中南大学隧道工程第7章 隧道钻爆法施工作

第7章隧道钻爆法施工作业中南大学·隧道工程课程Contents本章内容框架隧道工程施工核心技术与作业流程概览01钻爆开挖原理与工艺02装碴与运输作业03隧道支护技术04隧道衬砌结构防水CHAPTER01钻爆开挖原理与工艺从爆破破岩机理到光面爆破设计，系统掌握隧道开挖核心技术ConstructionRequirements钻爆开挖的总体要求隧道钻爆开挖需在断面精度、出碴效率、掘进速度、围岩保护和环境保护五个维度之间寻求最优平衡，这五项要求既是施工质量控制的标准，也是爆破方案设计的核心约束条件。隧道掌子面钻爆施工现场01断面精度：按设计要求精确开挖断面，控制超欠挖在规范允许范围内，确保衬砌厚度与结构安全02出碴效率：石碴块度适中且抛掷范围集中，便于后续装碴与运输作业，缩短循环时间03掘进速度：钻眼工作量少、掘进速度快，减少作业循环时间占用，直接关系工期成本和经济效益04围岩保护：减小对围岩的震动破坏，保护围岩自承能力以确保隧道稳定性，防止过度扰动引发塌方05环境保护：降低对施工机具、支护结构及周围环境的破坏影响，实现安全文明施工EXPLOSIONMECHANICS无限介质中的爆破作用分区炸药在无限介质中爆炸后，爆轰波能量由内向外依次衰减，形成压缩粉碎区、抛掷区、松动区和震动区四个同心区域，每个区域的介质破坏程度不同，这一机理是隧道爆破参数设计的理论基础。岩石爆破后不同破坏区域的实验照片01压缩粉碎区冲击压力远超岩石抗压强度，介质被彻底粉碎甚至局部熔化，是能量最集中的核心区域02抛掷区岩石结构被破坏成碎块，若存在临空面则碎块获得动能被抛出，形成可见的爆破漏斗03松动区岩石产生径向和环向裂隙但未完全粉碎，介质结构发生松动但仍在原位04震动区爆破能量仅使介质发生弹性变形，不产生永久破坏，但可能影响邻近结构物的稳定性BLASTINGFUNDAMENTALS爆破基本概念与核心参数临空面、爆破漏斗、最小抵抗线和爆破作用指数是爆破设计的四个基础概念。最小抵抗线W决定了能量利用效率，爆破作用指数n=r/W则直接控制爆破类型——从标准抛掷到松动爆破的不同效果，是隧道炮眼参数设计的核心依据。01FREEFACE临空面与掏槽暴露在大气中的开挖面，临空面数量和面积直接影响爆破效果，掏槽的核心目的就是创造新的临空面。自由面02CRATER&W漏斗与抵抗线炸药在有临空面条件下爆炸形成圆锥形凹坑，药包中心到自由面的最短距离即为最小抵抗线W。W值03INDEX作用指数n漏斗半径与抵抗线比值：n=1标准抛掷，n>1加强抛掷，0.75<n<1加强松动，n≤0.75松动。n=r/W04APPLICATION隧道应用原则掏槽眼追求加强抛掷以破碎岩石并抛出碴体，周边眼控制为松动爆破以减少超挖和围岩扰动。掏槽·周边DRILLINGEQUIPMENT钻孔机具分类与选型隧道钻孔设备分为手持式凿岩机和凿岩台车两大类。凿岩机按动力源分为风动、内燃、电动和液压四种，其中风动凿岩机因结构简单、灵活性强而应用最广；凿岩台车则是长大隧道机械化施工的核心装备，可显著提高钻孔效率。凿岩机风动凿岩机（风钻）：以压缩空气为动力，结构简单、灵活轻便，是中小隧道施工中最常用的钻孔设备液压凿岩机：冲击能量大、钻进速度快、能耗低，适合硬岩地层，但设备投资高，通常配合台车使用内燃与电动凿岩机：分别以柴油机和电动机为动力，适用于特定施工环境，应用范围相对较窄风动凿岩机·隧道施工现场凿岩台车臂架分类：按臂架数量分为单臂、双臂和三臂台车，可多机同时作业，是机械化钻孔的核心装备液压推进与定位：配备液压推进梁和自动定位系统，钻孔精度和效率远高于手持凿岩机，适合长大隧道快速施工全电脑控制：可实现钻孔参数自动设定与轨迹控制，是隧道施工智能化发展的重要方向三臂凿岩台车·隧道钻孔设备TunnelBlasting·TechnicalReference炸药性能指标与常用品种隧道工程炸药选型需综合考虑爆力、猛度、爆速、敏感度和抗水性等性能指标。乳化炸药因抗水性强、安全性高、爆炸威力大且成本适中，已成为当前隧道施工的主流选择。PerformanceMetrics爆速爆轰波在炸药内部的传播速度，反映爆炸反应的剧烈程度，直接影响破岩效率PerformanceMetrics爆力（威力）炸药对周围介质做功的能力，爆力越大破坏范围和体积越大PerformanceMetrics猛度炸药对接触固体介质的局部破坏能力，高猛度炸药适合坚硬岩石PerformanceMetrics殉爆距离主动药包引爆被动药包的最大距离，影响炮眼间距和装药安全设计CommonVarieties乳化炸药以硝酸铵水溶液与碳质燃料乳化而成，抗水性强、安全性高、成本低，为隧道施工主流品种CommonVarieties浆状与硝化甘油炸药浆状炸药密度高、抗水性好，适用于涌水条件；硝化甘油炸药满足特殊高威力需求BlastingMaterials&Methods起爆传爆材料与起爆方法非电导爆管雷管因不受杂散电流干扰、安全性高、可实现多段毫秒延期起爆，已成为隧道爆破的主流起爆器材。毫秒延期起爆技术能显著改善岩石破碎效果和减小爆破震动，是现代隧道钻爆法施工的核心技术之一。起爆传爆器材01电雷管：分瞬发和毫秒延期两种，后者可精确控制各段起爆时差，改善破碎效果并降低震动02非电导爆管雷管：不受杂散电流和雷电干扰，安全性好，可实现多达数十段毫秒延期，为隧道施工首选03导爆索：传爆速度快、起爆可靠，常用于深孔爆破和大规模爆破的主起爆网络起爆方法分类01电力起爆法：通过电雷管通电起爆，可精确检测网路电阻，但受杂散电流影响存在安全隐患02非电导爆管起爆法：利用导爆管传递爆轰波引爆雷管，安全可靠、操作简便，为当前隧道施工主流方法03毫秒延期起爆的意义：各段炮眼按设计时差依次起爆，逐段创造临空面，显著改善破碎效果并控制震动速度Drill&Blast炮眼种类与功能定位隧道断面炮眼按功能分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三类。掏槽眼率先起爆创造临空面，辅助眼扩大崩落范围，周边眼控制最终断面轮廓。三类炮眼的合理配合是实现高效掘进和良好成型的关键。掏槽眼布置在断面中央偏下位置，率先起爆形成槽腔，为辅助眼和周边眼创造新的临空面。掏槽效果决定整个爆破循环的成败，装药量最大、钻孔精度要求最高。辅助眼位于掏槽眼与周边眼之间，在掏槽创造的临空面基础上进一步崩落大量岩石，扩大开挖范围。装药量适中，间距根据岩石性质和断面尺寸确定，起爆顺序在掏槽眼之后、周边眼之前。周边眼沿隧道设计轮廓线布置，最后起爆，负责控制开挖断面的最终形状和轮廓精度。采用小间距、少装药、不耦合装药等控制爆破技术，直接影响超欠挖量和围岩扰动程度。CUTBLASTDESIGN掏槽眼形式对比与选型掏槽眼分为斜眼掏槽和直眼掏槽两大体系。斜眼掏槽抛碴效果好但钻孔角度控制难、孔深受限；直眼掏槽钻孔简便、孔深不受断面限制，更适合长大隧道机械化施工。实际选型需综合考虑围岩条件、断面尺寸、设备能力和掘进循环进尺要求。斜眼掏槽垂直楔形掏槽：两组对称倾斜炮眼形成楔形槽腔，抛碴效果好，适用于中硬岩层和中小断面隧道锥形掏槽：多组炮眼向中心倾斜交汇形成锥形槽腔，掏槽体积大但钻孔角度控制难度高主要局限：钻孔角度要求严格、孔深受断面宽度限制，不利于深孔掘进和台车机械化作业KEYTRAIT抛碴效果好直眼掏槽布置原理：所有炮眼垂直于掌子面钻入，由装药眼和空眼交替布置，空眼提供膨胀空间和辅助临空面核心优势：钻孔操作简便、角度易控制，炮眼深度不受断面尺寸限制，适合深孔掘进和多臂台车作业常见形式：菱形掏槽、螺旋掏槽和角柱掏槽等，炸药消耗量相对较大但循环进尺稳定KEYTRAIT深孔机械化适配BLASTINGENGINEERING光面爆破原理与参数设计光面爆破通过周边眼小间距、少装药和不耦合装药，使爆炸应力波沿炮眼连线叠加形成贯穿裂缝，实现岩体整齐切割而非震碎，是控制超欠挖和保护围岩的核心技术。参数设计需精确匹配眼距E、抵抗线W和装药集中度q三个关键变量。隧道光面爆破施工现场·半孔痕迹保存效果01核心原理：周边眼采用不耦合装药，相邻炮眼爆炸应力波沿连线方向叠加，形成定向贯穿裂缝将岩石整齐切断应力波叠加02关键参数：周边眼间距E=40-60cm、最小抵抗线W=50-70cm、E/W比值控制在0.8左右，装药集中度q依岩石强度调整E/W≈0.803不耦合装药技术：药卷直径小于炮眼直径，中间留有空气间隙，降低炮眼壁初始冲击压力，减少围岩粉碎破坏空气间隙04效果评价指标：半孔保存率（硬岩≥80%、中硬岩≥50%）、平均线性超挖量（≤10cm）、围岩松弛圈深度≥80%爆破技术·工法选型预裂爆破与光面爆破技术对比预裂爆破在主爆区之前先沿轮廓线形成贯穿裂缝以阻断应力波传播，光面爆破则在主爆后利用临空面实现轮廓切割。两者核心区别在于起爆时序不同。光面爆破01掏槽眼→辅助眼→周边眼依次起爆，周边眼最后起爆，利用已形成的临空面实现轮廓切割02周边眼间距40–60cm，适用于Ⅲ级及以上较完整围岩，施工效率高、成本相对较低03爆后轮廓面半孔率高、超挖量小，是当前隧道施工中最常用的控制爆破方法间距40–60cm围岩Ⅲ级+预裂爆破01周边眼最先起爆，在主爆前预先沿轮廓线形成贯穿裂缝，阻断后续应力波传播02周边眼间距更小（30–50cm）、装药量更少，对围岩保护效果优于光面爆破，但钻孔工作量更大03适用于Ⅳ、Ⅴ级软弱破碎围岩和对围岩扰动控制要求严格的特殊工程环境间距30–50cm围岩Ⅳ–Ⅴ级ConstructionProcess钻爆法施工作业循环流程一个完整的钻爆法施工作业循环包括测量布眼、钻眼、装药堵塞、连线起爆、通风排烟和找顶排险六个核心环节。循环时间是施工组织优化的关键指标，其中钻眼作业通常占循环时间的30%-40%，是压缩工期的重点环节。隧道掌子面测量放线与炮眼标记施工现场测量布眼：用全站仪标定隧道中线和轮廓线，按设计方案精确标记掏槽眼、辅助眼和周边眼位置钻眼作业：凿岩工按布眼标记钻进各类炮眼，占循环时间30%-40%，是工期优化的重点控制环节装药堵塞：按设计要求向各炮眼装入对应品种和数量的炸药与雷管，并用炮泥堵塞保证爆破能量利用连线起爆：按毫秒延期段位连接起爆网络，经安全检查确认无误后实施起爆，严禁违章操作通风排烟与找顶：爆破后通风15-30分钟排出有害气体，随后安全检查、清除松动危石方可继续作业BLASTINGCONTROL微震爆破与振动控制技术微震爆破通过分段毫秒延期起爆将大规模爆破分解为多次小规模起爆，控制单段最大装药量，是城市隧道和敏感环境下保护既有建筑物与地下管线的核心技术。震动速度控制标准和现场监测反馈是方案优化的关键依据。核心原理增加毫秒延期段位数量，减小单段最大装药量，将爆破震动分解为多次低能量释放。通过精确控制各段起爆时间间隔，实现震动波形的错峰叠加，有效降低峰值振动速度。关键技术毫秒延期减振措施优化掏槽形式降低初始震动峰值，设置预裂缝或减振沟隔离震动传播路径。采用空气间隔装药、不耦合装药等结构优化手段，进一步削减爆破能量向围岩的传递效率。核心手段预裂缝安全标准一般民房允许震动速度2-3cm/s，古建筑和精密设施要求更严格，需按《爆破安全规程》执行。根据保护对象类别、距离远近和结构特性，分级设定振动速度控制阈值。控制阈值2-3cm/s动态优化结合现场爆破震动监测数据持续调整装药结构和起爆参数，实现精准控制。建立实时反馈机制，根据监测结果动态优化爆破设计，形成设计-实施-监测-优化的闭环管理。目标导向精准控制SAFETYMANAGEMENT钻爆施工安全管理要点钻爆法施工安全管理涵盖爆破器材管控、装药作业规范、起爆安全确认、盲炮处理程序和有害气体防控五大关键环节。每项安全规程都源自历史事故教训的总结，严格执行安全管理制度是保障施工人员生命安全的底线要求。爆破器材管理炸药与雷管分开储存运输，严格执行领取退库登记制度，做到账物相符、流向可追溯，确保器材全程受控账物相符装药作业规范使用木质或竹质炮棍堵塞，严禁金属器具和明火作业，装药区设专人警戒，杜绝静电与火花隐患严禁明火起爆安全确认起爆前清点全员撤离至安全距离以外，设立警戒哨并鸣笛示警后方可起爆，严格执行"三确认"制度全员撤离盲炮处理程序发现盲炮必须由专业爆破员按规程处理，严禁打残眼或掏挖，处理后检查确认安全，做好记录上报专业处理有害气体防控爆破后强制通风至CO、NOx浓度降至安全标准以下，配备气体检测仪实时监测，达标后方可进入作业强制通风CHAPTER02装碴与运输作业从装碴设备选型到运输线路组织，解析隧道出碴效率的关键影响因素Equipment&Efficiency装碴设备类型与效率分析隧道装碴设备以扒碴机和侧卸式装载机为主力。扒碴机适合中小断面连续装碴，侧卸式装载机在大断面中效率更高且机动性强。装碴效率与爆破效果密切相关——石碴块度适中、堆积集中时效率最高，体现了工序间的系统关联。主要装碴设备01扒碴机：耙爪交替扒取石碴送入输送机实现连续装碴，适合中小断面，国内隧道最常用02侧卸式装载机：轮式底盘机动灵活，大断面中效率高且可兼顾多种用途，长大隧道主力03挖掘机配破碎锤：主要用于大块石碴二次破碎和辅助装碴，硬岩隧道不可或缺扒碴机隧道装碴作业现场装碴效率影响因素01石碴块度：爆破后块度适中（30–50cm）时装碴效率最高，过大需二次破碎，过细增加粉尘02堆积状态：抛掷集中则装碴效率高，分散则需反复移动设备，增加无效作业时间03作业空间：断面尺寸和支护方式限制装碴设备活动范围，需合理选型匹配侧卸式装载机隧道施工现场COMPARISON隧道出碴运输方式对比隧道出碴运输分为有轨和无轨两大体系。有轨运输运量大、能耗低，适合长大隧道；无轨运输机动灵活，适合中短隧道。有轨运输隧道内铺设轨道，使用矿车和电机车牵引运输，运量大、运行阻力小、能耗低适合长大隧道和独头掘进距离超过2km的情况，运输效率随距离增加优势更加明显缺点是轨道铺设投资大、线路维护工作量高、灵活性差，施工组织要求严格核心优势>2km无轨运输使用自卸汽车或铰接式运输车直接在隧道底板上运行，机动灵活、不需铺轨、前期投入小适合断面较大的中短隧道施工，与侧卸式装载机和挖掘机配合使用效率更高缺点是对路面条件要求高、轮胎磨损大、废气排放多，需加强通风和路面维护核心优势机动灵活OPERATIONSTRATEGY出碴作业组织优化策略出碴效率优化需要从设备配置、线路规划、底板维护、调度管理和技术升级五个维度系统推进。装运设备的合理配比和运输线路的科学组织是基础，信息化调度和连续皮带输送技术则是提升出碴系统整体效能的先进手段。策略一设备配比优化一台装载机配3-5台运输车辆，确保装载设备连续作业，避免等待造成的效率损失。合理配比是提升整体作业效率的关键基础。1:3-5策略二运输线路规划设置错车道和会车区，优化行车路线减少让行等待，保持底板平整排水畅通，为高效运输创造良好通行条件。错车道设置策略三信息化调度通过无线通信和车辆GPS定位实时掌握车辆状态，动态调度减少空跑和无效等待，实现精准高效的运输管理。GPS定位策略四连续皮带输送长大隧道采用皮带输送机实现不间断出碴，配合自动装碴系统大幅提升效率，是现代隧道施工的先进技术方案。连续作业策略五通风运输协同无轨运输废气排放大，需加大通风量配合，通风方案与运输组织同步优化，保障作业环境安全与效率兼顾。协同优化Chapter03隧道支护技术从锚杆、喷射混凝土到钢拱架，掌握隧道初期支护的核心技术与设计理念BOLTSUPPORT锚杆支护类型与设计参数锚杆通过将杆体锚入围岩内部，利用黏结力将不稳定岩层锚固到深部稳定岩体中，提高围岩自承能力。全长黏结型锚杆因锚固力大、受力均匀而成为主流选择，设计参数需根据围岩级别和隧道跨度综合确定。锚杆类型01全长黏结型锚杆—通过水泥砂浆或树脂药卷将杆体全长与围岩黏结，锚固力大、受力均匀，为隧道工程最常用类型02端头锚固型锚杆—仅在端部通过机械锚头或树脂锚固，安装速度快但锚固力较小，适用于临时支护03预应力锚杆—安装后施加预应力主动约束围岩变形，适用于大跨度和软弱围岩隧道设计参数与施工要点01设计参数—杆体直径一般20–25mm、长度2–4m、间距0.8–1.5m，按梅花形或矩形布置覆盖全断面02关键施工工序—钻孔→清孔→注浆→插入杆体→安装垫板，注浆饱满度直接影响锚固效果03施工质量检测—采用拉拔试验检验锚固力，采用无损检测评价注浆饱满度隧道工程·初期支护喷射混凝土支护技术喷射混凝土通过封闭围岩表面、填充裂隙、形成承载拱和整合支护体系四重作用保护围岩。湿喷工艺因质量均匀、粉尘小、回弹率低而成为当前推荐工法。喷射厚度一般5-25cm，分初喷和复喷多次完成，与锚杆协同构成隧道初期支护的主体。作用机理与功能封闭围岩表面防止风化剥落，填充岩面凹凸和裂隙改善围岩受力状态与围岩紧密黏结形成承载拱，显著提高围岩自承能力和整体稳定性作为锚杆和钢拱架之间的连接介质，将各种支护构件整合为统一承载体系施工工艺对比干喷法：干拌合料送入喷射机、喷嘴处加水，施工简便但粉尘大、回弹率高（30%-40%）湿喷法：预拌混凝土送入喷射机喷射，质量均匀、粉尘小、回弹率低（15%-20%），为当前推荐工法喷射厚度5-25cm，分初喷3-5cm封闭岩面和复喷至设计厚度两阶段完成，配合速凝剂控制凝结时间初期支护钢拱架支护与联合支护体系钢拱架在软弱围岩隧道中提供即时强力支撑，分为型钢拱架和格栅拱架两种形式。钢拱架必须与锚杆、喷射混凝土配合形成联合支护体系才能发挥最佳效果。隧道内钢拱架安装施工现场·初期支护作业01型钢拱架：采用工字钢或H型钢弯制，刚度大、承载力高，适用于软弱破碎围岩和大变形隧道02格栅拱架：由钢筋焊接成格构形式，重量轻、与喷射混凝土结合好，适用于围岩条件相对较好情况03安装间距：一般0.5–1.5m，嵌入喷射混凝土层中并与锚杆焊接连接，形成整体承载结构04拱脚处理：必须落在坚实基础上，必要时设锁脚锚杆和扩大基础，防止拱架下沉和基础失稳05联合支护：锚杆+喷混凝土+钢拱架三者协同工作，共同承担围岩压力，为现代隧道初期支护标准配置NATMPrinciples新奥法理念与信息化施工新奥法的核心思想是将围岩从'荷载'转变为'承载结构'，充分发挥围岩自承能力。通过光面爆破减少扰动、柔性初期支护允许适度变形释放应力、监控量测动态调整参数三个原则，实现'设计-施工-监测-反馈'的信息化施工闭环管理。01核心理念：充分发挥围岩自承能力，将围岩从传统意义上的"荷载"转变为主动参与承载的"结构"荷载→结构02三大原则：光面爆破减少扰动+柔性初期支护允许适度变形+监控量测动态调整支护参数三原则协同03变形控制：允许围岩产生适度变形释放应力，但必须防止变形过大导致松动失稳，找到最佳平衡点应力释放04信息化施工：通过拱顶下沉、周边收敛等监测数据实时评估围岩稳定性，指导支护参数优化和二次衬砌时机闭环反馈隧道内监控量测收敛观测现场TunnelConstruction二次衬砌与仰拱施工二次衬砌是隧道的永久承载结构和防水屏障，在围岩变形基本稳定后采用模筑混凝土施作。仰拱封闭衬砌底部形成完整环形承载结构，在软弱围岩隧道中应及时施作以抵抗底鼓。液压衬砌台车和栈桥法分别是拱墙衬砌和仰拱施工的核心装备与工法。二次衬砌01在围岩变形基本稳定后施作，采用模筑混凝土施工，厚度30-60cm，是隧道永久承载结构和防水屏障02使用液压衬砌台车施工，台车长度9-12m，每循环浇筑一段，混凝土需对称均匀入模并充分振捣03施作时机根据监控量测数据确定，围岩变形速率降至规范标准以下后方可浇筑液压衬砌台车进行混凝土浇筑施工仰拱施工01仰拱是隧道底部的弧形结构，封闭衬砌底部形成完整环形承载体系，抵抗底鼓和地下水压力02软弱围岩隧道中仰拱应及时施作，与拱墙衬砌尽早闭合，缩短衬砌开口段的暴露时间03采用栈桥法施工，在施工区域搭设栈桥保证运输车辆通行，栈桥下方浇筑仰拱混凝土仰拱栈桥法施工现场CHAPTER04隧道衬砌结构防水从'防排结合'原则到防水板施工细节，系统解决隧道渗漏水难题EngineeringPrinciples隧道防水设计原则与体系隧道防水遵循'防排结合、多道设防、因地制宜'三大原则，通过四道防线层层设防，互为备份确保防水可靠性。防排结合不能单纯依赖堵水，需设置完善的排水系统（纵向盲管、横向排水沟）将地下水有序引导排出多道设防从外到内设围岩注浆堵水、防水板隔离层、施工缝止水带、衬砌自防水四道防线，层层保障因地制宜根据地质水文条件选择方案，高水压地层加强注浆降压，腐蚀性环境选用耐腐蚀材料防水目标实现隧道运营期'不渗不漏、内实外美'，确保结构耐久性和行车安全Materials&Construction核心防水材料特性与施工要求防水板和止水带是隧道防水的两大核心材料，材料选型与施工工艺同等重要。防水板常用EVA和HDPE材料，厚度1.0-1.5mm，具有优良的抗渗性、耐候性和抗穿刺性铺设松弛度需适中，拱部留10%-15%松弛量焊缝宽度≥25mm，充气检测0.25MPa保压5分钟止水带分为橡胶止水带和钢边止水带两种，用于施工缝和变形缝的防水密封安装须居中定位并用钢筋卡固定，浇筑时严禁移位变形缝需同时设置止水带和填缝材料，适应变形保持防水密封TunnelDrainageSystem隧道排水系统组成与设计隧道排水系统由环向盲管、纵向排水管和横向排水管