隧道光面爆破钻爆设计

一 工程概况

xx隧道地处xx山脉中段，属中低山丘陵地貌。区内地形起伏大，绝对高程为230~978m，相对高程200~600m。由于构造格局及岩性的控制，山脉走向与构造走向近于一致，多呈北东走向，形成沟谷及山脊走向亦多呈北东走向，沟谷呈“V”字型，两侧山坡坡度为25°~45°，局部形成陡坡。植被发育，森林覆盖率达60%以上，为双牌县主要林区之一，区内居民点零星分布。隧道进出口端均有乡村便道与双牌~江村公路（碎石路面）相通，交通条件差。隧道进口里程为D3K77+565，出口里程为D3K83+946，中心里程为D3K80+755.5，全长6381m。XX集团承建D3K81+600~D3K83+946段2346m的爆破施工作业。

隧道爆破施工过程中光面爆破效果不理想、超欠挖现象严重，影响隧道施工作业的安全和进度要求，因此我院受XX集团委托，承担xx隧道D3K81+600~D3K83+946段的光面爆破咨询任务。 二 工程地质条件

（一） 地层岩性、地质构造及地震

（1）地层岩性

隧道上覆第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）、坡崩积（Q4dl+col）、坡残积（Q4dl+ell）粉质粘土、卵石土、碎块石土等；出露基岩为泥盆系中统跳马涧组（D2t）石英砂岩、粉砂岩夹页岩，下统（D1）石英砂岩、粉砂岩，奥陶系上统中组（O32）、下组（O31）浅变质石英砂岩、板岩。现将段内岩性分述如下：

1）粉质黏土（Q4al+pl）：灰褐、褐黄、棕黄、棕红、紫红色，软~硬塑状。含石英砂岩、粉砂岩、板岩质漂石、卵石、砾石。厚约0~7m，属Ⅱ级普通土。主要分布于沟谷、沟槽内。

2）卵石土（Q4al+pl）：紫红、灰黄、褐灰等色，松散~中密，潮湿~饱和状。卵石含量约60~70%，φ20~200mm，余为圆砾、漂石、碎石、块石及黏性土充填。局部为漂石土，石质成分为石英砂岩质，磨圆度较好，分选性差。厚约2~11m，属Ⅲ级硬土。主要分布于沟谷、沟槽内。

3）块石土（Q4dl+col）：棕红、紫红色，潮湿~稍湿，松散~中密，石质以石英砂岩、粉

砂岩为主，块径为φ200~1500mm，厚4~20m，属Ⅳ级软石。主要分布于隧道出口左侧80m附近坡面。

4）粉质黏土（Q4dl+ell）：灰褐、褐黄、棕黄、棕红、紫红色，硬塑状。含石英砂岩、粉砂岩、板岩、灰岩质块石、碎石、角砾。厚约0~2m，属Ⅱ级普通土。广泛分布于测区坡面。

4-1）断层角砾（Fbr）：岩性与断层两盘的地层有关，由于构造作用，岩体完整性差，基本上多呈碎石状、角砾状，松散~中密状，潮湿状，属Ⅲ级硬土。

5）石英砂岩、砂岩、粉砂岩夹页岩（D2t）：石英砂岩紫红、浅灰、灰白、灰绿色，细粒~中粒结构，中厚~厚层状，质坚硬。粉砂岩紫红、紫灰、浅灰绿色，厚层~巨厚层状，粉砂质结构，钙质、铁质胶结；页岩紫红、灰白色，薄层状，质相对较软，出露者多为强风化（W3），厚0.30m左右。强风化（W3）岩体破碎，质较软，厚0~4m左右，属Ⅳ级软石；弱风化（W2）属Ⅴ级次坚石，与下伏D1地层呈平行不整合接触。据深孔钻探揭示：节理裂隙发育，裂隙偶见泥质充填及水蚀痕迹，具水平层理及小型交错层理。

6）石英砂岩、粉砂岩、细砂岩、含砾砂岩（D1）：紫红、紫灰、浅灰色夹灰黄色，石英砂岩细粒~粗粒结构，厚~巨厚层状，质坚硬；粉砂岩薄~中厚层状，钙质胶结。弱风化（W2）属Ⅴ级次坚石。底部为黄褐、灰褐色花岗碎屑岩、含砾岩。与下伏O32、O31地层呈角度不整合接触。据深孔钻探揭示：中厚层状，具水平层理，加薄层泥岩。

7）浅变质石英砂岩、板岩（O32）：浅变质石英砂岩灰、深灰、灰绿色，薄层~中层状，中厚~巨厚状，变质结构，节理发育。砂质板岩、炭质板岩，质软，易风化，全风化（W4）原岩结构清晰，易击碎呈土夹碎石角砾状，属Ⅲ级硬土；强风化（W3）锤易击碎呈碎石、角砾状，锤击声沉闷，属Ⅳ级软石；弱风化（W2），锤击声脆，属Ⅳ级软石。石英砂岩弱风化（W2），岩石坚硬，锤击声脆，属Ⅴ级次坚石。与下伏O31呈整合接触。据深孔钻探揭示：炭质板岩，薄层状，节（劈）理面平整光滑、质软、污手。

8）浅变质石英砂岩、板岩（O31）：浅变质石英砂岩紫红、灰绿、深灰色、灰黑色，中厚~厚层状，变质结构，质坚硬；板岩深灰、灰黑、灰绿色，薄~中厚层状，板状构造，劈理发育，致密，质较软。据钻探揭示强风化（W3）厚0~3m，属Ⅳ级软石；弱风化（W2）属Ⅴ级次坚石。据深孔钻探揭示：层面偶夹有薄层炭质薄膜、污手。

（2）地质构造

隧区处于xx华夏系构造带紫金山区中部，构造线方向为SN向至NNE方向，山脉与河流走向大致平行主要构造线方向。区内褶皱主要为牟江口向斜。主要断裂为平岭-东岭

压扭性断裂（F34）。现将区内主要的构造分述如下：

１）褶皱

牟江口向斜：属区域性向斜，与线路交于D3K79+400处，夹角约59°。向斜轴延伸方向为N57°E，于区内呈倒转向斜，轴面倾向南东，倾角40°左右，地层为奥陶系上统中组（O32），下组（O31）浅变质石英砂岩、板岩。NW翼主要岩层产状为：N50°~70°E/27°~80°SE；主要层理产状：N35~55°W/90°、N30°W /57°NE、N15°E/68°NW。SE翼主要岩层产状为：N50°~65°E/45°~78°SE；主要节理产状：N45°W/90°、N45°W／38°NE。据深孔钻探揭示：岩层倾角变化极大，从上至下岩层倾角由35°、30°变为75°、85°、65°，直立、45°、75°、40°、30°等，具有上下部倾角较平缓，中间倾角陡甚至直立，挤压褶皱明显的特点，如孔深108~137m及202~205m段，岩芯为半边砂岩半边炭质板岩，岩层倾角近似直立，有倒转趋势。

２）断裂

平岭-东岭压扭性断裂（F34）：属区域性断裂，从隧道D3K83+850~出口斜插而过，走向呈舒缓波状，约为N30~50°E，倾NW向，倾角约50°。断裂带上挤压破碎，破碎带宽 约20m，个别地段地层陡立或出现牵引褶皱。上升盘层理产状N25~40°E/26~56°SE；下降盘层理产状N8~45°E/9~57°SE。

（3）地震动参数区划

根据国家地震局《中国地震动峰值加速度区划图》（1/400万GB18306~2001图A1）该段地震动峰值加速度<0.05g。 （二） 不良地质现象及特殊岩土

测区内未见特殊岩土分布。 （1）围岩岩爆及变形预测

该隧道在DK80+590~DK82+220段埋深在500~3m，围岩由石英砂岩、炭质板岩构成；有产生隧道变形的可能，施工过程中岩层将产生剥落和发生岩爆，预测会发生中等岩爆。

（2）有害气体测试

该段隧道围岩由浅变质石英砂岩、炭质板岩构成。炭质板岩节理裂隙中有瓦斯及有害气体溢出，预测隧道甲烷相对涌出量0.00067m3/T.d，属低沼气溢出型。当瓦斯浓度达5~16%时有爆炸危险，H2S浓度>0.00066%及SO2浓度0.0007%时对人体有伤害危险。

（3）发射性特征

经自然伽玛测井测定，该孔岩层的自然伽玛放射性强度在105~217API，平均为161API，在隧道施工时，对人体无放射性伤害。

（4）井温

隧道内温度23.3~24.5℃，地温梯度1.25~1.7℃/100m，属正常地温范围。 三 光面爆破理论

隧道光面爆破采取微振动控制爆破技术。为控制超挖，周边采用光面爆破方法。隧道光面爆破要求周边眼爆破既能将岩石爆落下来，又能形成规整的轮廓，尽可能保留半孔痕 迹，减小爆破对围岩的扰动，减少超挖量。装药集中度(q)、最小抵抗线(W)直接影响周边岩石的爆落效果；“规整轮廓”主要与炮眼间距(E)、炮眼密集系数(m=E/W)和最小抵抗线有关(W)；半孔率主要与不耦合系数(D=d

炮眼

/d

炸药

)有关。因此，影响隧道光面爆破效果的

主要参数应是：炮眼间距(E)、炮眼密集系数(m)、装药集中度(q)、最小抵抗线(W)、不耦合系数(D)。而它们之间又是相互联系的，只有这些参数整体上处在某一正确的范围内，才能达到理想的光爆效果。

影响光面爆破效果的因素有很多，主要有围岩地质条件、炸药特性、断面形状和大小、钻孔质量等。其中岩地质条件和钻孔质量是最主要的影响因素。

实践表明，通常的光面爆破参数取值范围如下：炮眼间距E=(8~15)d、炮眼密集系数m=0.7~1.0、最小抵抗线W=(10~20)d或者W=E/m、不耦合系数D=1.5~2.0、装药集中度q=0.04~0.4(kg/m)

具体计算设计方法有：工程类比法、半经验半公式法、理论计算法。 四 xx隧道爆破施工概况

隧道光面爆破原始条件表

1 2 3 4 5 6 7 8 9 洞内开挖平面尺寸 洞内开挖断面面积 围岩类型 炸药类型 药包规格 光爆孔间距 光爆孔外插角 光爆孔最小抵抗线 周边眼孔深 6.26m×8.8m 49~69m2 Ⅲ~Ⅴ类围岩 2号岩石硝铵、乳化炸药 直径32mm 70cm以上 7°以上且不规则 孔口25cm 3m 10 掏槽眼孔深 4.5m xx隧道爆破施工采用微振动控制爆破技术，周边孔采用光面爆破方法。由于隧道围岩较差；同时隧道开工时间较短，爆破队伍对围岩性质认识不清，且对光面爆破技术的理解不到位、钻孔质量不高，造成了隧道光面爆破效果差，主要表现为半孔率低、光爆面不整齐、超欠挖严重等现象，最终影响到作为洛湛铁路控制工程的xx隧道的施工安全及掘进速度。

五 光面爆破的主要参数

（1）理论计算

隧道爆破炮孔钻孔时由外侧向中间分别为周边孔、辅助孔和掏槽孔。其中周边孔和辅助孔钻孔深度为3~3.5m，炮眼直径d炮眼=42mm；掏槽孔的钻孔深度为4~4.5m，超出周边孔和辅助孔的孔深50cm。

根据光面爆破的理论数据，取周边孔孔距E=(10~15)d，则炮眼间距E=(10~15)d=45~63cm，周边孔沿开挖边线均匀布置。装药集中度q=0.1~0.15(kg/m)；不耦合系数D=1.5~2.0。钻孔时，周边孔孔口边紧贴设计开挖边线，向外侧偏斜3～5°钻孔。与周边孔紧邻的一排辅助眼决定了周边眼最小抵抗线(W)，一般要求W=1.2E=55~60cm，辅助孔孔距设为0.7~0.8m，排距为0.6~0.8m。具体见《炮孔布置示意图》。

爆破参数的理论计算 A. 全断面钻孔数量N

根据泽波尔建议公式: N=a1+a2S

a1、a2——为岩体可爆程度确定的系数，经查a1=20, a2=1 则N=20+1×49=69，取N=65~75个 B. 周边孔平均炸药用量qp 根据公式：qp=aWLp(0.5~0.9)q qp——周边孔平均炸药用量kg a ——周边孔孔距cm W——周边孔最小抵抗线cm Lp——周边孔孔深

q——单位岩体耗药量kg/m3 取a=0.5m W=50cm

Lp=3m q=1.1kg/m3 则 qp=0.4~0.6kg。

（2）现场光面爆破试验效果分析

通过对先期爆破效果的观察和钻工钻孔质量、孔网参数的了解以及与钻工交流了解情况，认为主要是钻孔质量不高、孔网参数不当影响了爆破效果，决定从这两方面入手，通过试验手段不断提高光面爆破效果。通过与铁三局技术人员、爆破施工负责人的具体协商，决定光面爆破参数如下：

隧道光面爆破试验参数表

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 光爆孔间距 光爆孔外插角 光爆孔最小抵抗线 周边眼孔深 掏槽眼孔深 拱顶光爆孔装药量 装药集中度 不耦合系数 侧壁光爆孔装药量 其它炮孔装药量

在试爆前组织钻工培训，讲解光面爆破的理论知识及有关操作技巧，提升他们对光面爆破的认知水平。通过五次试爆，隧道光面爆破效果有了一定程度的提高，半孔率控制在85%以上、超欠挖有所改善。钻工不断掌握钻孔方法、提高钻孔精度，在后续的爆破施工过程中，光爆面的整齐度、超欠挖控制水平将越来越好。

（3）试验结论

现场试验参数是在理论计算与先期爆破参数的基础上得出的数值，光面爆破效果较先期有所改善。通过综合分析，将光面爆破参数确定如下：

60cm、分布规则 3°~5°（孔底外叉距离10~15cm） 60cm 3m 4.5m 0.3kg 0.1kg/m 1.68 从上而下由0.3kg至1.2kg递增 不作调整 光面爆破参数表

1 2 3 4 5 6 7 8 9 光爆孔间距 光爆孔外插角 光爆孔最小抵抗线 周边眼孔深 掏槽眼孔深 拱顶光爆孔装药量 装药集中度 不耦合系数 侧壁光爆孔装药量 55cm、分布规则 3°~5°（孔底外叉距离10~15cm） 60cm 3m 4.5m 0.3kg 0.1kg/m 1.68 从上而下由0.3kg至1.2kg递增

在后续爆破施工作业过程中，可参照上表确定光面爆破参数，参见附图。

（4）装药结构及炮孔堵塞

隧道光面爆破光爆孔采用分段装药结构，事先由炮工将药卷间隔串联在导爆索上，并用胶带绑扎在一根有一定强度的竹片上，装药时炮工将绑有药卷的竹片放入每个周边孔内，应使竹片紧靠围岩外侧，而药卷则紧靠开挖岩石的内侧，装药结构见下图。

光爆孔装药结构图

为保证爆破效果及充分利用炸药能量作功，隧道爆破施工时炮孔应用炮泥进行堵塞，堵塞长度为炮孔的未装药部分。对炮孔进行堵塞有利于提高爆破质量、提高炸药利用率、降低单耗等效果。

（5） 光面爆破施工细则

确定隧道施工方案时，要综合考虑隧道的地质条件、钻孔设备、爆破器材、支护方法和技术水平等因素来决定。应该特别强调的是，隧道开挖施工方案和爆破方法之间有着十分密切的关系。隧道光面爆破施工应遵循以下原则：

① 钻孔孔位依据测量定出的开挖轮廓线确定。周边孔在断面轮廓线上开孔，沿轮廓线等间隔布置炮眼，需要调整孔位时偏差不大于2cm，周边眼应向外侧偏斜3～5°钻孔，

周边眼外插角偏差不大于1°，各炮孔孔底落在规定的平面上，凹凸不平整度小于10cm；与周边孔相邻一排辅助炮孔的孔口距离不小于40cm，打眼方向水平、平行于掘进方向。

②钻孔前必须严格按照钻爆设计标示出孔位和编号；如果孔位与上次的残孔重合，必须适当移位，绝对不准在残孔内钻孔。

③ 必须保证钻孔质量。钻进中要防止漏钻和多钻，控制好孔位、孔深和角度，是保证光面爆破效果的基础。

④ 炮孔钻完后要及时清孔并用木楔封堵，防止落入石块等杂物。炮孔经检查合格后，方可装药爆破。

⑤ 为减少装药时间，事先由炮工将药卷间隔串联在导爆索上，并用胶带绑扎在一根 有一定强度的竹片上，装药时炮工将绑有药卷的竹片放入每个周边孔内，应使竹片紧靠围岩外侧，而药卷则紧靠开挖岩石的内侧，这样既有利于保护岩壁，又可以增强对开挖岩石的爆炸力。炮孔内放入药卷后，应将导爆索引出孔外，然后炮泥封堵炮孔。

⑥ 为使周边孔装药达到一定的不偶合系数，周边眼采用直径φ25mm的小药卷进行装药。

⑦ 为保证周边眼光面爆破效果，周边孔最后一段起爆。同时起爆的炮孔用导爆索串联在一起或用同段位的导爆管雷管簇联在一起，最后通过电雷管进行激发。

⑧ 连线必须认真细致，仔细清点数量并复核，对联结块上的上下级导爆管必须捆扎牢固，严防产生漏爆拒爆现象。

⑨ 爆破后的残留炮孔痕迹在开挖轮廓线上是否均匀分布；半孔残痕率在完整岩石处保持在95%以上，较完整和完整性稍差的岩石处保持在80%以上，较破碎和破碎岩石处半孔率不小于50%。

⑩ 每次爆破以后，要先进行通风，通风15分钟后检查人员方可进入隧道做相应的检查工作；要及时察看围岩周边光面爆破效果，核对与爆破设计是否相符，如有变化要及时调整爆破参数，使其达到最佳效果。 六 隧道瓦斯地段爆破施工

根据地质勘测资料，该隧道节理裂隙内有瓦斯及有害气体溢出，因此在隧道爆破掘进过程中，须对瓦斯及有害气体浓度进行监测。根据瓦斯及有害气体浓度采用相应的炸药及起爆方法。

该隧道属低沼气溢出型，根据煤炭部标准MT-61-82中规定可采用1级煤矿许用炸药。起爆方法及起爆器材见相应安全标准。

说明：隧道爆破施工掘进过程中对瓦斯的浓度需作跟踪监测，当监测有瓦斯时必须按照铁道部有关瓦斯隧道爆破规定施工。