光面爆破设计原理及实列分析

1、光面爆破设计原理及实列分析刖 言光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，形成规整的轮廓壁并尽可能多 的保留半边眼痕迹和减小对围岩的扰动。通过控制爆破的作用范围和方向，使爆 破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩 壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动，改善支护结构物的受力状况，确保施 工安全和延长使用年限等方面有重大意义。1光面爆破的机理光面爆破是沿开挖轮廓线布置间距较小的平行炮眼，在这些光面炮眼中进行 药量较少的不耦合装药，然后同时起爆，爆破时沿这些炮眼的中心连线破裂成平 整的光面。通过国内外实验室研究和现场生产实践可以看出，光面爆破是由于采 用不耦合装药，药包

2、爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低，此时药包的爆破作用为 准静压力。当炮孔压力值低于岩石的抗压强度时，在炮眼壁上不至造成“压碎” 破坏。这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能 引起少量的径向细微裂隙。裂隙数目及其长度随不耦合系数和装药量而不同。一 般在药包直径一定时，不耦合系数值愈大，药量愈小，则细微裂隙数愈少而长度 也愈短。光面炮眼组同时起爆时，由于起爆器材的起爆时间误差，不可能在同一时刻 爆炸。先起爆的药包的应力波作用在炮眼周围产生细微径向裂隙（图1-b的A 炮眼）。由于B炮眼所起的导向作用，结果沿相邻两炮眼连心线的那条径向裂隙 得到优先发育。在爆炸气体作用下，这条裂

3、隙继续延伸和扩展，在相邻两炮眼的 连心线同眼壁相交处产生应力集中，此处拉应力最大。A、B两炮眼中爆炸气体 的气楔作用将这些径向裂隙加以，扩展，成为贯通裂隙。a）孔装药情况；（b）先爆炮孔对相邻炮孔的影响；（c）光面的形成形成光面图1光面爆破时炮眼连心线上破裂面的形成光面爆破的参数及工艺2. 1光面爆破主要有以下几个参数影响光面爆破效果的主要参数是：不偶合系数（D）、装药集中度（q）、炮眼 间距（E）、周边眼密集系数（m）和最小抵抗线（W）.2.1.1不偶合系数 不偶合系数是指炮孔直径d和药卷直径d0之比。D=d/ d 0药卷在有空隙的炮眼中（不偶合装药）爆炸时，形成的冲击波随不偶合系数 的增大

4、而衰减。导致爆破介质中的应变随不偶合系数的增大而衰减，在双对数坐 标系中，应变与不偶合系数间的规律，见图2。不偶合系数D 一般为1.252.0 范围内，在1.5左右比较合适。2.1.2装药集中度间隔装药，以装药长度的平均线装药密度计，隧道爆 破一般为0.040.4kg/m。过大易破坏光爆壁面；过小则爆不下来。2.1.3周边眼间距周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采用以下经验公式确 定：E=(12 15)d式中，d为炮孔直径2.1.3周边眼密集系数周边眼密集系数是指周边眼间隔E与最小抵抗线W之比值，即m=E/W。m值的大小，对光面爆破效果影响最大，下面从三种不同情况进行说明。当m=

5、a/W=2时，则两个爆破漏斗不相连接，即使两个炮眼同时起爆， 各炮眼也都单独破坏岩石，即在岩体中产生的压缩波到达自由面得同时，于两个 炮眼中间相遇，其行程相等。由此压应力而衍生的拉应力不足以使a、b间的岩 柱造成裂隙，则留下abc的三角形岩柱，使岩面凸出(所谓欠挖)，不能取得光 面爆破效果。如果两个周边眼不是同时起爆，更是如此。如图-2 (a)。当m=a/W= 1时，如果两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面之前在abc 间相遇。由于该点C与ab点的距离小于最小抵抗线W，拉应力可使ab之间岩石 产生裂隙。如果两个炮眼不同时起爆，压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼 的位置，该点c起自由面作用，也能使

6、ab间岩石产生裂隙。因此这两种情况都 能取得光面爆破效果，如图-2 (b)所示。当m=a/W=0.5时，不管是否同时起爆，压缩波到达自由面时，必须超过 另一个炮眼的距离，拉应力不仅使ab间岩石产生裂隙，同时会破坏abc三角形 而造成岩面凹进(所谓超挖)，也达不到光面爆破的效果，见图-2 (c)所示。W(c)ab图2不同密集系数的爆破情况实践表明，当m=0.81.0时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩 中取小值。2.1.4最小抵抗线W 光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离，是光面眼起 爆时的最小抵抗线，一般应大于或等于光面眼间距。理论和实践均证明光面爆破 炮眼间距与最小抵抗线之比为0.

7、8为好，即E/W=0.8，则W=1.25EW最小抵抗线，cmE一炮眼间距，cm2.1.5光面爆破装药集中度q。光面爆破装药集中度可以按以下经验公式计q=10（E+W）* Jrb式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa2.1.7周边眼的其他参数（1）炮眼直径d。光面爆破的周边眼直径无需选择，国内掘进常用的炮眼直 径为 35mm-50mm；（2）周边眼的深度l和角度a。“全断面一次爆破时，周边眼深度一般为 2.5m-3.0m。确定眼深时，还应考虑到其他作业的生产能力在掘进循环中的充分 发挥。周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不 向外偏斜一定角度，偏斜角一般为3。5。偏斜角度的

8、大小，可根据眼深加以调 整，使眼底落在轮廓线外100mm处。隧道光面爆破常用参数如表1所示。表1隧道光面爆破常用参数岩石类别周边眼间距E（cm）最小抵抗相对距装药集中线 W (cm)离(E/W)度 q (g/m)硬556560800.81.0 300350LU岩中硬LU岩456060750.81.0200300软LU 岩354545550.81.0701202. 2掏槽爆破隧道开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创造临空面，必须先在开挖面 上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽。隧道爆破开 挖成败的关键是掏槽技术，掏槽的成功与否直接影响爆破效果，掏槽的深度直接 影响隧道掘进

9、的循环进尺。而掏槽的成功与否，有与地质条件、掏槽深度及形式、 炸药种类及装药量、起爆程序等有关。在大断面隧道掘进中，为了加大掏槽深度， 常采用双层、三层或四层楔形掏槽眼，这种掏槽称为复式楔形掏槽。每对掏槽眼 呈完全对称形或近似对称形。2.2.1掏槽选定的条件1）、开挖断面的大小及宽度2）、地质条件3）、机具器材条件4）、钻眼爆破技术水平5）、开挖技术要求等2.2.2楔形掏槽需注意的几个关键技术问题1）、楔形掏槽在断面较宽时，应当尽量缩小掏槽角，因而也要尽量加大第一 级掏槽眼的水平间距。2）、楔形掏槽在炮眼较深时，其底部加强装药应保持炮眼全长的1/3长度， 前部装药（柱状结构）集中度可以减为底部

10、装药集中度的40-50%或换成威力较 低的炸药。不应把炸药装填到炮眼口，而应大约流出20%的炮眼长度不装药，并 装填不少于20cm长的炮泥。3）、楔形掏槽眼应每级均应尽量同时起爆，以使用毫秒雷管爆破。级间间隔 时差也不宜太短，以50ms较合适，以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。2. 3光面爆破主要施工方案用光面爆破开挖隧道时有两种方案，一种是全断面法，如图-3所示。对于 II、III类整体性好的围岩，可采用全断面法，此时掏槽眼、辅助眼等的参数按普 通爆破来设计，周边眼则按照光面爆破来设计。可用多段毫秒电雷管或非电导爆 系统按顺序起爆，掏槽眼、辅助眼间起爆间隔时间不应小于25ms。邻近周边眼 的一

11、排炮眼的药量要比其他炮眼的药量少，以控制围岩爆震裂隙的发展。3 .影响光面裂缝形成的因素影响光面裂缝形成的因素很多，主要因素有装药量和装药结构，最小抵抗线 与孔间距的比值，起爆方法、空孔等。3.1装药结构为了不破坏需要保护一侧的围岩，要采用较大的不偶合系数（D=d/d0），环 状间隙装药和间隔装药，以及低猛度、低爆速（如2000m/s3000m/s）、低密度 的炸药。3.2最小抵抗线、空孔与孔距最小抵抗线应大于光面孔的孔距。最小抵抗线过小时，孔与孔之间的光面裂隙来 不及贯通，各孔就已朝自由面形成爆破漏斗，结果产生凸凹不平的破裂面；相反， 最小抵抗线过大时，光面裂隙固然容易形成，但是自由面方向的

12、爆破效果可能要 恶化，会出现大块度。根据理论推算和现场施工分析，空孔和最小抵抗线的比值最好是0.81。在 节理、裂隙发育的岩石中以及开挖面的拐角、弯曲部分，要加密炮孔或增加导向 空孔。3.3起爆间隔时间实验室爆破试验研究表明，齐发起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之， 秒差延期最差。齐发起爆时，炮眼贯通裂隙较长，抑制了其它方向裂隙的发育， 有利于减少炮眼周围的裂隙的产生，可形成平整的壁面。所以，在实施光面爆破 时，间隔时间愈短，壁面平整的效果愈有保证。应尽可能减少周边眼间的起爆时 差，相邻光面炮眼的起爆间隔时间不应大于100ms。4.工程实例枫相院隧道清水沟斜井是枫相院隧道4个进口之一，全长

13、1582米，开挖断 面面积50.43m2,开挖断面宽7.86m，其中III级围岩1511m,占隧道全长的95.5%, 其余为W级和V级围岩。位于甘肃省陇南市武都区境内，地属西秦岭中山区，北 高南低，山体陡峻，谷深且多呈“V”字形。地面高程基本分布在7602050m， 高差约1300m。隧道最大埋深位于DK440+500附近的婆娘山，约1220m。隧道通 过区出露的地层主要为：第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚 岩、变砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩。本区属松潘一甘孜褶皱系之巴颜喀 拉山冒地槽褶皱带。隧道位于该冒地槽褶皱带的东部，隧道洞身无褶皱的地质构 造现象，基岩稳定，产状单一，

14、岩石较为完整。4.2爆破方案1、V类围岩稳定性较差，节理裂隙发育。对V类围岩采用台阶开挖法，每 个循环进尺为2.0m。2、III、IV类围岩稳定性较好，考虑到机械设备的使用效率以及工期的影 响，对此类围岩采用全断面开挖法，每个循环进尺为3.0m。4.3凿眼、爆破器材4.3.1凿岩机械采用可移动式全断面作业台车，使用YT-28型气腿式凿岩机钻眼。全断面作业时配合13台凿岩机同时钻眼，以保证开挖作业进度。4.3.2爆破器材 电雷管导爆索4.4爆破参数本隧道岩石特性：第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚岩、变 砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩。主要岩层为千枚岩，为比较常见的变质岩 的一种

15、，粒状鳞片变品结构。4.4.1钻头直径40mm，故炮眼直径按42mm计，根据不偶合系数取值范围，确定 药卷直径32mm。则D= d/ d 0=42/32=1.3124.4.2周边眼间距和最小抵抗线E= (1215) dd为炮孔直径，42mm 计算得：E=504630mm合理的周边眼间距需要结合围岩类型、岩石条件等因素进行选择，对于节理发育、 层理明显的地方，周边眼间距可适当减小。本工程掘进过程中，主要是III级围 岩，取E=500mm，在隧道侧面经多次爆破后根据岩石、钻孔等条件适当加密取 E=480mm。则根据 W=1.25E，E=500mm，W=1.25*500=625mm，E=480mm，

16、 W=1.25*580=600mm，本工程中取W=600mm4.4.3光面爆破装药集中度qq=10 (E+W) * v?b式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa，本工程中III级围岩的平均抗压强度为126 Mpa。计算得 q=10 (500+600) * V 126=123g/m根据光面爆破现场试验结果，优化和调整装药量，最后得到周边眼装药集中 度最佳取值：q=200 g/m。5.炮眼布置图131313131315III级围岩开挖炮眼布置图131313131315爆破参数，见下表爆破参数表炮眼种类个数孔深毫秒雷管 段位装药集中度 (kg/m)装药量 (kg)掏槽眼163.510.8648.0扩槽眼1

17、23.530.8628.8掘进眼243.55、7、9、110.757.6底板眼63.511.130.814.4内圈眼203.09、130.740.0周边眼413.013.150.224.6合计119213.47、掏槽区爆破采用楔形掏槽，布置图如下楔形掏槽布置图钻爆施工与管理8.1布孔。为了确保光面爆破效果，由测量人员按照炮孔设计要求，利用全站仪 将开挖断面中线、水平线、周边眼、掏槽眼准确地用红漆标在开挖面上，并由专 人检查记录。炮眼位置和钻眼方向均用红油漆标注，以便钻眼人员准确掌握钻孔 深度和角度。8.2钻孔。在施工过程中，要求开孔准确，严格控制周边孔间距，其误差小于2cm。 为保证下一循环的

18、掘进工作面净空，周边孔要保持35度的外插角，钻孔作业 要求做到准、平、直、齐。钻孔应尽量从上而下进行，以防止施工过程中泥浆堵 塞已钻好的炮眼。8.3装药爆破。装药前，对经检查合格的炮孔用高压风管进行清理，将炮孔内的 泥浆、石粉吹干净。严格按设计装药量、装药结构及雷管段别进行填装，周边孔 堵塞长度要大于20cm，所有装药的炮孔必须堵塞炮泥。为确保爆破效果，避免 瞎炮，联线工作应由专人负责。8.4为了确保光面爆破效果，必须建立严格的钻爆管理制度。根据施工规范允许 的超、欠挖值，制定奖惩措施，并严格执行。安全技术要求9.1严禁在残眼上打钻。9.2炸药加工应在专用加工房进行。9.3采用竹制或木制炮棍装药。9.4放炮时要发出使周围的人能听到或看到的预警信号，并在确认其他施工人员 已撤至安全地点后才能起爆。9.5爆破后应等待15分钟后爆破人员才能进入爆破点检查，并确认无瞎炮和其 他危险后其他人员才能进入爆破区。9.6如出现瞎炮，应由爆破人员处理，处理过程中，其他施工人员不能进入爆破 区。光面爆破效果在已施工的清水沟斜井III级围岩地段，经过多次试验，光面爆破基本达到 了预期要求。爆破后形成了光洁平整的轮廓面，半残眼率超过了规范规定，达到 90%,炮眼利用率达到了 95%，欠挖很少，超挖基本控制在8cm之内，爆堆比较集 中，岩渣粒控制在30m以内，没有二次爆破的现象，便于铲装。光爆轮廓