光面爆破技术在隧道水平围岩中的应用
摘要：光面爆破人为控制爆破的技术，目前这种技术已经非常成熟,并且应用广泛,本文就光面爆破的主要参数以及在水平围岩中参数的调整，并结合具体工程论述光面爆破技术在隧道水平围岩中的应用
关键词：隧道 光面爆破 参数 水平围岩
１ 引言
水平岩层是隧道工程作业经常遇到的一种地质构造，但在隧道开挖过程中，水平岩层的光面爆破一直是一个技术难题。如果处理不好，隧道的拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象，不仅直接影响隧道的光面爆破效果，还会影响岩洞的围岩稳定性、初期支护的数量和永久支护的混凝土工程量，增加工程投资。所以水平岩层中光面爆破技术尤为关键。
２ 光面爆破技术
光面爆破也称为密眼小炮爆破，是利用岩石抗劈裂能力低，用缩小周边眼间距，严格控制周边眼间距、方向，限制装药量，正确控制起爆顺序等措施，使爆破面沿周边眼劈裂开来，从而避免周边眼以外的围岩受到破坏，并使周边达到光面的效果。 这种人为控制爆破的方法称为光面爆破。
光面爆破能使隧道开挖面成型规整，尺寸符合要求，表面光顺。爆破后坑道轮廓线与周边眼相切，每个周边眼残留半个眼痕，使隧道坑道不产生或很少产生爆震裂缝，从而保护了围岩的完整性，使围岩的自稳能力和自身承载能力达到安全可靠的目的，减少超挖或欠挖，节省因超挖或欠挖而增加的工程量和费用，缩短工期，也保证了施工质量。
３ 光面爆破参数及在水平岩层的调整
３．１ 周边眼间距E
周边眼是紧靠设计掘进断面轮廓线的一排炮眼。周边眼间距就是周边眼孔与孔间距。一般由试验决定，以前的经验值大致在0．4～0．7 m之间，经验公式为： E = 16d 式中，E为周边眼间距；d为炮眼直径。 对于水平岩层，由于水平岩层无收敛，拱顶有微小下沉，E一般取值要较小。而且周边眼间距E过大，光面爆破不能对岩层进行有效的环向拉裂。
３．２ 最小抵抗线W
周边眼中心与最外一排辅助眼的距离。一般W约为0．5—0．8 m左右，初步可采用E= 0．8 W求得；当岩体裂隙面与最小抵抗线方向垂直， 就要采用E=W；当岩体裂隙面与最小抵抗线平行 时，E=0．5 W。技术员应严格记录，从中选出适合实 际岩体情况的最佳值。所以水平岩层中，也要减小最小抵抗线W。
炮眼密集系数E/W：该比值是按照均匀介质即裂缝、节理不发育的中等坚硬岩石经试验得出的，在实际使用中根据掌子面岩石坚硬程度作调整，一般认为W ：E =O．8—2．2是理想的调整范围
３．３装药量
装药量Q=qEWL
式中q一单位炸药消耗量(kg／m)
E 一周边眼间距(m)
W一周边眼最小抵抗线即与最外一圈辅助眼间距(m)
L一周边眼孔深(m)
Q一 每孔炸药用量
单位炸药消耗量爆破一立方岩石需要消耗炸药的数量q，一般是按岩石坚固性确定，岩石越坚固，耗药量越大。由于坚固性系数有一定的局限性，往往比实际岩石的f偏高，为此，在实际选择时，应根据岩石节理发育程度、风化程度等，将f值降低2-4进行修正。对于水平岩层，也应降低单孔装药量。
装药过于集中，基本上周边眼装药都集中于孔底，容易形成孔底处超挖，而孔口处又容易欠挖。不耦合装药系数 ：其定义是炮孔直径与药卷直径之比，光面爆破是要确定一个比较理想的不偶合系数范围，以有效避开起爆时的应力峰值，减少对围岩的破坏。通过查阅有关资料，一般情况下不偶合系数的选用范围在1．15—1．28之间效果比较理想。
３．４ 掏槽眼
所谓掏槽眼就是在开挖面中心炸出个槽子，使原只有一个临空面变成两个临空面，以提高四周炮 眼的爆破效果，并确保掘进深度，掏槽眼对隧道掘 进起控制作用。 对于水平岩层，裂隙较发育，掏槽炮眼应布置在裂隙近旁(严禁炮眼钻入裂隙中)，充分发挥岩层中的薄弱环节，减少掏槽眼爆 破的抵抗力。扩大掏槽眼的掏槽容积，例如单层掏槽眼改变为三层搦槽眼，且掏槽眼位置降低，有利于缓解或减轻首次掏槽瀑破时对拱部水平岩层的震动。因水平岩层节理发脊，扩大掏槽眼后，洞渣块度也同样较小，不用二次装药改小大块洞渣。同时掏槽眼的范围扩大，每循环总装药量减少，不但有利于减小爆破带来的震动，同时节约大量成本
３．３ 辅助眼
辅助跟的作用是扩大掏槽眼的体积，为周边眼创造有利条件，其间距与岩层特性有关，整体 性好的岩层，布眼宜密，较破碎的岩层宜疏。一般应避开节理、裂隙，尤其在水平页岩中施工时。 水平岩层是隧道工程作业经常遇到的一种地质构造,但在隧道钻爆开挖过程中,水平岩层的光面爆破一直是一个技术难题。如果处理不好,隧道的拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象,不仅直接影响隧道的光面爆破效果,还会影响毛洞的围岩稳定性、初期支护的数量和永久支护的混凝土工程量,增加工程投资。过去施工中,因为水平岩层引发安全事故且增加工程造价的事例很多,所以水平岩层光面爆破技术对我们隧道施工意义重大,而正确和有力的施工组织管理,则对全面实现技术措施,收获技术成果提供了保证。
４ 光面爆破在洞子崖隧道的应用
４．１ 工程概况
洞子崖隧道位于澄城县冯源镇境内，洞长 1 323 m，为双线隧道，全隧位于直线上。该隧道设计以Ⅲ级围岩为主，该隧道围岩稳定性较好，岩性以砂页岩互层为主，岩层多为水平层理，有时呈交互层理，部分地段夹有泥岩、铝土岩、碳质页岩及煤层等。
４．２ 光面爆破参数的选择
光面爆破参数的选择，通常采用简单的计算并结合工程类比的方法进行初步确定，在初步确定后 根据现场爆破实践加以修正完善。根据现场实际 情况洞子崖隧道开挖爆破参数确定如下。
４．２．１ 不耦合装药系数
合理的不耦合装药系数使炮孔压力低于孔壁岩石的动抗压强度而高于动抗拉强度。洞子崖隧 道由于水平节理较发育，不耦合系数不应偏大， 取2．0—2．3较好，因此采用了直径为 15 mm、 20 mm、25 mm三种乳化炸药。
４．２．２ 光爆孔间距E
在不耦合装药结构的前提下，光爆孔满足孔内静压力小于爆破岩体的极限抗压强度而大于岩体 的极限抗拉强度，因此根据理论计算，光爆孔间距一般为孔眼直径的10～l4倍。对于节理裂隙发育的岩石可以取小值，因洞子崖隧道围岩为水平岩层且节理发育，光爆孔问距取 l0倍。
４．２．３ 光面爆破层厚度 W
光面爆破的最小抵抗线，应大于光爆孔的间距。 通常以周边眼的炮孔密集系数K=E／W表示，节理发育较好的围岩抵抗线不应过大，根据以往经验洞子崖隧道K取0．8、E取50 cm比较合适。
４．２．４ 装药集中度
为了控制裂缝的发展，保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮孔连接线破裂的前提下，尽量减少 装药量。对于软岩来说，一般采用70—120 m，中硬岩为200～300 g／m，硬岩300～350 m。
4.2.5 炮眼深度L
根据该隧道围岩的实际情况：石质以砂岩夹页 岩、砂岩夹泥岩为主，围岩软硬相间，岩层近水平， 倾角3～1O°。，进行爆破预设计，确定炮眼深度为 3．0 m，周边眼间距 E取40 cm。 堵塞长度：堵塞长度不小于20ｃｍ。
掏槽眼形式：掏槽眼采用楔形掏槽，开口角度控制在60～70°。，掏槽眼间距1．6 m，距底板线0．8～ l ｍ处。
4.2.6起爆间隔时间
洞子崖光面爆破采用分段微差爆破，隧道内光面爆破选用非电毫秒雷管，分多段起爆(一般为 1、 3、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15段)，非电导爆管长度选择7 m。起爆顺序：掏槽眼一掘进眼一内圈眼一周边眼一底板眼。先掏槽后扩槽从低段到高段逐段起爆，周边眼最后起爆。
4.2.6周边炮眼装药结构
该隧道周边炮眼为ø14孔，采用不耦合系数不小于2．0，不耦合间隔装药结构采用ø25小直径药卷间隔装药；导爆管、竹片用电工胶布与炸药卷绑在一起。起爆采用齐发起爆。注意控制隧道顶板 的周边眼的准确度和炮孔间距。
4.3水平围岩光面爆破设计
洞子崖隧道在Ⅲ级围岩水平节理发育特别明显时，在进行围岩光面爆破参数设计时不仅考虑了 水平层间的周边眼间距的调整，还同时严格控制了靠近周边眼的主炮孔的装药量，要求任何主炮孔爆破产生的裂隙破坏区均不得超过周边眼的裂隙破坏区，特别是对分层明显的顶板位置。
爆破振动速度计算的振速范围可参照经验公式计算 其 中，ｖ 为振速(cm／s)，Q为单孔装药量 (kg)，R为孔距(m)，对周边眼产生危险的振速范围为70～100 cm／s，对于 3 m的炮孔，周边孔的线装药密度及与周边眼相距 1 m的炮孔的装药量， 对光面爆破的质量影响有很大关系。因此，光面爆破的爆破参数主要考虑孔径西、药径 d、线装药 密度q，最小抵抗线 和孔间距E等。根据以上光面爆破参数的选择情况进行参数设计，该光面爆破参数见表１。
表１ 双线III级围岩光面爆破参数
双线III级围岩光面爆破炮眼布置如图１。
图１ 掏槽眼炮眼布置
４.４ 开挖过程中的防坍塌问题
开挖过程周围岩石松动、落石、局部坍塌，大的坍方冒顶，这些都是开挖过程中的安全问题，也往往是隧道超挖的原因。坍塌是周围的岩石不稳定造成的，属于一种地质灾害，但是“诱导因素”主要是人为造成的。
(1)开挖过程中，不注意开挖面的地质素描，开挖不当造成超挖。隧道开挖过程中要做好地质记录，充分利用对上一循环的爆破效果评判，优化本循环的爆破参数，减少超、欠挖。
(2)爆破参数确定后，未严格按照爆破设计进行施工。施工不按炮眼设计位置钻孔， 眼、多装药，好岩石炸松动了，也造成应力集中现象，也将造成落石坍方。
(3)在围岩较差、节理发育的隧道中，爆破参数选择不合理。在爆破过程中应根据现场围岩变化的实际情况，参照爆破设计的参数取值对当次循环的爆破参数进行调整，以确保光面爆破效果，尽量避免隧道坍塌事故的发生。
(4)对于水平成层围岩来说，降低爆破震动效应，减小爆破震动对围岩的影响，是防止拱部掉块和影响拱部光爆效果的重要因素之一。