光面爆破

光面爆破：就是控制爆破的作用范围和方向，使爆破后岩面光滑平整，防止岩石开裂，减少超、欠挖和支护工作量，增加岩壁的稳定性，减少爆破对保留岩体的破坏作用，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。

光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体，然后再起爆布臵在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面。 隧道爆破施工 第一节 概述

钻爆法目前仍是我国隧道施工中开挖的主要方法，与机械开挖相比，适用地质条件广、费用低、设备简单，但对围岩的扰动大、开挖面成形质量差，主要表现在超欠挖量上。

1、超欠挖的定义：以设计的隧道开挖轮廓线为基准，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分称为欠挖。

2、严重的超欠挖会造成资源浪费和增大施工难度，主要表现在以下几方面：

⑴弃渣量增加，需多装多运；

⑵超挖空间回填，增加混凝土材料的消耗； ⑶欠挖清除，造成人工、器材的超额消耗；

⑷超欠挖形成的凹凸不平，对喷射混凝土、张挂防水板造成困难。 3、严重的超欠挖会影响施工质量，主要从以下几方面认识： ⑴超欠挖造成开挖轮廓（形状和尺寸）与设计相差很大时，围岩应力重分布也会相差很大，使支护受力状态与设计不符； ⑵超挖形成的凹角处存在应力集中，岩块易损坏； ⑶欠挖形成的凸部，在高地应力的作用下，岩块易挤出；

4、对隧道轮廓控制爆破的初步评价

⑴隧道轮廓控制爆破两种技术——光面爆破与预裂爆破的比较。

英国人认为在有显著节理裂隙的地层中，岩体经常沿节理面破

碎爆落，不完全按预裂方向开裂，应普遍采用光面爆破；

我国隧道工程实践也表明，裂隙发育程度及倾角对预裂爆破后形成平滑壁面有很大影响，当裂隙与裂面斜交或几组裂隙相交，则易于造成岩石沿节理面脱落。应根据不同地质条件采取不同的爆破方法及相应的钻爆参数。

⑵隧道轮廓控制爆破的经济价值。

瑞士经验表明，光面爆破减少20cm超挖，节省各种费用是爆破成本的4倍；

前苏联资料显示，光面爆破可使超挖减少到5～10cm，使圬工消耗量降低30～50％，减少装载、运输费用5～7％；

日本试验表明，采用光面爆破后，超挖率由23.77％降低到8.46％，混凝土超灌量由77.25％减少到27.5％。

国内对光面爆破的经济评价，概括为：超挖量由20％降低到10％，衬砌速度加快30％，开挖进度提高12.6％，炸药消耗量减少19.5％。

⑶隧道轮廓控制爆破的技术价值。主要表现在：

①围岩炮震裂缝减少，保护了围岩自身的承载能力，为锚喷支护提供有利的基础。特别在软弱岩层更显示出这一作用； ②避免围岩裂隙扩大，提高了坑道的稳定性，减少落石伤人事故；

③极大减少超挖量，减少出渣量，节约衬砌材料，提高施工进度；

④隧道成形规整，凹凸减小，有利于围岩稳定，喷层易平顺，有利于防水板铺挂。

第二节 岩石爆破机理与地质影响作用 1、炸药的爆炸作用

(1)炸药的爆炸反应极为迅速，瞬间产生大量的高温、高压的爆生气体。1kg炸药爆炸，爆温可达2000～4000℃，爆压可达数十万个大气压，反应时间为十万～百万分之一秒。

(2)药包爆炸的瞬间，在周围岩石中激起一个强烈的冲击波，较高的波头压力具有很大的摧毁力，向外传递，随传播距离增加而逐渐衰减，称为冲击作用。属于动力作用，表现为炸药的猛度作功形式，其大小主要取决于炸药的爆炸速度。

(3)同时爆生气体的膨胀也对周围岩石施加巨大压力，但传播速度较低，随传播距离增加而脱离冲击波，称为爆生气体的膨胀作用。被视为静力作用，表现为炸药的暴力作功形式，其大小主要取决于炸药的爆热。

(4)一般工程爆破，冲击作用与爆生气体的膨胀作用是同时存在的，只是气体膨胀作功的时间比冲击作用长。从岩石致碎原因讲，岩性不同，两种作用占的地位也有所不同。在松软的岩层，爆生气体起主要破坏作用；在坚硬的岩层，冲击作用起主要破坏作用。为充分利用炸药的能量应根据岩性选用不同品种的炸药。 2、爆破破岩过程

(1)从破岩的角度考虑，将爆破后由药包中心向外，分成爆破粉碎区

和爆破破碎区。

(2)靠近药包周围的岩石直接受到巨大爆轰压力的作用，被击的粉碎，形成粉碎区。

(3)破损区的形成是两个过程：

①在爆轰压力作用下，岩石质点向外做径向位移，产生径向压缩应力，在切向引起拉应力，因岩石的抗拉强度远小于抗压强度，岩石被拉裂，在药包周围断产生一系列放射状的径向裂缝，直到拉应力小于岩石抗拉强度处为止。被压缩的岩石内储存了弹性能。 ②当爆生气体的温度和压力迅速下降，导致岩石的弹性能释放，岩石质点向内做径向位移，产生切向压缩应力，在径向引起拉应力，岩石被拉裂，在药包周围断产生环状的裂缝。 3、爆破漏斗

当药包处于临空面附近（其最短距离称为最小抵抗线），压缩

应力波到达临空面，被反射成拉伸波，当拉伸应力大于岩石抗拉强度，在临空面附近形成一系列张拉裂缝，当最小抵抗线合适时，与药包周围的裂缝贯通，在爆生气体膨胀作功的作用下，将破碎的岩石抛出，形成爆破漏斗。

4、地质条件对隧道爆破作用的影响 (1)岩体层理的影响

①层厚﹥0.5m，节理不发育的完整岩体对爆破作用的影响不大。 ②层厚﹤0.5m，节理裂隙极为发育的岩体，爆破易引起垂直层理方向的掉块或塌方。在易坍塌之处均采用密钻眼、弱装药的爆破技术。

(2)破碎岩体的影响

断层破碎带的岩体破碎、有时软硬间隔，处理不当会引起严重塌方。除采用隧道减轻振动控制爆破技术外，还应采取台阶法或分部法开挖，并严格控制循环进尺在1～2m内。

(3)非均质岩体的影响

非均质岩体对爆破作用的影响十分明显。分部开挖时应将石质差的一侧先开挖或掏槽区设在该侧；爆破参数应根据两种岩体的特性分别采用。为防止掉块、坍塌，开挖后及时支护。 第三节 隧道爆破的掏槽技术

影响隧道爆破开挖的质量，关键在掏槽爆破技术和周边成型控制爆破技术。掏槽爆破的目的在于为后续炮眼爆破提供新的、足够的临空面和空间。

1、半断面开挖中深眼掏槽爆破技术

半断面的开挖面积约20～50m2，中深炮眼深度为1.5~3.5m。有以下几种掏槽类型。

(1)V形掏槽，适用于中硬岩、硬岩的中深眼隧道爆破。只要钻眼精确（达到深度、保证角度），按设计装药，一般均能取得良好的效果。 ①三级复式楔形掏槽

上下排距用50～90cm，硬岩取小值、中硬岩取中值、软岩取大值。硬岩爆破时最好全部采用高威力炸药；排数通常上下两排即可，十分坚硬岩石可用三排或四排。

②二级复式楔形掏槽

③几个关键技术技术：

①开挖断面较宽时，尽量缩小掏槽角，因而要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。

②掏槽炮眼深度﹥2.5m，其底部加强装药应占1/3炮眼长度，前部装药集中度可减为底部装药集中度的40～50％，留出20％的炮眼程度不装药，并装填不少于40cm长的炮泥。

③掏槽眼应每级均尽量同时起爆，级间间隔时差以25～50ms为宜，以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。 (2)大直径中空直眼掏槽

由中空眼逐步扩大形成槽腔。常用的有单螺旋、双螺旋掏槽，对称掏槽。要求钻孔方向精确；减少眼位偏差值；使用毫秒雷管按设计起爆顺序起爆；控制掏槽眼间距，防止殉爆；控制掏槽眼的炸药用量，

防止拒爆。

2、全断面深眼掏槽爆破技术

在掌子面中下部钻大直径中空炮眼，周围配合一些逐渐最大间距的小炮眼进行掏槽。一般有菱形、螺旋、对称等掏槽。 设计时要考虑以下几个问题：

(1)影响直眼掏槽的最重要的因素是岩石特性。主要有三个方面： ①在塑性岩石中直眼掏槽比脆性岩石直眼掏槽困难的多。 ②岩石结构是中空直眼掏槽必须考虑的因素。 ③岩体的结构面或不均质性是设计时的特殊问题。

(2)空眼的直径与数量构成的容积至少满足破碎岩石的膨胀余量要求，否则爆碎抛不出，导致掏槽失败。目前国内采用空眼直径75～100mm，空眼个数2～4个。

(3)在装药眼条件及装药密度一定时，根据装药眼与空眼间距，其间岩石可发生四种情况：

①塑性变形。眼间岩石被剪切到空眼，大部分岩石密实、变质固结在

空眼中，不增加槽口。

②破碎。岩石被破碎，大部分残留或挂在槽腔内。对脆性岩石大多可达到掏槽；但塑性岩石的碎屑在槽腔内重新固结，掏槽失败。 ③完全抛出。理想的间距必须处于完全抛出带，不仅岩石破碎，且抛出槽腔之外。

④两眼贯穿。槽口并无增大。

实践证明，空眼直径102mm，装药眼直径40mm，空眼到装药眼岩壁间距18～20mm，掏槽爆破效果非常好。

(4)炸药的性质和装药量对掏槽影响很大，其中爆速最具决定性。中硬岩选用爆速3000m/s，硝铵类炸药；坚硬岩选用爆速4000m/s，乳胶、乳化类炸药。

装药量往往采用把炮眼基本填满，浅眼留出10～20cm的炮眼，深眼留出20～40cm的炮眼装填炮泥。

(5)起爆顺序和段间隔时差。距空眼最近的炮眼最先起爆、后续炮按此确定。段间隔时间50～100ms，效果较好，开始几段一定要跳段使用，以免串段。

(6)除第一段顺向起爆外，其余眼均反向起爆，以便破碎岩石、抛出槽外。

第四节光面爆破效果的提高途经 1、影响光面爆破效果的主要因素

根据对276各开挖循环的统计、研究和调查的结果分析，将影响超欠挖的因素和影响程度列于下表出。这种分析与当前的施工实

际是符合的。

钻孔精度 爆破技术 施工管理 测量放样 地质变化 其他

发生次数 122 56 49 21 17 11

发生频率 0.442 0.203 0.176 0.076 0.061 0.040

累计坡率 0.442 0.645 0.822 0.899 0.960 1.000

上述六个影响因素中，钻孔精度、爆破技术、施工管理对超欠挖的影响占82％，因此这三项影响因素应作为对超欠挖的控制重点。 2、降低超欠挖的方法与途径

⑴改变“宁超勿欠”的观念，树立“少欠少超”的观点。日本隧道施工中，在断面上取100个点，有不超过16个点的欠挖就可以，避免开挖轮廓线无谓扩大，使超挖得以减少。我国铁路隧道施工规范规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于10cm；对喷锚衬砌应不大于5cm。

⑵提高钻孔技术。周边炮孔的外插角、开口位臵和钻孔深度,与超挖高度有关。

①开口位臵取正值（在设计线以外），超挖高度随增加而增大； 开口位臵取负值（在设计线以内），超挖高度随减小而减少。 如容许一定欠挖，对减少超挖是有效的。

再者，要解决开眼位臵误差，采用掌子面标出炮眼位臵，或设炮眼排距标尺，或实行领杆工制度。

②钻孔深度是一个设计指标，在其他条件一定时，采用较浅孔爆破对减少超挖是有利的。一般情况下采用3.5m左右的孔深即可。但施工中应注意检查每循环的各炮孔底在同一平面上，使下一循环开眼有一整齐的掌子面。

③炮孔的外插角的最小值受钻孔机具的外缘高度控制，凿岩台车为5～7cm，故最小平均超挖约为7cm。如取钻孔深度为3m，则外插角为1.34°,一般人工操作水平难以达到。需培训熟练的司钻工，或先钻一个标准眼插入炮棍，其他眼平行钻进；最好采用有控制钻眼角度装臵的凿岩台车钻眼。

(3)提高爆破技术。这里的爆破技术包括光面爆破方式以及各种爆破参数。

①不同爆破方式及减少超挖效果的比较，见下表。

爆破方式 超挖值(cm) 欠挖值(cm) 炮孔残留率(%) 全断面或台阶10.8~14.5 3~13 法 60~80 预留光面法 12.88 2~7 0.3~0.6 75 81~86 导洞先行扩大7.2~10.5 法