20隧道钻爆法开挖设计与施工技术.doc

3-1-20 隧道钻爆法开挖设计与施工技术
1 前言
1.1 概述
钻爆法是工程活动中石方开挖的传统方式，在明山及地下工程施工中广泛使用。
在隧道施工中，钻爆法具有施工组织简单、容易掌握，对地质条件适应性强，开挖成本低的特点。尽管掘进机在许多国家已被广泛使用，但从长远来看，钻爆法仍将是修建岩石隧道的主要方法。
采用钻爆法开挖隧道，其施工进度、工程质量都与爆破技术密切相关。提高爆破循环进尺、降低爆破成本，减少对围岩的扰动是隧道爆破的重点。
隧道爆破是单自由面条件下的岩石爆破，关键技术是掏槽以形成掘进方向的爆破临空面，从而提高爆破循环进尺和炮孔利用率。对工程质量而言，尽量减少对围岩的扰动是十分重要的，因此隧道周边的光面爆破是隧道爆破的另一个关键点。
成功的隧道爆破应该做到：爆破进尺达到预期效果，掌子面平整，岩碴块度适宜装运，周边轮廓平顺，超欠挖符合要求，围岩稳定。
1.2 适用范围
适用于钻爆法施工的隧道开挖。
2 施工工艺
2.1 钻爆法开挖工艺流程
钻爆法开挖工艺流程见图2-1。
2.2 爆破设计
在钻爆方案设计时通常按图2-2程序进行。
图2-2 爆破设计程序图
掏槽类型
选 定
爆破参
数确定
合理起爆顺序
装药结构
孔网参数
确定时差
孔外网路
装药参数
炮孔起爆方式
技术设计
下半断面
上半断面
或全断面

2.2.1 全断面或上半断面掘进爆破设计
隧道爆破开挖根据其断面大小、地质情况，分为全断面一次开挖成型及分部开挖成型。无论采用何种方式，最先爆破开挖的部份都必须进行掏槽爆破，这是隧道爆破的关键。掏槽对钻爆技术要求较高，炮孔数较多，炸药消耗也较大。
循环进尺控制：一般来说，Ⅴ级围岩循环进尺控制在0.8～1.0m、Ⅳ级围岩循环进尺控制在1.5～2.0m；Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面爆破，炮孔深度以不超过4.0m为宜，手持风钻不宜超过3.5m，液压台车不宜大于4.5m。
隧道爆破炮孔（眼）一般分为：掏槽孔（眼），掘进孔（眼），周边孔（眼）。
优 化 方 案
台车或台架就位
确 定 爆 破 方 案
超前钻孔或预报
钻 孔 作 业
装药堵塞联线
台 车 或 台 架 撤 离
爆 破
通风找顶
或 喷 锚
爆破效果检查
信息反馈
装 运 作 业
图2-1 掘进流程框图

下一循环

⑴ 掏槽眼设计
掏槽方式通常分为直眼掏槽和斜眼掏槽两类。掏槽方式的选定需要考虑以下几方面条件：开挖断面的几何尺寸，地质条件，设备情况，钻眼爆破水平，对开挖的技术要求等。一般来说，手持凿岩机施工常采用斜眼掏槽，凿岩台车施工一般采用直眼掏槽。两种方式的适用条件对比见表2-1。
表2-1 直眼掏槽与斜眼掏槽对照表
序号
直眼掏槽
斜眼掏槽
1
断面大小皆宜，小断面更优
较大断面适用
2
韧性岩层不适用
各种地质条件均适用
3
一次爆破深度较大
一次爆破深度受隧道宽度限制
4
技术要求高，钻眼精度对爆破影响大
钻眼进度要求相对较低
5
炸药用量大
炸药用量相对较少
6
需用雷管段数多
需用雷管段数少
7
爆破碴堆较集中
爆破抛碴相对较远
1) 直眼掏槽
直眼掏槽是借助于不装药空孔作为临空面，掏槽各装药孔向空孔按一定起爆顺序爆破而逐渐形成槽腔，其后掘进孔再向槽腔按一定顺序爆破。
直眼掏槽一般有以下几种形式：龟裂直眼掏槽，五眼梅花小直径中空直眼掏槽，螺旋形掏槽，菱形掏槽，无空眼直眼掏槽以及大直径中空直眼掏槽等。
大直径中空直眼掏槽一般在采用凿岩台车等重型设备钻眼时使用，通过较大直径的中空眼，逐渐扩大形成槽腔。常用的有单螺旋掏槽，双螺旋掏槽，对称掏槽等几种形式，如图2-3所示。

图2-3 大直径中空直眼掏槽布置形式示意图
为避免掌子面因掏槽区过度破碎带来卡钻事故，前后两茬炮的掏槽孔采取绕中线左右交错布置，整个掏槽孔位置布置在掌子面中线一侧略偏下部位。
大直径中空直眼掏槽中心空孔根据岩石的可爆性及孔深等要求，一般设置2～4个，其孔径不小于64mm，装药孔到空孔间距一般控制在1.5～2倍孔径。
根据经验常按表2-2进行设计。
表2-2 中空大直径直眼掏槽爆破参数表
围岩级别
空孔直径(mm)
空孔个数(个)
装药孔至空孔间距(cm)
线装药量(kg/m)
Ⅱ、Ⅲ
76～102
2～4
0.15～0.20
0.3～0.5
Ⅳ、Ⅴ
64～85
1～2
0.2～0.25
0.2～0.3
2) 斜眼掏槽
斜眼掏槽有单向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽等形式，目前常用的是水平楔形掏槽。
水平楔形掏槽通常是利用多对斜向炮孔同时对称爆破而形成楔形临空面，之后各孔向该临空面爆破。如果爆破进尺要求较大，在断面允许的情况下，可以采用多重楔形掏槽。
楔形掏槽参数与炮孔夹角、间距及掏槽眼的对数相关，根据经验常按表2-3进行选择。
表2-3 楔形掏槽参数表
围岩级别
掏槽孔对数
掏槽孔间距(m)
炮孔夹角(0)
炮孔底间距(cm)
线装药量(kg/m)
Ⅳ、Ⅴ
1～2
0.5～0.7
＞50
30
0.25～0.35
Ⅱ、Ⅲ
3～4
0.3～0.4
≥60
20
0.35～0.55
⑵ 掘进孔设计参数
Ⅱ、Ⅲ级围岩的掘进孔间距通常控制在a=0.6～1.0m，岩石爆破移动方向间距不大于0.8m；垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.2m，通常在0.8～1.2m取值。
Ⅳ、Ⅴ级围岩的掘进孔间距通常控制在a=0.8～1.4m，岩石爆破移动方向间距不大于1.0m；垂直于岩石爆破移动方向相邻两孔连线的间距不大于1.4m，通常在1.0～1.2m取值。
⑶ 周边孔设计参数
一般情况下，周边孔间距E=0.45～0.65m。在软弱破碎围岩洞段施工时，结合围岩构造发育情况对周边孔作合理布置，通常要求孔位内移5～10cm，间距按40cm左右考虑。对均质、可爆性好的围岩可放宽至70cm，通常中硬及以上岩石取55～60cm，软岩45～50cm。炮孔密集数m=W/E=0.5～1.0，通常按m=0.8取值来确定光爆层的厚度，软岩m=0.5～0.7，完整岩石m=0.8。周边孔的外斜角度不大于30，且外斜值不大于20cm，计算最小抵抗线要计入该影响值。
⑷ 爆破网路设计
1) 爆破网路设计原理
爆破网路通常按矩型或梯型原理进行设计，即同段炮孔的连线为多边形，相邻两边之夹角范围为90°＜θ＜180°；对下部开挖宜按梯形起爆方式设计，即同段炮孔的连线为梯形，相邻两边之夹角范围为90°＜θ＜180°，如图2-4示。
图2-4 爆破网路示意图

2) 起爆网路类型
根据起爆方式不同，分非电起爆网路和电起爆网路。非电起爆网路包括导火索起爆网路、导爆索起爆网路、导爆管起爆网路，目前规范要求采用导爆管起爆网路。电起爆网路在一般地下工程中使用不多，但在有瓦斯的地下工程爆破强制性要求使用。
3) 非电起爆网路
隧道（洞）爆破法开挖使用导爆管雷管网路，通常周边光面爆破或预裂爆破时结合使用导爆索网路。导爆管雷管网路根据掏槽类型、断面大小、振动要求，常使用多段位的非电雷管。目前国产有毫秒级、半秒级及秒级以及高精度多段位雷管。但随着生产技术的发展，非电雷管段别已发展到60个段别以上，实际使用时可根据实际情况选用。建议一般隧道爆破使用第一系的ms1～25段即可，在瓦斯隧道中爆破，雷管总延时不超过130ms，且只能使用电雷管。
当采用普通非电雷管时，选用毫秒与半秒差雷管相结合，有条件时与厂家联系定做高精度雷管，时差满足减振要求，即段间时差与合理微差时间相一致的原则。
全断面起爆网路设计时，雷管除ms2段可不选用外，一般均可连段使用雷管。在对振动控制要求较严格的地段，可根据要求选择是否跳段使用雷管。
对要求进行弱爆破的地段，根据现场监测记录曲线，合理选择孔间时差满足大于或等于主振周期的3倍及以上。在无监测仪器的情况下，根据地质、环境、允许振速的要求、炮孔所在部位等情况按（60～110）ms选取。软弱围岩、孔深＞1m可在（90～110）ms取值，中硬以上围岩、浅埋隧道、浅孔＜1m时在（60～90）ms取值。全断面掘进的Ⅱ、Ⅲ级围岩非电雷管连段设置即可。
无论何种条件，首先起爆的第一个孔与第二起爆孔之时差至少要大于75ms，光爆孔与内圈孔时差不小于150ms。
4) 网路的击发
网路击发可使用8#工业火雷管、击发枪击发导爆管雷管、导爆索击发导爆管、电雷管击发导爆管，但归根到底都为雷管击发。隧道常使用8#工业火雷管击发，但在瓦斯隧道的爆破施工中必须使用电雷管击发网路，严禁使用其它击发方式。
⑸ 装药设计
1) 装药几何参数
① 药卷直径：常选择φ25、φ32、φ35、φ40四种规格，具体选用根据钻孔直径与孔深确定。
② 装药密度：ρ=0.9～1.2g/cm3。
③ 周边孔选用低爆速炸药，药卷直径为φ25，ρ＜1.0g/cm3。
2) 炸药单耗
Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面开挖：1.5～2.2kg/m3；Ⅳ、Ⅴ级围岩上半断面：0.85～1.5kg/m3，下半断面或下部开挖0.5～0.8kg/m3。可爆性好、软岩、大直径空孔的地段偏小值方向取值。浅埋隧道、难爆、坚硬岩石、小直径空孔地段偏大值方向取值。
3) 爆破材料的选择
常使用防水乳化炸药，对坚硬难爆的岩石使用高爆速、高威力的炸药；对软岩使用低爆速、低威力的炸药。乳化炸药常为中等爆速的炸药，使用比较普遍。
4) 装药结构的设计
掏槽孔、周边孔采用导爆索药串装药，其余各孔采用等直径药卷进行连续装药，如图2-5示。
图2-5 装药结构示意图

2.2.2 下半断面开挖爆破设计
下半断面类似露天台阶爆破，但又有别于露天台阶爆破，主要体现在钻孔方式上。隧道下部开挖常使用水平钻孔，除非为大洞室大断面分多层开挖，其方式完全等同于露天台阶爆破。无论是水平钻孔还是竖直钻孔，其布孔参数与方式两者相同，仅装药量计算不同，同时对隧道边墙的爆破质量要求较高。
⑴ 孔网参数设计
水平炮孔的间距a=1.2～1.5m、最小抵抗线W=1～1.2m；中间各孔间距原则上控制在1～1.2m、排间距控制在0.8～1.0m；底板孔间距不大于1.0m。下部周边孔严格按光爆孔布置，但因不同于全断面爆破，因此周边孔间距可适当比全断面爆破布孔时的边墙布孔略大，但一般不超过60cm。炮孔深度控制在3～4m，若钻孔精度有保证，则可放宽到5m。
⑵ 装药参数设计
单孔装药量按体积法进行计算，炸药单耗控制在0.5～0.8kg/m3；周边单孔平均线装药控制在0.07～0.25kg/m。
药圈规格、装药方式同上部开挖。
⑶ 网路设计
总体上按梯形起爆顺序进行网路布置，但周边应该分组同段安排起爆，以利提高光面爆破质量。
2.3 钻爆法施工技术
2.3.1 钻孔施工技术
⑴ 凿岩台车
1) 台车类型及钻孔操作
目前，台车已经从普通台车发展到半电脑台车和全电脑台车。普通台车全靠司机操作，但这类台车设置了简易的控制钻孔精度的各种操作手柄，可凭司机的经验进行操作；半电脑台车能够借助参考系实现自动定位和在人工控制下实现按设计图进行钻孔操作，同时在电脑失去作用时，可按普通台车进行操作；全电脑台车在原理上比半电脑台车更好，几乎完全借助于参考系进行自动钻孔，但隧道的环境（比如潮湿环境的影响）限制往往不能如愿，一旦电脑失去作用后，仅一个操作台控制各臂，在这种情况下使用得不偿失。
装有电脑操作系统的台车可以解决钻孔精度问题，当操作者水平达不到要求时，建议选择；如果钻孔经验丰富，不缺操作人员，则可选择普通台车。两类电脑台车完全可以实现钻孔的各种操作要求，严格按图钻孔施工。普通台车常因钻孔精度达不到要求而导致过量超挖，甚者平均径向超挖达到30～50cm，若用砼回填，其带来的成本增大不可小视。
台车钻孔的速度及精度与台车的设计及台车司机的操作技能直接相关，其精度及钻孔速度远高于手持风钻钻孔。但不管如何，在钻孔精度的控制上，人工手持风钻和台车的操作要领是一样的，即钻孔必须做到“准、平、直、齐”：准—开孔准确、直—炮孔垂直掌子面、平—各炮孔相互平行、齐—炮孔根部位于同一铅垂面上。
2) 设备维修保养
台车维修与保养是个极其重要的环节。必须设随机保养司机，加强日常维护与保养，并根据其运行状况，定期进行维修，以提高台车的完好率与使用率。
⑵ 支腿式凿岩机（风钻）
支腿式凿岩机由人工控制，使用比较灵活，可同时使用多台以提高工作效率。但其工作环境远比台车差，尤其是噪音、掌子面水雾等。但因其使用技术容易掌握，成本低，配件多为国产，供应有保障，维修方便，辅助工作简单，因此比较常用。
手持风钻打眼一般利用作业台架操作，通常采用斜眼掏槽爆破，因此配置长短钻杆完成掏槽眼的钻孔。要保证钻孔精度，可设置专门的领钎工指挥钻孔，原则上单台钻安排一个人持钻，在同层平台上多安排一个人指挥钻孔和帮助在开孔时扶钎。
2.3.2 爆破施工技术
⑴ 布孔要求
1) 中心掏槽孔布孔误差不大于±3cm。
2) 其余各孔不大于±5cm。
若遇挂眼困难，炮孔位置可适当调整，但必须保证调整后，相邻各孔间距均匀布置，注意掏槽孔需整体移动，孔间调整范围不得大于其误差值；
3) 布孔
① 人工事先按爆破图，用红油漆将炮孔布置在齐头上，布孔满足精度要求。
② 或者按照爆破设计图，输入测点坐标，利用TAPS自动布孔或其他方式完成自动布孔。
③ 可以采用激光指向仪，控制周边轮廓（3～5台）或中线。
⑵ 钻孔要求
钻孔必须做到“准、平、直、齐”四要素并满足以下精度要求：
① 挂眼（开门）误差：掏扩槽孔不大于±3cm，其余各孔不大于±5cm；
② 钻孔不平行误差：掏槽孔不大于±3cm/m，其余各孔不大于±5cm/m；
③ 各炮孔底部参差误差均不大于炮孔深度的10%。
⑶ 装药要求
① 按设计的装药量装药，当掌子面凹凸不平，其各孔装药量可随炮孔深浅变化作相应调整；当实际炮孔所处位置有软层或裂隙通过，应取消该孔装药并适当减少相邻内圈孔的用药量。
② 起爆药包1#孔正向设置，其于各孔宜反向设置。
③ 炸药装填必须按安全规程执行，不得硬捅、硬捣。
⑷ 炮孔堵塞要求
① 预制炮泥，每条长10～15cm。
② 各孔堵塞长度周边不小于30cm，其余各孔不小于20cm。
③ 堵塞过程妥善保护网路。
⑸ 网路联接要求
① 中间连接、击发用雷管一律反向设置且单发击发，每个击发雷管联结导爆管数不多于24根。
② 塑料导爆管连接过程中不得打死结、弯折，更不能被岩石和其它东西刺破。
③ 网路连线自由下垂不得拉紧。
④ 所有中间连接雷管宜用即发雷管或连接元件，严禁使用高段位雷管。
⑤ 孔内雷管不得错段，具体操作时由班长分发导爆管雷管并监督。
3 劳动力组织
3.1 台车施工
由爆破工完成装药，上部装药借助台车挂蓝完成，其余采用人工借助工作平台完成。普通台车3人操作，并配置领钎工1人。爆破工根据断面大小、作业循环时间配置，原则上小于50m2的断面不少于8人，在120m2以下不少于12人。另配置跟班电工兼抽水1人，领工员1人。完成钻爆作业人员总共约12～20人。
3.2 手持风钻台架施工
手持风钻爆作业在正常操作情况下，断面小于50m2约12～15人；断面在120m2以下不少于25人。钻孔装药均由持有爆破证的钻工完成。
4 设备配置
4.1 台车施工
配置凿岩台车、配套的供水设备、供电设备。原则上采用高压进洞，变压器每500～700m移动一次，变压器容量根据凿岩台车、通风设备及其他辅助用电设备总功率进行选择。
4.2 手持风钻台架施工
配置风钻若干、空压机站或移动空压机供风系统、钻孔操作平台。
5 质量控制要点
一是作好钻爆法技术方案；二是加强现场管理，严格钻孔工艺。
5.1 爆破设计方案
钻爆法施工必须要有钻爆方案与措施，在隧道施工期间边试验边总结完善，选择合适的钻爆参数是提高隧道开挖的重要环节。
5.2 加强现场管理，严格钻爆工艺
⑴ 根据不同的围岩情况，选择合理的钻爆参数，提高循环进尺，控制隧道超欠挖，严格控制周边轮廓的外插值（3～5cm/m），误差满足规范要求.
⑵ 火工产品应抽查检查质量，选用同厂同批近期生产的产品确保各孔准爆。
⑶ 尽量采用自动布孔仪进行布孔，提高布孔及满足凿岩精度；无条件时，宜用多点激光导向仪控制周边轮廓。
⑷ 建立健全质量保证体系，加强现场管理力度，是确保钻爆方案与工艺实施的前提。
⑸ 钻爆质量控制工艺如图5-1示。
布 孔
钻孔作业
炮孔检查
装药堵塞连线
起 爆
爆破效果检查
信息反馈
通风找顶
凿岩台车或手持风钻钻孔
技术设计
振动监测
图5-1 钻爆质量控制工艺图

5.3 钻孔操作
⑴ 钻孔是控制开挖质量的根本和核心，爆破试验是爆破方案设计的基础工作。
⑵ 根据不同的围岩情况，选择合理的钻爆参数，提高循环进尺，控制隧洞超欠挖，标准满足规范要求。
⑶ 尽量选择炸药波阻抗与岩石波阻抗相匹配的炸药，以改善爆破整体效果。
⑷ 分工合作，定人定岗，台车司机必须严格按爆破设计图进行操作，确保钻爆质量。
⑸ 成立专门的爆破小组，熟记爆破设计图，分区定人定位，以提高装药速度。
6 安全注意事项
爆破作业除必须按《爆破安全规程》的有关规定严格执行外，还应做到：
⑴ 钻眼、爆破器材加工、装药、起爆、通风必须专人负责；
⑵ 进洞人员必须戴安全帽，进入工作点首先巡视有无危石，发现危石及时处理；
⑶ 严禁无水施钻，严禁在残眼中继续钻眼；
⑷ 风钻钻眼时，支架要稳，特别是站在虚碴上钻眼，防止坍滑伤人；
⑸ 洞内严禁使用火花起爆系统；爆破作业时，严禁吸烟。
6.1飞石
确保钻孔精度、严格控制装药量和合理安排起爆顺序，搞好堵塞，以减少爆破个别飞石距离对周围设施的破坏。隧道爆破飞石距离要控制在100m以内，通常斜眼掏槽飞石较远，碴堆抛掷远而分散，因此爆破前相关设备与照明必须撤离足够的距离。人员距离不小于300m并躲避在爆炸冲击波不容易伤害的地方，如横向通道等。
6.2 振动
在过去，隧道爆破施工对爆破振动要求不是很严格。但从对保护围岩和提高围岩的自承载能力出发考虑，现在越来越多的地下工程对爆破振动提出了要求并作出了严格的规定，尤其是水电工程、市政项目等。爆破振动与同段齐发装药量、起爆顺序、炮孔深度、炸药性能、爆破振动波传播的地质条件等有关，也与掌子面爆破时的后步工序施工要求有关，如锚喷、二次衬砌砼、灌浆工程等，它们对振动速度的要求是不同的。在网路设计与钻孔参数及装药量上要认真研究，包括爆破振动设计及测试在内。根据经验与研究，在按上述章节内容进行网路设计，即便孔深达到4m时，爆破时距离距掌子面20m处的爆破垂直振动速度不会大于10cm/s。
6.3 盲炮处理
爆破15min后进入掌子面查炮，若发现有盲炮必须按爆破安全规程的要求及时进行处理。严禁在残孔或装有残药（或带雷管）的孔中继续装药爆破或继续钻孔。盲炮处理必须用木制炮棍或铜制炮棍结合掏勺进行处理，严禁使用铁制器件处理。无法直接处理时采用打平行孔诱爆处理或按安全规程的要求予以处理。
6.4 危石处理
人工用铁棍撬或用挖掘机（断面较大或较高时）进行处理，但局部危石必须人工用铁棍撬清理干净。
7 文明施工与环保
⑴ 洞内必须使用零氧平衡炸药进行爆破作业，有水炮孔使用防水炸药。
⑵ 炸药包装纸必须专人收回处理。
⑶ 过期变质炸药专人收回按要求处理。
⑷ 炸药与雷管必须分开整齐堆放。
⑸ 加强通风管理，确保良好的工作环境。
8 工程实例
锦屏辅助洞西端A、B线合同调整长度均为9500～9800m，隧道约73%的洞段位于1500m以上埋深，轴线最大2375m，最大地应力60MPa、以大理岩为主，最大饱和抗压强度210MPa、最大抗拉强度6MPa。隧道开挖尺寸在（5.7～7.5）×（7～8.1）m、断面33.8～55m2。隧道施工使用TOMROCK和ALATS三臂凿岩台车钻孔、直眼掏槽、人工装药爆破。正常地质条件下孔深4～4.5m，全断面约120个孔、ms1、3～23段非电导爆管雷管，炸药选用φ40、φ32和φ25三种，周边导爆索药串装药结构，其余为组合装药结构。
爆破效果：孔深4m时的炮孔利用率在85～95%，强度低于120MPa时，利用率达到90%及以上；块度均匀、周边成型合格，炸药消耗2.2～3.2kg/m3。循环作业时间正常情况9小时左右，非正常情况在12小时左右，即钻爆5～6小时、出碴2～2.5小时、喷护1.5～2小时，其它1～2小时，共计9.5～12.5小时。
现场实物图片如图8-1示。
装药过程
典型洞段周边成型
图8-1现场实物图片

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