隧道爆破施工技术之隧道开挖光面爆破设计

1、隧道开挖光面爆破设计高新强 副教授 博士石家庄铁道大学2011年1月隧道爆破施工技术岩石隧道爆破特点炮眼的种类及作用掏槽眼类型及布置隧道爆破施工技术主要包括：隧道爆破参数及炮眼布置周边眼的控制爆破钻爆施工钻爆设计实例主要内容隧道爆破施工技术一、岩石隧道爆破特点临空面少；要求高；地质条件复杂。二、 炮眼的种类及作用种类：掏槽眼辅助眼周边眼图5-1 炮眼布置图隧道爆破施工技术（一）掏槽眼针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点，为提高爆破效果，宜先在开挖断面的适当位置（一般在中央偏下部)布置几个装药量较多的炮眼,如图5-1中的红色炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续

2、炮眼的爆破创造新的临空面。图5-1 炮眼布置图隧道爆破施工技术（二）辅助眼位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。如图5-1中的黑色炮眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，为周边眼爆破创造临空面。图5-1 炮眼布置图隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术（三）周边眼周边眼(perimeter hole)。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。如图5-1中的蓝色炮眼。其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。按其所在位置的不同，又可分为帮眼、顶眼、底眼。图5-1 炮眼布置图隧道爆破施工技术（一）斜眼掏槽三、 掏槽眼类型及布置 斜眼掏槽（incline cut）的特点是掏槽眼与开挖断面斜交，它的种类很多，如锥形掏槽、爬眼

3、掏槽、各种楔形掏槽、单向掏槽等。隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽和锥形掏槽。 隧道爆破施工技术单向掏槽由数个朝同一方向倾斜的炮眼组成。适用于隧道断面内有软弱夹层、层理、节理和裂隙时。单向掏槽法可根据巷道断面大小或软夹层的厚度不同，布置一排或两排掏槽眼。掏槽眼的倾斜角度一般为5070 ，岩石坚固程度高，角度取小值。(1)斜眼掏槽布置形式(a)顶部掏槽 (b)底部掏槽(d)扇形掏槽(c)侧向掏槽隧道爆破施工技术楔形掏槽由两排相对称的倾斜炮眼组成，爆破后形成一个楔形槽。楔形掏槽的分类及适用条件分为：水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽水平楔形掏槽适用于岩层为水平层理时。垂直楔形掏槽适用于中硬以上的均质岩石。隧道

4、爆破施工技术(a)垂直楔形掏槽 (b)水平楔形掏槽ab隧道爆破施工技术垂直楔形掏槽爆破参数围岩级别（）斜度比a(cm)b(cm)炮眼数量（个）级以下级级级75807580707555701:0.271:0.181:0.271:0.181:0.371:0.271:0.471:0.3770806070506030503030252044666隧道爆破施工技术掏槽数目较少，掏槽体积大，易将岩石抛出。掏槽眼深度受到隧道断面尺寸的限制，岩堆分散。楔形掏槽的特点bL=(0.50.7)BBL B开挖断面宽度。隧道爆破施工技术为了提高循环进尺，可以采用复式楔形掏槽。复式楔形掏槽隧道爆破施工技术为了增加淘槽效果

5、，可以使用半秒或秒延期雷管。隧道爆破施工技术锥形掏槽这种炮眼呈角锥形布置，各掏槽眼以相等或近似相等的角度向工作面中心轴线倾斜，眼底趋于集中，但互相并不贯通，爆破后形成锥形槽。根据掏槽炮眼数目的不同分为三角锥、四角锥、五角锥等。(a)三角锥 (b)四角锥 (c)五角锥隧道爆破施工技术锥形掏槽围岩级别（）a(cm)眼数（个）级以上级级级706865601009080703456锥形掏槽爆破参数隧道爆破施工技术斜眼掏槽具有操作简单，精度要求较直眼掏槽低，能按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度，易把岩石抛出，掏槽眼的数量少且炸药耗量低等优点。优点 眼深易受开挖断面尺寸的限制，不易提高循环进尺，也不便

6、于多台凿岩机同时作业。 缺点(2)斜眼掏槽的优缺点隧道爆破施工技术（二）直眼掏槽 直眼掏槽(cylinder cut)由若干个垂直于开挖面的炮眼所组成，掏槽深度不受围岩软硬和开挖断面大小的限制，可以实现多台钻机同时作业、深眼爆破和钻眼机械化，从而为提高掘进速度提供了有利条件。隧道爆破施工技术(1)直眼掏槽的类型及布置形式柱状掏槽(a)菱形布置 (b)矩形布置 (c)三角形布置它是充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空间，使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。隧道爆破施工技术作为临空孔(free hole）的空眼(buster hole) 数目，视炮眼深度而定:一般当孔眼深度小于3.0m时

7、采用1个；当孔眼深度为3.0m3.5m时，采用2临空孔；当孔眼深度为3.5m5.15m时采用3个。试验表明：第一个起爆装药孔离开临空孔的距离应不大于1.5倍的临空孔直径。隧道爆破施工技术螺旋形掏槽 螺旋形掏槽是由柱状掏槽发展而来，其特点是中心眼为空眼，邻近空眼的各装药眼至空眼之间的距离逐渐加大，其连线呈螺旋形，并且由近及远依次起爆。a=(1.01.5)Db=(1.22.5)Dc=(3.04.0)Dd=(4.05.0)DD为空眼钻孔直径，一般不小于100mm。1234acdb隧道爆破施工技术(2)直眼掏槽的特点适用于中硬岩层或坚硬岩层；适宜采用中深孔爆破；凿眼效率高；炮眼利用率高；抛掷距离短；耗

8、药量大；要求严格。隧道爆破施工技术(3)影响掏槽效果的因素眼距 最先一段起爆的炮眼与空眼的距离空眼直径、眼距与岩石爆破效果关系隧道爆破施工技术daA中空眼炮眼隧道局的建议公式一般情况下不大于空眼直径的2倍；常用的空眼直径为102mm，眼距采用1820cm。隧道爆破施工技术空眼数目 空眼数目越多掏槽爆破效果越好；炮眼越深空眼数目越多。装药 采用过量装药，装药长度占全眼长的7090%。辅助抛掷 当眼深在2.0m以上时，将空眼加深100200mm，并在空眼底部放12卷炸药，在掏槽岩全部起爆后接着起爆，加强淘槽眼的抛掷效果。钻眼质量 钻眼使各炮眼之间保持等距、平行是极为重要的。钻穿，易造成爆生气体过早

9、损失，降低槽内岩石抛出率。距离过大或钻眼偏斜，易发生单个炮眼直径扩大或单个炮眼爆炸，炮眼间的岩石不易崩落。隧道爆破施工技术(4)直眼掏槽实例雷公尖、大瑶山隧道灰黑色厚层加中厚层隐晶质灰岩，级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工技术花果山隧道致密块状的花岗岩，级围岩。开挖断面100m2左右，钻眼深度3.9m和5.15m。装药眼直径48mm，中空眼直径102mm隧道爆破施工技术瑞典样板直眼掏槽隧道爆破施工技术（三）混合掏槽 混合掏槽是指两种以上的掏槽方式的混合使用，一般在岩石特别坚硬或隧道开挖断面较大时使用。隧道爆破施工技术（四）减

10、轻爆破震动的掏槽形式 为了减少掏槽眼的爆破震动，经常采用特殊掏槽形式。复式楔形掏槽隧道爆破施工技术混合掏槽隧道爆破施工技术直眼分层掏槽隧道爆破施工技术增加空眼直眼掏槽隧道爆破施工技术（一）隧道控制爆破的分类四、周边眼的控制爆破光面爆破预裂爆破光面爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。预裂爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，以形成平整的轮廓面的爆破作业。隧道爆破施工技术（二）光面爆破与预裂爆破的关系相同点区别周边眼的孔距必须与最小抵抗线相匹配；采取不耦合装药或装填低威力炸药；同

11、组光爆孔(预裂孔)同时起爆。起爆顺序不同；装药量不同。隧道爆破施工技术（三）隧道光面爆破控制标准开挖轮廓成形规则，岩面平整；炮眼的保存率硬岩不应小于80%，中硬岩不应小于70% 的半面炮眼痕迹，软岩不应小于50% 的半面炮眼痕迹；无明显的爆破裂缝；超欠挖符合规定要求。隧道爆破施工技术设计参数隧道爆破施工技术周边眼间距一般取Ki=1018 在不偶合装药的前提下，光面爆破应满足炮孔内静压力F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的条件。即 E周边眼间距；L炮眼长度； 岩石抗拉强度； 岩石抗压强度；d炮眼直径。隧道爆破施工技术光爆层厚度及炮眼密集系数一般取周边眼的密集系数K=0.8 ;

12、 所谓光面层就是周边眼与最外层辅助眼之间的一圈岩石层。其厚度就是周边眼的最小抵抗线W。周边眼的间距E与光面层厚度W有着密切关系，通常以周边眼的密集系数K（K=E/W）表示，其大小对光面爆破效果有较大影响。隧道爆破施工技术装药不耦合系数一般取装药不耦合系数25 。合理的不耦合系数应使爆炸后作用在孔壁上的压力低于岩石的动抗压强度，而高于其动抗拉强度。隧道爆破施工技术装药量在光面层单独爆落时，周边眼的线装药密度一般为0.15kg/m0.25kg/m,全断面一次起爆时，一般可达0.30kg/m0.35kg/m。周边眼的装药量通常以线装药密度表示，每米炮眼装药的质量。施工中应根据孔距、光面层厚度、石质及

13、炸药种类等综合考虑确定装药量。隧道爆破施工技术岩石类别炮眼间距E（cm）抵抗线W(cm)密集系数(K=E/W)装药集中度(kg/m)硬岩中硬岩软岩5570456535506080608040600.71.00.71.00.50.80.300.350.200.300.070.12表5-6 光面爆破一般参考数值隧道爆破施工技术隧道光面爆破的技术措施为了获得良好的光面爆破效果，可采取以下技术措施：(1) 使用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威力大的炸药。(2) 采用不偶合装药结构。光面爆破的不偶合系数最好大于2，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定传爆。当采用间隔装药时，相邻炮眼所

14、用的药卷位置应错开，以充分利用炸药效能。(3) 严格掌握与周边眼相邻的内圈炮眼的爆破效果，为周边眼爆破创造临空面。周边眼应尽量做到同时起爆。(4) 严格控制装药集中度，必要时可采取间隔装药结构。为克服眼底岩石的夹制作用，通常在眼底需加强装药。隧道爆破施工技术（四）隧道预裂爆破控制标准不平整度不超过15cm；炮眼保存率硬岩不应小于80%，中硬岩不应小于60% 的半面炮眼痕迹；无明显的爆破裂缝。隧道爆破施工技术设计参数岩石类别炮眼间距E（cm）至内排崩落眼间距(cm)装药集中度（kg/m）硬岩中硬岩软岩4050404535404040350.300.400.20.250.070.12表5-8 预裂

15、爆破参数隧道爆破施工技术（一）隧道爆破参数的确定五、隧道爆破参数及炮眼布置炮眼直径炮眼数目炮眼深度装药量隧道爆破施工技术炮眼直径炮眼直径对凿岩生产率、炮眼数目、单位耗药量和洞壁的平整程度均有影响。加大炮眼直径以及相应装药量可使炸药能量相对集中，爆炸效果得以改善。但炮眼直径过大将导致凿岩速度显著下降，并影响岩石破碎质量、洞壁平整程度和围岩稳定性。一般隧道的炮眼直径在32mm50mm之间。（一）隧道爆破参数的确定炮眼数目炮眼数量主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关，炮眼的多少直接影响凿岩工作量。炮眼数量应能装入设计的炸药量，通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算。隧道爆破施工技术隧

16、道爆破施工技术式中：N炮眼数量，不包括未装药的空眼数； q单位体积岩石炸药消耗量，一般取q=1.2kg/m32.4kg/m3； S开挖断面积，m2； 装药系数 每米药卷的炸药重量（kg/m）第一种方法隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术第二种方法首先计算周边眼数量N1和装药量Q1式中：Bl隧道开挖断面周长；B隧道开挖宽度; a周边眼间距；L1周边眼钻孔平均深度; 1周边眼每米药卷的炸药重量（kg/m）; 1周边眼装药系数.隧道爆破施工技术其次计算总的装药量然后计算掏槽眼和辅助眼数量式中：L炮眼的平均深度; L2辅助眼和掏槽眼的平均深度; 2辅助眼和掏槽眼每米药卷的炸药重量（kg/m）; 2辅助眼和

17、掏槽眼的装药系数; 炮眼利用率，一般取0.80.95。隧道爆破施工技术第三种方法首先计算掏槽眼数量N1和装药量Q1；其次计算周边眼数量N2和装药量Q2 ；然后计算辅助眼数量N3和装药量Q3 ；最后计算炮眼数量N和装药量Q 。隧道爆破施工技术炮眼深度炮眼深度是指炮眼底至开挖面的垂直距离。合适的炮眼深度有助于提高掘进速度和炮眼利用率。L隧道爆破施工技术对于斜眼掏槽，由于施工原因和岩石的夹制作用，一般最大炮眼深度取断面宽度（或高度）B的0.50.7倍，当围岩条件好时，采用较小值。 按开挖断面跨度确定炮眼深度L=（0.50.7）B隧道爆破施工技术按每掘进循环的进尺数来确定按每掘进循环中所占时间来确定目

18、前常用的炮眼深度为1.8m2.5m，中深孔2.53.5m，深孔3.55.15m。隧道爆破施工技术装药量的计算合理的药量应根据所使用的炸药的性能和质量、地质条件、开挖断面尺寸、临空面数目、炮眼直径和深度及爆破的质量要求来确定。目前隧道爆破设计中多采取先用体积公式计算出一个循环的总用药量，然后按各种类型炮眼的爆破特性进行分配，再在爆破实践中加以检验和修正，直到取得良好的爆破效果为止的方法。隧道爆破施工技术式中：Q一个爆破循环的总用炸药药量，kg; q爆破每立方米岩石所需炸药的消耗 量，kg/m3;隧道爆破施工技术（二）炮眼的布置布置原则先布置掏槽眼，其次是周边眼，最后是辅助眼。掏槽眼一般应布置在开

19、挖面中央偏下部位，其深度应比其它眼深15cm20cm。为爆出平整的开挖面，除掏槽和底部炮眼外，所有掘进眼眼底应落在同一平面上。底部炮眼深度一般与掏槽眼相同。隧道爆破施工技术周边眼应严格按照设计位置布置断面拐角处应布置炮眼。周边眼设计位置应考虑0.030.05的外插斜率。10cm隧道爆破施工技术保证光爆层的合理厚度靠近周边眼的辅助眼分布均匀。当炮眼的深度超过2.5m时，靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角。岩层层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面。隧道爆破施工技术炮眼布置方式直线形布置形式简单且易掌握，同排炮眼的最小抵抗线一致，间距一致，前排眼为后排眼创造临空面，爆破效果较好。隧道爆破

20、施工技术布置方式多边形布置这种布眼是围绕着掏槽部位，由里向外，将炮眼逐层布置成正方形、长方形、多边形等。隧道爆破施工技术弧形布置顺着拱部轮廓线，逐圈布置炮眼。此外，还可将开挖面上部布置成弧形，下部布置成直线形，以构成混合型布置。隧道爆破施工技术圆形布置当开挖面为圆形时，炮孔围绕断面中心逐层布置成圆形。这种布孔方式，多用在圆形隧道、泄水洞以及圆形竖井的开挖中。隧道爆破施工技术（一）隧道开挖方法六、钻爆施工全断面开挖法台阶开挖法导坑法分部开挖法钻爆施工是把钻爆设计付诸实施的重要环节，包括钻孔、装药、堵塞和爆破后可能出现的问题处理等。隧道爆破施工技术（二）钻爆施工钻眼钻眼设备气腿式凿岩机三臂凿岩台车

21、隧道爆破施工技术支腿式全液压凿岩机隧道爆破施工技术钻眼施工注意事项 (1)必须标出掏槽眼和周边眼的位置，严格按照炮眼的设计位置、深度、角度和炮眼直径进行钻眼。 (2)应采用湿式凿岩。装药装药前一定要清孔：应将炮眼内的残渣、积水排除干净，并仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计要求，装药时应严格按照设计的炸药量进行装填。 使用木质或竹制炮棍注意保护起爆装置反向起爆有利于克服岩石的夹制作用，能提高炮眼利用率，减小岩石破碎块度，爆破效果较正向起爆为好。 隧道爆破施工技术堵塞禁止无堵塞爆破堵塞材料隧道内采用的炮眼堵塞材料：一般为砂子和粘土混合物，其比例大致为砂子50%40%，粘土50%60%。堵塞

22、长度当炮眼直径为25mm或50mm时，堵塞长度不能小于18cm和45cm。通常不能小于最小抵抗线隧道爆破施工技术起爆注意爆破安全，发布三次信号第一次：清场；第二次：起爆；第三次：解除。起爆爆后检查与处理检查危石、塌方、盲炮、支护破坏情况。 在无瓦斯与煤尘爆炸危险的隧道中进行爆破开挖多采用导爆管起爆系统起爆。 (三)盲炮的预防措施 放炮时，炮眼内预期发生爆炸的装药未发生爆炸的现象称为盲炮，俗称瞎炮。炸药、雷管或其他火工品不能被引爆的现象称为拒爆。 (1)爆破器材要妥善保管，严格检查，禁止使用技术性能不符合要求的爆破器材； (2)同一串联支路上使用的电雷管，其电阻差不应大于0.8，重要工程不超过0

23、.3；(3)不同燃速的导火索应分批使用；(4)提高爆破设计质量。对于重要爆破，必要时须进行网路模拟试验；(5)改善爆破操作技术，保证施工质量。 (6)在有水的工作面或水下爆破时，应采取可靠的防水措施，避免爆破器材受潮。隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术（一）隧道爆破的设计程序七、隧道爆破设计实例1、准备阶段隧道开挖断面；工程地质；施工方案；爆破技术要求。查阅相关设计图,了解工程概况隧道爆破施工技术工期安排；循环进尺；施工机械。查阅并了解施工组织设计情况实地考察爆破器材的选型及订购小型的爆破试验隧道爆破施工技术2、设计阶段确定开挖方案、循环进尺、炮眼直径;查阅类似工程资料;初步设计;现场试爆;修改

24、设计。隧道爆破施工技术（二）隧道爆破设计文件的编制1、炮眼布置图炮眼间距；抵抗线；总的断面尺寸；起爆顺序；掏槽眼要单独画图。隧道爆破施工技术2、装药参数表炮眼名称炮孔编号孔深/m孔数单孔装药量/kg总装药量/kg雷管段别掏槽眼162.261.27.21辅助眼7-122.060.95.4313242.0120.910.85周边眼25462.0220.6313.867底板眼47512.251.055.259合 计5142.51隧道爆破施工技术3、设计说明设计依据；适用条件；施工要求及注意事项；机具及材料的有关说明；安全要求。隧道爆破施工技术4、必要的附图装药结构图；爆破网路连接图；钻眼分工顺序图；

25、装药分工顺序图。隧道爆破施工技术（三）隧道爆破设计实例-1 全断面爆破1、工程概况隧道穿越级围岩，地下水不发育，普氏系数f=46，隧道断面设计为半圆拱形，开挖宽度为4.5m，高4m。隧道爆破施工技术2、施工方案选择采用全断面光面爆破开挖，每月施工28d，采用4班循环平行作业，月掘进计划210m。3、爆破参数选择(1)炮眼直径及炸药选择 采用2号岩石铵梯炸药。掏槽眼和辅助眼采用35mm，长度165mm，每卷质量为150g；周边眼采用22mm，长度270mm，每卷质量为105g。根据现场施工机具，炮眼直径选用42mm。隧道爆破施工技术(2)炮眼深度每循环的计划进尺数：取炮眼利用率为0.93，则炮眼

26、深度为：实际取炮眼深度为2m，实际循环进尺为：隧道爆破施工技术掏槽眼及底眼的深度为：辅助眼及周边眼的深度为：隧道爆破施工技术(3)每一循环装药量计算隧道爆破施工技术(4)掏槽眼布置根据围岩情况和实际开挖进尺，决定采用垂直楔形掏槽。掏槽形式采用6个掏槽眼，掏槽眼与开挖面的夹角取75，上下两对掏槽眼间的距离取60cm，同一平面上两炮眼眼底的距离为30cm。掏槽眼参数隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术掏槽眼长度掏槽眼的装药系数为0.55，则单孔装药量为：掏槽眼装药量实际取1.2kg(8卷)掏槽眼总装药量为：掏槽眼每米药卷的炸药重量（kg/m）;掏槽眼的装药系数;实际取7.2kg(48卷)隧道爆破施工技

27、术(5)周边眼光面爆破参数选择根据围岩情况和隧道断面尺寸，光爆孔间距取500mm，最小抵抗线取600mm，光爆孔密集系数为0.83。周边眼数量实际取22个周边眼周边眼间距及最小抵抗线隧道爆破施工技术周边眼单孔装药量为了保证开挖净空，周边眼向外倾斜，眼底距轮廓线为100mm。则周边眼的长度为：取周边眼的线装药密度为0.3kg/m，则单孔装药量为：实际取0.63kg(630/105=6卷)隧道爆破施工技术周边眼总装药量周边眼的总装药量为：实际取13.86kg(132卷)。隧道爆破施工技术(6)辅助眼参数选择炮眼数量实际取23个辅助眼的装药系数;辅助眼每米药卷的炸药重量（kg/m）;隧道爆破施工技术

28、辅助眼单孔装药量实际取0.9kg(6卷)底板眼单孔装药量实际取1.05kg(7卷)底板眼的装药系数;0.5底板眼每米药卷的炸药重量（kg/m）;0.96 kg/m隧道爆破施工技术4、炮眼布置淘槽眼6个；周边眼：22个；辅助眼：23个（包括底板眼7个，顶眼和帮眼16个）共计：51个炮眼。隧道爆破施工技术5、爆破参数表炮眼名称炮孔编号孔深/m孔数单孔装药量/kg总装药量/kg雷管段别掏槽眼162.261.27.21辅助眼7-122.060.95.4313242.0120.910.85周边眼25462.0220.6313.867底板眼47512.251.055.259合 计5142.51隧道爆破施工技术6、爆破网路及起爆采用毫秒导爆管雷管，孔内延期起爆。采用簇联网路，所有炮眼共分为6簇。每簇采用一发瞬发导爆管雷管起爆，6发导爆管雷管由一发火雷管起爆。采用连续装药结构，反向起爆方式。隧道爆破施工技术火雷管导火索瞬发导爆管雷管隧道爆破施工技术八、隧道爆破设计实例2台阶法开挖爆破1、工程概况堡镇隧道位于长阳县的贺家坪镇和榔坪镇之间，隧道采用左、右两单线方案。隧道穿越、级围岩，地下水不发育，普氏系数f=23，隧道断面设计为椭圆形断面，开挖宽度为7.46m，高9.85m。隧道爆破施工技术隧道爆破施工技术2、施工方案选择级围岩地段采用台阶法光面爆破开挖，每月施工