的光面爆破技术是指同一掌子面的周边孔和崩落孔不同时起爆，应用形式有2种^[14,15]：一是分步开挖—预留的光爆层单独起爆；二是一次爆破—上一循环预留的光爆层与下一循环的掏槽孔同时起爆。前一种方法仅仅起爆周边孔，单响药量小、降振效果好，可应用在降振要求极高的小净距隧道和城市浅埋隧道开挖中^[16,17]，但同一断面的炮孔分2次爆破，不仅会增加施工工序，而且造成生产效率低下，单次爆破循环时间延长，一般在工期紧张且无特殊降振要求的隧道施工中不予采用，故本文仅研究后一种方法。导爆索三角形搭接起爆周边孔技术是指在周边孔外围敷设一条主干索并配以若干支索，实现炮孔内引出的导爆索、主干索和支索两两相连呈三角状，先由高段别的导爆管雷管引爆炮孔内导爆索，再由被引燃的导爆索迅速将起爆信号传至整个起爆网路。

预留光爆层全断面一次爆破技术的施工效率高，但工人必须在裸露的光爆层下进行装药等工作，破碎围岩下存在安全隐患，不宜应用；导爆索三角形搭接起爆周边孔技术适用于各级围岩，但需将导爆索两两缠绕，工序上稍显繁杂，在围岩较好的情况下，采用此方案将会影响施工效率，不建议使用。鉴于此，综合考虑安全因素与施工效率，得出如下结论：在Ⅳ级围岩较好情况下及Ⅲ级以上岩体中可应用预留光爆层全断面一次爆破技术；在Ⅳ级围岩较差情况下乃至Ⅴ级围岩可使用导爆索三角形搭接起爆周边孔技术。

2 预留光爆层全断面一次爆破技术

2.1 技术介绍

预留光爆层全断面一次爆破技术的作业线跨度为2个循环进尺长度，应用此技术需提前预留光爆层，即：将二圈孔以内的炮孔全部崩落，唯独光爆层不爆，所预留的光爆层与下一循环的掏槽孔1段同时起爆，一次爆破开挖模式如图1所示。在装药前，需认真清理浮石，排除岩石掉落风险。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 预留光爆层全断面一次爆破开挖示意图

Fig.1 Schematic of full section blasting excavation with pre-arranged layer

2.2 预留光爆层光爆参数的确定

（1）孔距。光面爆破的孔距设计可依据爆炸应力波与爆生气体综合作用破岩理论^[18,19]，利用文献[6,7,8]给出的公式进行计算，但该计算公式并没有考虑岩石损伤系数，计算值比实际施工值大^[9]，施工值需在此基础上乘以一个修正系数，实践表明修正系数取0.8较适宜。依据邓建勋等^[20]的研究结果，预留光爆层情况下周边孔间距E是常规爆破下的1.1~1.3倍。即三者之间满足以下关系：

\{\begin{array}{l} E_{L L} = 2 E_{1} + 2 E_{2} \\ E_{S S} = k_{1} \cdot E_{L L} \\ E_{Y L} = k_{2} \cdot E_{S S} \end{array}

（1）

式中：E_LL为理论计算孔距；E_SS为损伤条件下的孔距；E_YL为预留光爆层下的孔距；E₁为应力波产生的裂隙区半径；E₂为爆生气体作用下裂隙扩展区域；k₁、k₂为修正系数，k₁取0.8，k₂取1.1~1.3。

（2）光爆层厚度。光爆层厚度是影响光爆质量的关键因素，其值的选取，不仅影响爆破效果，而且影响爆破后围岩的稳定性。当光爆层厚度过大时，可能会引起光爆层无法完全从母岩脱落；当光爆层厚度过小时，极易产生超挖。光爆层厚度可由公式W=E/m计算得到，其中m为炮孔密集度系数，大量工程实践表明，炮孔密集度系数m取值在0.7~0.8之间时可取得较好的爆破效果。在实际施工过程中，应根据爆破后所预留的光爆层光面爆破效果和岩层岩性变化，实时调整参数。

（3）不耦合系数。合理的不耦合系数应能保证孔壁处的初始压应力小于岩石的抗压强度、初始拉应力大于岩石的抗拉强度。在施工过程中，采用小直径药卷连续装药结构形式，并适当地减小孔距，可以达到良好的光爆效果，但是小直径药卷需现场加工，不易获取，因此在炸药规格和钻孔直径确定的情况下，一般不改变径向不耦合系数，而是研究轴向不耦合系数。文献[5,6]给出了不耦合系数的计算公式，认为对于一般的小孔径，轴向不耦合系数取值在3~6之间较合适。实际施工时，轴向不耦合系数取值在3~4之间，可取得较好的爆破效果。

2.3 技术优势

（1）利用普通1段导爆管雷管起爆周边孔，延期误差时间降至最小，基本能满足光爆孔同时起爆的要求，使爆炸应力波在炮孔连心线方向上充分叠加，有利于光爆裂纹的形成和贯通，避免了因雷管延期误差过大造成的光爆孔逐孔起爆现象的发生。

（2）可根据所预留的光爆层爆破情况及时调整下一循环的孔距、光爆层厚度和本次循环的装药结构，在爆后所预留的光爆层较薄的地方减少药量，较厚的区域增加药量，易爆岩体减少药量，难爆岩体增加药量。

（3）预留的光爆层在开挖后数小时乃至数十小时再与下一循环的掏槽孔同时起爆，隧洞开挖引起原岩应力的重新分布，在炮孔连线方向有可能形成有利于光面爆破的预裂纹^[9]。

2.4 工程试验

（1）试验方案。试验在东天山隧道左洞进行，开挖岩石为凝灰质砂岩，围岩等级为Ⅳ级（围岩较好情况）。所选取的试验参数如下：由应力波与爆生气体综合作用理论计算并对其进行修正得到周边孔孔距在45~55 cm之间较合适，取50 cm作为施工参考值，施工过程中将周边孔孔距控制在45~55 cm范围内；光爆层厚度W为60~70 cm，选取65 cm作为施工参考值，在施工过程中控制光爆层厚度在60~70 cm范围内；药卷直径为32 mm，炮孔直径为48 mm，径向不耦合系数为1.5；炮孔深为4 m，堵塞0.2 m，装药长为1.05 m，轴向不耦合系数为3.62，采用“‘竹片+导爆索’多分段小空气间隔装药形式”，装药结构如图2所示，起爆网路如图3所示。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 装药结构图

Fig.2 Diagram of charge structure

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 起爆网络图

Fig.3 Diagram of detonating network

（2）试验结果。表1为8次试验的超挖量与炮孔痕迹率统计，图4为开挖断面扫描拟合图，图5为爆破效果图。由表1可知：应用预留光爆层全断面一次爆破技术进行隧道开挖，综合情况下炮孔痕迹率为91.1%，符合“铁路隧道光面爆破质量评定标准”提到的中硬岩炮孔痕迹率在70%以上的要求；平均线性超挖量为0.205 m，基本满足要求，但仍然较大，从图4可以看出开挖壁面并不是很平整光滑，起伏较大。在炮孔痕迹率达90%以上的情况下，依然出现较大超挖、开挖断面不平整现象的主要原因有：（1）为杜绝欠挖现象的发生，隧道施工中实际开挖轮廓线比设计轮廓线外放8～10 cm，而表1中的数据统计是在设计轮廓线基础上进行的，即测算的超挖量比实际偏大；（2）采用阿特拉斯生产的Boomer 281三臂液压凿岩台车进行钻孔施工，作业人员手工操控，难以钻凿平行垂直周边孔，与设计炮孔相比有一定的孔偏。

表1 平均线性超挖量与炮孔痕迹率统计（预留光爆层）

Table 1 Statistical of average linear overload and hole trace rate（pre-arranged layer）

爆破次数	平均线性超挖量/m	炮孔痕迹率/%
平均值	0.205	91.1
1	0.154	95
2	0.209	92
3	0.147	89
4	0.257	91
5	0.185	85
6	0.232	93
7	0.256	94
8	0.204	90

新窗口打开| 下载CSV

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 开挖断面扫描拟合图

Fig.4 Scanning fitting diagram of excavation section

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 预留光爆层全断面一次爆破效果图

Fig.5 Effect diagram of full section blasting with pre-arranged layer

3 导爆索三角形搭接起爆周边孔技术

3.1 技术介绍

在隧道爆破掘进施工中，周边孔通常采用空气间隔不耦合装药形式，为防止拒爆现象的发生，每个炮孔内除了装有导爆管雷管，还会全长敷设导爆索，以下分析均以此为基础。掘进施工时，可将2个炮孔内引出的导爆索进行搭接，搭接形式如图6所示，但这种搭接形式只能保证相邻2个炮孔同时起爆，并不能保证所有炮孔同时起爆。如图6中炮孔A、B和炮孔C、D可以同时起爆，但不能保证炮孔B、C同时起爆，光爆效果有所改善，但总体效果依旧不好；亦可采用导爆索分段并联的形式起爆周边孔，连接示意图如图7所示，但由于导爆索传爆的方向性，若附加导爆管雷管先于炮孔内雷管起爆，则可以保证所有炮孔同时起爆，将会有极好的爆破效果；若炮孔C内的导爆管雷管先起爆，主导爆索会被起爆，但炮孔A或B内的导爆索不会被引爆，无法改善爆破效果。若仅仅使用一根附加导爆管雷管起爆整个网路，由于传爆的稳定性，可能会出现传爆中断。为达到最先起爆的炮孔不论处于任何位置都能够实现所有炮孔同时起爆的目的，应用导爆索三角形搭接形式，即：在开挖轮廓外围敷设一条主导爆索，先将炮孔内引出的导爆索与主导爆索相连接，同时剪取一段约40 cm的导爆索作为支索，连接炮孔内引出的导爆索与主导爆索，连接形式如图8所示。连接时要注意导爆索传爆的方向性，支索传爆方向与主导爆索传爆方向应遵循小于90°的原则，图9所示为导爆索正误搭接示意图。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 相邻两孔导爆索搭接

Fig.6 Adjacent two hole detonator lap

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 导爆索分段并联

Fig.7 Subsection parallel connection of detonator

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 导爆索三角形搭接

Fig.8 Triangular lap of detonating cord

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 导爆索正误搭接示意图

Fig.9 Schematic diagram of correct overlap of detonating cord

3.2 传爆机制分析

导爆索三角形搭接可以保证任何部位先爆的炮孔均能够在极短的时间内引爆整个起爆网路。图10对导爆索三角形搭接传爆机制进行了分析，以图10（a）为例进行阐释：假如炮孔A先爆，炮孔A内引出的导爆索首先引燃支索，进而由支索引燃整个主干索，再由主干索引燃与之相绑缚的炮孔B、C内引出的导爆索，由于导爆索传爆的方向性，与炮孔B、C相连接的导爆索支索不起传爆作用。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 导爆索三角形搭接传爆示意图

Fig.10 Schematic of detonation propagation in triangular lap of detonating cord

3.3 技术优势

导爆索传爆速度为6 000~7 000 m/s，因而导爆索三角形搭接可以在极短的时间内将起爆信号传至整个网路。以图8为例，开挖跨度为12.5 m、高度为8.75 m的单心圆隧道，所需主干索长度为25 m，炮孔内引出的导爆索长度为4.5 m，孔距为0.5 m，传爆整个网路的最大时差T₁和相邻炮孔最大起爆时差T₂可分别表示为

\{\begin{array}{l} T_{1} = (L_{1} + L_{2}) / D \\ T_{2} = (L_{2} + L_{3}) / D \end{array}

（2）

式中：L₁为主干索长度；L₂为炮孔内引出的导爆索长度；L₃为相邻炮孔之间主导爆索长度；D为导爆索传爆速度。通过计算，得到T₁=4.9 ms，T₂=0.8 ms。

3.4 工程试验

（1）试验方案。试验在东天山隧道左洞进行，试验岩石为凝灰质砂岩，围岩等级为Ⅳ级（围岩较差情况），参数选取与常规全断面一次爆破相同，不同的是在周边孔外围添加一段主索和一些支索进行三角形搭接，搭接后实物图如图11所示。若一炮孔内剩余导爆索足够长，可将其与另一炮孔内引出的导爆索直接相连，同时连接主干线，图12所示为搭接改进示意图，搭接处要用电胶布紧密缠绕15 cm以上。很多施工人员对导爆索传爆方向性不熟悉，为防止因搭接错误而导致部分炮孔剧爆现象的发生，试验期间在每个炮孔内均装有一根15段的普通导爆管雷管，待作业人员熟悉后可以仅在隧道左右底角与拱顶炮孔各装一根15段的普通导爆管雷管。

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11 搭接实物图

Fig.11 Lap diagram

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12 搭接改进方案

Fig.12 Lap improvement scheme

（2）试验效果。表2为平均线性超挖量与炮孔痕迹率统计，图13（a）、（b）分别为Ⅳ级围岩下全断面一次爆破与导爆索三角形搭接爆破效果图。由表2和图13可知，采用导爆索三角形搭接可以有效控制轮廓成形效果，综合情况下炮孔痕迹率为88.5%，符合“铁路隧道光面爆破质量评定标准”提到的中硬岩炮孔痕迹率在70%以上的要求；平均线性超挖量为0.238 m，相对较大，且孔与孔之间断面不平整，除2.4小节第2部分所述原因，尚有如下原因：围岩为Ⅳ级（较差情况），岩体较为破碎，节理裂隙较为发育，在爆炸应力波与爆生气体综合作用下，孔间裂隙扩展方向带有很大的随机性，很难达到Ⅳ级（围岩较好）情况下乃至Ⅲ级以上围岩爆后的平整度，即：岩体越破碎，光爆效果越不理想。

表2 平均线性超挖量与炮孔痕迹率统计（导爆索三角形搭接）

Table 2 Statistical table of average linear overload and hole trace rate（triangular lap of detonating cord）

爆破次数	平均线性超挖量/m	炮孔痕迹率/%
平均值	0.238	88.5
1	0.241	85
2	0.258	92
3	0.276	88
4	0.179	83
5	0.234	90
6	0.245	93

新窗口打开| 下载CSV

图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13 爆破效果对比图

Fig.13 Comparison diagram of blasting effect

4 结论

（1）预留光爆层全断面一次爆破技术与导爆索三角形搭接起爆周边孔技术均能实现光爆孔同时起爆，起到很好的轮廓控制效果，这2种模式在技术上可行、经济上合理；在安全、快速、经济且高效的隧道施工要求下，建议在Ⅳ级围岩（较好情况）及Ⅲ级围岩以上应用预留光爆层全断面一次爆破技术，Ⅳ围岩（较差情况下）乃至Ⅴ级围岩应用导爆索三角形搭接起爆周边孔技术。

（2）预留光爆层全断面一次爆破技术具有能够满足光爆孔同时起爆，根据爆破情况及时调整爆破参数，以及有利于在炮孔连心线方向形成预裂纹等优势，可应用爆炸应力波与爆生气体综合作用破岩理论设计预留光爆层的光爆参数，但需进行修正与调整；工程试验表明：Ⅳ级围岩（较好）情况下，应用该技术，炮孔痕迹率可达91.1%，平均线性超挖量为0.205 m，符合相关部门质量评定标准要求，爆破效果良好。

（3）导爆索三角形搭接起爆周边孔技术传爆稳定可靠，能够在5 ms以内将起爆信号传至整个网路，实现相邻炮孔最大起爆时差小于1 ms。工程试验表明：Ⅳ级围岩（较好）情况下，应用该技术，炮孔痕迹率可达88.5%，平均线性超挖量为0.238 m，符合相关部门质量评定标准要求，爆破效果良好。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

过江，崔文强，陈辉 .

不同耦合介质光面爆破裂纹发展数值分析

［J］.黄金科学技术，2016，24（1）：68-75.