隧道爆破設計

第二節(jié)隧道爆破施工技術一、爆破對固體介質的破壞作用

(一)無限介質中的爆破作用如圖7-6-1所示。1.壓縮粉碎區(qū)2.拋擲區(qū)3.破壞區(qū)4.震動區(qū)R3R4R2R1圖7-6-1(二)臨空面與爆破漏斗

臨空面又叫自由面，是指暴露在大氣中的開挖面。爆破漏斗，如圖7-6-2所示。爆破漏斗有以下幾何要素組成：藥包中心到自由面最短距離，稱為最下抵抗線(W)；最下抵抗線與自由面交點到爆破漏斗邊沿的距離，叫爆破漏斗半徑(r)；藥包中心到爆破漏斗邊沿的距離叫破裂半徑(R)；可見漏斗深度(P)；壓縮圈半徑(R1)等。爆破漏斗半徑r與最小抵抗線W的比值n(n＝r/w)，稱為爆破作用指數(shù)n＝1的爆破稱為標準拋擲爆破，n>1的爆破稱為加強拋擲爆破或揚棄爆破；0.75<n<1的爆破稱為加強松動或減弱拋擲爆破；n≤0.75的爆破稱為松動爆破。

r=nWWPRR1圖7-6-2(三)柱狀藥包爆破特點簡稱柱狀藥包。有炸藥爆炸特性所確定，球形藥包爆炸應力波的傳播方向，是以藥包中心為圓心成球面狀向四周傳播。二、爆破材料

1.炸藥的性能炸藥的主要性能如下：(1)敏感度。①熱敏感度。見表7-6-1。

炸藥名稱爆發(fā)點(℃)炸藥名稱炸藥名稱爆發(fā)點(℃)炸藥名稱炸藥名稱爆發(fā)點(℃)EL系列乳化炸藥330梯恩梯290~2952號巖石硝銨炸藥186~230硝化甘油2002號煤礦硝銨炸藥180~188黑索金230黑火藥290~390特屈兒195~200

②火焰感度③機械感度見表7-6-2。④爆轟感度炸藥名稱EL系列乳化炸藥2號巖石硝銨炸藥硝化甘油黑索金特屈兒黑火藥梯恩梯撞擊感度(%)≤82010070~7550~60504~8摩擦感度(%)0

9024

0表7-6-2幾種炸藥的撞擊、摩擦感度(2)爆速幾種炸藥的爆速見表7-6-3。炸藥名稱銨梯炸藥硝化甘油梯恩梯特屈兒黑索金太安密度(g/cm3)1.401.601.601.591.761.72爆速(m/s)520074506850733486608083表7-6-3幾種炸藥的爆速(3)爆力(威力)炸藥名稱2號銨梯巖石炸藥硝化甘油梯恩梯特屈兒黑索金太安密度(g/cm3)0.1~1.11.601.501.601.70

爆力(cm3)320600285300600580表7-6-4幾種炸藥的爆力(4)猛度

見表7-6-5。

炸藥名稱2號銨梯巖石炸藥EL系列乳化炸藥RJ系列乳化炸藥硝化甘油梯恩梯特屈兒黑索金太安密度(g/cm3)0.1~1.1

1.601.501.601.70

爆力(cm3)320

600285300600580表7-6-5幾種炸藥的猛度值(5)爆炸穩(wěn)定性和臨界直徑、最佳密度、管道效應爆炸穩(wěn)定性是指炸藥經(jīng)起爆后，能否連續(xù)、完全爆炸的能力。①臨界直徑“臨界直徑”是在柱狀裝藥時被動藥卷能發(fā)生殉爆的最小直徑φmin。②最佳密度③管道效應(6)殉爆距離(7)安定性2.隧道工程常用的炸藥(1)銨梯炸藥(2)漿狀(水膠)炸藥(3)乳化炸藥(4)硝化甘油炸藥又稱膠質炸藥

3.起爆材料(系統(tǒng))(1)導火索與火雷管①導火索是用來傳遞火焰給火雷管

②火雷管是最簡單的一種雷管，見圖7-6-3。

123451-管殼；2-加強帽；3-正起爆藥；4-副起爆藥；5-聚能穴圖7-6-3火雷管(2)電雷管①雷管可分為即發(fā)電雷管和遲發(fā)電雷管。即發(fā)電雷管見圖7-6-4，圖7-6-5

②遲發(fā)電雷管按其延期時間差可分為秒遲發(fā)和毫秒遲發(fā)系列。

1234圖7-6-5遲發(fā)電雷管1-塑料塞；2-延期藥；3-延期內(nèi)管；4-加強帽；圖7-6-4即發(fā)電雷管123456789101-腳線；2-管殼；3-密封塞；4-紙墊；5-橋絲；6-引火頭；7-加強帽；8-DDNP；9-正起爆藥；10-副起爆藥(a)(b)(b)引火頭式(a)直插式表7-6-7秒遲發(fā)電雷管的延期時間段別1234567延期時間(s)＜0.11.0+0.52.0+0.63.1+0.74.3+0.85.6+0.97.0+1.0腳線顏色灰藍灰白灰紅灰綠灰黃黑藍黑白

③發(fā)爆電源可用交、直流照明或動力電源，也可以用各種類型的專用電起爆器。(3)塑料導爆管與非電雷管①塑料導爆管的傳爆原理及優(yōu)點：塑料導爆管是用來傳遞微弱爆轟給非電雷管，使之爆炸的傳爆材料②非電雷管的構造及延期時間系列：見圖7-6-6。③導爆管的發(fā)爆及連接網(wǎng)絡：圖7-6-7、圖7-6-81-塑料導爆管；2-消爆空腔；3-延期藥；4-正起爆藥；5-金屬管殼；6-塑料聯(lián)接套；7-空信帽；8-加強帽；9-副起爆藥；123456789圖7-6-6遲發(fā)非電雷管77777772555555591111333火雷管導火索（炮眼旁數(shù)字為毫秒雷管段別）圖7-6-7導爆管－非電雷管起爆網(wǎng)絡之一12345圖7-6-8導爆管－非電雷管起爆網(wǎng)絡之二1-導爆索；2-8號雷管及膠布；3-導爆管；4-連接塊；5-炮眼123456789101112傳爆方向1-導爆索；2-副起爆藥；3-加強帽；4-緩沖劑；5-大內(nèi)管；6-消爆管；7-導爆索；8-雷管殼；9-正起爆藥；10-紙墊；11-外套管；12-連接管圖7-6-9導爆索與繼爆管三、隧道爆破設計(一)炮眼的種類和作用

1.掏槽眼如圖7-6-10中的1號炮眼。其作用是先在開挖面上炸出一個槽腔，為后續(xù)炮眼的爆破創(chuàng)造新的臨空面。2.輔助眼如圖7-6-10中的2號炮眼。其作用是擴大掏槽眼炸出的槽腔，為周邊眼爆破創(chuàng)造臨空面。3.周邊眼如圖7-6-10中的3號、4號、5號炮眼，其作用是炸出較平整的隧道斷面輪廓。爆破的關鍵是掏槽眼和周邊眼的爆破。1-掏槽眼；2-輔助眼；3-幫眼；4-頂眼；5-底眼bBα444443333222255555111111aa圖7-6-10炮眼種類(二)掏槽形式和參數(shù)1.斜眼掏槽斜眼掏槽的特點是掏槽眼與開挖斷面斜交

垂直楔形掏槽。圖7-6-10錐形掏槽圖7-6-11所示為四角錐形掏槽其有關參數(shù)見表7-6-10。圍巖類別α斜度比a(cm)b(cm)炮眼數(shù)量(個)Ⅳ類及以上70o~80o1:0.27~1:0.1870~80304III類75o~80o1:0.27~1:0.1860~70304~6II類70o~75o1:0.37~1:0.2750~60256I類55o~70o1:0.47~1:0.3730~50206表7-6-9垂直楔形掏槽爆破參數(shù)圖7-6-11四角錐形掏槽a圍巖級別αa/cm炮眼數(shù)量/個II級及以下70o1003Ⅳ級68o904Ⅳ級65o805Ⅵ級60o706表7-6-10錐形掏槽爆破參數(shù)2.直眼掏槽直眼掏槽由若干個垂直于開挖面的炮眼所組成，掏槽深度不受圍巖軟硬和開挖斷面大小的限制，可以實現(xiàn)多臺鉆機同時作業(yè)、深眼爆破和鉆眼機械化，從而為提高掘進速度提供了有利條件。(1)直眼掏槽形式①柱狀掏槽(圖7-6-12)。②螺旋形掏槽圖7-6-12柱狀掏槽裝藥孔臨空孔圖7-6-13螺旋形掏槽abcd1234(2)影響直眼掏槽效果的因素①眼距②空眼③裝藥④輔助拋擲⑤鉆眼質量3.混合掏槽(1)復式掏槽如圖7-6-14所示。

圖7-6-14三級復式楔形掏槽35040023016072.50700680903030701303129030307013025040023016068o63o55o(a)(b)(2)升級掏槽如圖7-6-15所示。圖7-6-15升級掏槽012345665432100123456450(3)分段掏槽圖7-6-16圖7-6-17圖7-6-16直眼二次掏槽4,54,56,76,713317766偶合裝藥炮泥圖7-6-17混合掏槽10~20cmHH(a)角錐與直眼10~20cmH(b)楔形與直眼(三)隧道爆破的參數(shù)設計1.炮眼直徑炮眼直徑對鑿巖生產(chǎn)率、炮眼數(shù)目、單位耗藥量和洞壁的平整程度均有影響。一般隧道的炮眼直徑在32～50mm之間，藥卷與眼壁之間的間隙一般為炮眼直徑的10％～15％。2.炮眼數(shù)量炮眼數(shù)量主要與開挖斷面、炮眼直徑、巖石性質和炸藥性能有關，炮眼的多少直接影響鑿巖工作量。

(7-6-1)式中N——炮眼數(shù)量，不包括未裝藥的空眼數(shù)；q——單位炸藥消耗量，一般取q=1.1~2.9kg/m3，見表7-6-11；S——開挖斷面積，m2；α——裝藥系數(shù)，即裝藥長度與炮眼全長的比值，可參考表7-6-12；γ——每米藥卷的炸藥質量，kg/m，2號巖石銨梯炸藥的每m質量見表7-6-13。炮眼數(shù)量常用的經(jīng)驗數(shù)值可參考表7-6-14。工程項目炸藥類型巖石級別特堅石Ⅰ堅石Ⅱ~Ⅲ次堅石Ⅲ~Ⅳ軟石Ⅴ導坑4~6m2硝銨炸藥2.92.31.81.562％膠質炸藥2.11.71.81.17~9m2硝銨炸藥2.52.01.61.362％膠質炸藥2.01.61.251.110~12m2硝銨炸藥2.251.81.51.262％膠質炸藥1.71.351.10.9擴大炮眼硝銨炸藥1.100.850.70.6周邊炮眼0.900.750.650.55底部炮眼1.41.21.11.0半斷面(多臺階)拱部硝銨炸藥1.0~1.1底部0.5~0.6全斷面硝銨炸藥1.4~1.6表7-6-11爆破1m3巖石用藥量炮眼名稱圍巖級別II、IIIⅣⅤⅥ掏槽眼0.50.550.600.65—0.80輔助眼0.40.450.500.55—0.70周邊眼0.40.450.550.60—0.75表7-6-12裝藥系數(shù)α值藥卷直徑/mm32353840444550γ/(kg/m)0.780.961.101.251.521.591.90表7-6-132號巖石銨梯炸藥每米質量y值圍巖級別開挖面積4~67~910~1213~1540~43軟巖(Ⅵ、Ⅴ)10~1315~1517~1920~24

次堅巖(III、Ⅵ、)11~1616~2018~2523~30

堅巖(II、III)12~1817~2421~3027~3575~90特堅巖(I)18~2528~3337~4238~4380~100表7-6-14炮眼數(shù)量參考值

3.炮眼深度

炮眼深度是指炮眼底至開挖面的垂直距離。炮眼深度一般根據(jù)下列因素確定：(1)圍巖的穩(wěn)定性，避免過大的超欠挖；(2)鑿巖機的允許鉆眼長度、操作技術條件和鉆眼技術水平；(3)掘進循環(huán)安排，保證充分利用作業(yè)時間。一般最大炮眼深度取斷面寬度(或高度)的0.5~0.7倍，即L=(0.5~0.7)B。當圍巖條件好時，采用較小值。另一種方法是利用每一掘進循環(huán)的進尺數(shù)及實際的炮眼利用率來確定，即(7-6-2)

第三種方法是按每一掘進循環(huán)中所占時間確定，即(7-6-3)

4.裝藥量的計算及分配炮眼裝藥量的多少是影響爆破效果的重要因素。計算總用藥量Q的公式為

Q＝qV(7-6-4)

(四)炮眼的布置炮眼一般按下述原則布置：1.先布置掏槽眼，其次是周邊眼，最后是輔助眼。2.周邊眼應嚴格按照設計位置布置。3.輔助眼的布置主要是解決炮眼間距和最小抵抗線的問題4.當炮眼的深度超過2.5m時，靠近周邊眼的內(nèi)圈輔助眼應與周邊眼有相同的傾角。5.當巖層層理明顯時，炮眼方向應盡量垂直于層理面?？梢杂幸韵聨追N布置方式：1.直線形布眼如圖7-6-18(a)、(b)所示2.多邊形布眼如圖7-6-18(c)所示。3.弧形布眼如圖7-6-18(d)所示4.圓形布孔。(a)(b)(c)(d)圖7-6-18隧道炮眼布置方式二、周邊眼的控制爆破1.隧道光面爆破的特點與標準光面爆破是通過正確確定爆破參數(shù)和施工方法，在設計斷面內(nèi)的巖體爆破崩落后才爆周邊孔，使爆破后的圍巖斷面輪廓整齊，最大限度地減輕爆破對圍巖的擾動和破壞，盡可能地保持原巖的完整性和穩(wěn)定性的爆破技術。其主要標準為：開挖輪廓成形規(guī)則，巖面平整；圍巖壁上保存有50％以上的半面炮眼痕跡，無明顯的爆破裂縫；超欠挖符合規(guī)定要求，圍巖壁上無危石等。2.隧道光面爆破的主要參數(shù)(1)周邊炮眼間距E。如圖7-6-19所示，即(7-6-5)一般取Ki=10～18，即E=(10～18)d；當炮眼直徑為32～40mm時，E=320～700mm。圖7-6-19光面爆破參數(shù)示意EEEWF

(2)光面層厚度及炮眼密集系數(shù)。所謂光面層就是周邊眼與最外層輔助眼之間的一圈巖石層。其厚度就是周邊眼的最小抵抗線W(圖7-6-19)。周邊眼的間距E與光面層厚度W有著密切關系(3)裝藥量。周邊眼的裝藥量通常以線裝藥密度表示。在光面層單獨爆落時，周邊眼的線裝藥密度一般為0.15~0.25kg/m，全斷面一次起爆時，為減少殘眼，裝藥密度需適當增加，一般可達0.30~0.35kg/m。3.隧道光面爆破的技術措施(1)使用低爆速、低猛度、低密度、傳爆性能好、爆炸威力大的炸藥。(2)采用不偶合裝藥結構。(3)嚴格掌握與周邊眼相鄰的內(nèi)圈炮眼的爆破效果，為周邊眼爆破創(chuàng)造臨空面。(4)嚴格控制裝藥集中度，必要時可采取間隔裝藥結構。裝藥集中度(kg/m)巖石類別炮眼間距E(cm)抵抗線W(cm)密集系數(shù)K=E/W0.30~0.35硬巖55~7060~800.7~1.00.20~0.30中硬巖45~6560~800.7~1.00.07~0.12軟巖35~5040~600.5~0.8表7-6-15光面爆破一般參考數(shù)值（二）隧道預裂爆破預裂爆破是由于首先起爆周邊眼，在其他炮眼未爆破之前先沿著開挖輪廓線預裂爆破出一條用以反射爆破地震應力波的裂縫而得名。巖石類別炮眼間距E/cm至內(nèi)排崩落眼間距cm裝藥集中度(kg·m-1)硬巖40~50400.30~0.40中硬巖40~45400.2~0.25軟巖35~40350.07~0.12表7-6-16預裂爆破參數(shù)

四、鉆爆施工(一)鉆眼(二)裝藥

隧道爆破中常采用的裝藥結構有連續(xù)裝藥、間隔裝藥及不偶合裝藥等，如圖7-6-20。

不偶合裝藥；(b)間隔裝藥；(c)反向起爆裝藥；(d)正向起爆藥。1－引線；2－炮泥；3－雷管；4－藥卷；5－小直徑藥卷。11112354234234234(a)(b)(c)(d)圖7-8-20裝藥結構(三)堵塞及起爆(四)起爆順序及時差(1)除預裂爆破的周邊眼是最先起爆外，在一個開挖斷面上，起爆順序是由內(nèi)向外逐層起爆。這個起爆順序可以用遲發(fā)雷管的不同延期時間(段別)來實現(xiàn)。(2)試驗和研究表明，各層(卷)炮之間的起爆時差越小，則爆破效果越好。常采用的時差為40～200ms，稱為微差爆破。(3)內(nèi)圈炮眼先起爆，外圈炮眼后起爆，這個順序不能顛倒，否則爆破效果大受影響，甚至完全失敗。(4)同圈眼必須同時起爆，尤其是掏槽眼和周邊眼，以保證同圈眼的共同作用效果。(5)延期時間可以由孔內(nèi)控制或孔外控制。(五)盲炮的預防和處理1．盲炮產(chǎn)生的原因(1)火雷管拒爆產(chǎn)生盲炮(2)電力起爆產(chǎn)生盲炮(3)導爆索起爆產(chǎn)生盲炮(4)導爆管起爆系統(tǒng)拒爆產(chǎn)生盲炮2．盲炮的預防(1)破器材要妥善保管，嚴格檢查，禁止使用技術性能不符合要求的爆破器材；(2)同一串聯(lián)支路上使用的電雷管，其電阻差不應大于0.8Ω，重要工程不超過0.3Ω；(3)不同燃速的導火索應分批使用；(4)提高爆破設計質量。設計內(nèi)容包括炮孔布置、起爆方式、延期時間、網(wǎng)路敷設、起爆電流、網(wǎng)路檢查等。對于重要爆破，必要時須進行網(wǎng)路模擬試驗；(5)改善爆破操作技術，保證施工質量。(6)在有水的工作面或水下爆破時，應采取可靠的防水措施，避免爆破器材受潮。3．盲炮的處理(1)淺眼爆破盲炮處理：①經(jīng)檢查確認炮孔的起爆線路完好時，可重新起爆；②打平行眼裝藥爆破。③用木制、竹制或其他不發(fā)生火星的材料制成的工具，輕輕地將炮眼內(nèi)大部分填塞物掏出，用聚能藥包誘爆；④在安全距離外用遠距離操縱的風水管吹出盲炮填塞物及炸藥，但必須采取措施，回收雷管；⑤盲炮應在當班處理。(2)深孔爆破盲炮處理①爆破網(wǎng)路未受破壞且最小抵抗線無變化者，可重新連線起爆；最小抵抗線有變化者，應驗算安全距離，并加大警戒范圍后連線起爆；②在距盲炮口不小于10倍炮孔直徑處另打平行孔裝藥起爆。爆破參數(shù)由爆破工作領導人確定；③所用炸藥為非抗水硝銨類炸藥且孔壁完好者，可取出部分填塞物，向孔內(nèi)灌水使之失效，然后進一步處理。(六)超欠挖問題1.隧道允許超欠挖值隧道的允許超欠挖值應符合表7-6-17的規(guī)定。表7-6-17

隧道允許超欠挖值

開挖部位圍巖級別ⅠⅡ~ⅣⅤ~Ⅵ拱部平均10平均15平均10最大20最大25最大15邊墻、仰拱、隧底平均10平均10平均102.超欠挖的原因(1)地質條件：(2)鉆孔設備(3)炸藥品種及裝藥結構(4)爆破設計不當(5)施工操作3.防止或減少超欠挖的措施

(1)優(yōu)化每循環(huán)進尺，盡可能將鉆孔深度設計在4m以內(nèi)。(2)選擇與巖石聲阻抗相匹配的炸藥品種。(3)利用空孔導向，或在有條件時采用異型鉆頭鉆鑿有翼形缺口的炮孔。(4)利用裝藥不偶合系數(shù)或相應的間隔裝藥方式。(5)提高施工人員素質，加強崗位責任制。(七)隧道爆破質量檢驗標準一般采用表7-6-18所示的質量檢驗標準巖性軟弱中硬硬圍巖擾動深度(m)10．80．5平均線性超挖(cm)151510最大線性超挖(cm)252520兩炮銜接臺階最大尺寸(cm)151515局部欠挖(cm)555炮眼殘痕率≥50％≥70％≥80％炮眼利用率100％95％90％巖壁爆后圍巖穩(wěn)定，無剝落現(xiàn)象石渣塊度大塊一般不宜超過300n，大型裝渣機允許50~60cm，最大為1000n，渣堆集中，最大拋距20m，雙線隧道深眼爆破時為30m某隧道為石灰?guī)r，無地下水，屬Ⅳ級圍巖，隧道為矩形斷面，其尺寸為4.2m×3.0m，月掘進計劃為130m，每月施工28d，采用四班四循環(huán)作業(yè)，炮眼利用率為0.9，采用2號巖石銨梯炸藥，藥卷直徑φ32mm。鉆爆設計如下：1.根據(jù)隧道的地質情況決定采用垂直楔形掏槽。2.計算導坑炮眼數(shù)N：式中，開挖面積S：4.2×3=12.6m2；單位耗藥量q=1.4kg/m3(根據(jù)開挖面面積及圍巖級別查表7-6-3)；α=0.8(查表7-6-4并根據(jù)工程實踐經(jīng)驗)；γ=0.78(根據(jù)藥卷直徑φ32mm表7-6-5)。則N=1.4×12.6/0.8×0.78=28個3.根據(jù)采用的垂直楔形掏槽及Ⅳ級圍巖由《鐵路工程施工技術手冊·隧道》中查得：掏槽炮眼與開挖面間的夾角=70°，上、下兩對炮眼間的距離a=50cm，同一平面上兩炮眼眼底的距離b=20cm，掏槽炮眼為6個。五、隧道爆破設計實例4.計算每一循環(huán)炮眼深度：l=130/(28×4×0.9)=1.29m≈1.30m每一循環(huán)進尺為1.3m×0.9=1.17m。故掏槽眼及底眼深度l掏、底=1.3m+0.10m=1.4m。輔助眼、幫眼、頂眼深度l輔、幫、頂=1.3m。5.計算各種炮眼的長度L及同一平面上兩掏槽炮眼眼口間的距離B(圖7-6-21)：圖7-6-21炮眼示意圖（單位：m）0.151.301.41b=0.2Bccb7001.490.151.30掏槽炮眼長度：同一平面上兩掏槽炮眼眼口的距離B(圖7-6-22)為輔助炮眼長度l輔：因輔助炮眼垂直于開挖面，故l輔=l輔=1.3m。為鉆眼方便