铁路隧道光面爆破施工技术与管理
1 工程概述
蒙西至华中地区铁路煤运通道土建工程MHTJ-31标段黄岗隧道全长1962.m，为单洞单线隧道，围岩岩石主要以大体积弱风化花岗岩，岩体完整。桐木隧道全长5372m，为单洞单线隧道，隧道最大埋深282m。隧道沿线经过地层主要为花岗岩及千枚岩。在黄岗隧道和桐木隧道实施隧道光面爆破控制技术过程中，发现原设计的隧道光面爆破方案爆破效果较差，未达到光面爆破控制技术的要求，出现较大的超欠挖情况，隧道轮廓线不平顺。为了提高光面爆破控制技术成果，通过现场试验，优化光面爆破控制技术参数，加强管理控制，确保隧道光面爆破控制技术的实施，达到隧道光面爆破的控制目标。
2 光面爆破质量目标
隧道爆破开挖控制达到线性超挖小于10cm的目标，隧道轮廓线完整，减少隧道围岩受力的不利影响，确保隧道施工生产安全。
3 钻爆参数初步设计
3.1初步爆破参数的分析和设计
3.1.1初步爆破参数的分析
不耦合系数（D）：药卷直径采用32mm,炮孔直径42mm，不耦合系数为1.31。
炮孔周边孔间距（E）：Ⅱ、Ⅲ级围岩周边孔间距采用55cm。 最小抵抗线（W）：Ⅱ、Ⅲ级围岩采用65cm、60cm。 周边孔密集系数(K)：Ⅱ、Ⅲ级围岩计算为0.85、0.9。
周边孔装药集中度：Ⅱ、Ⅲ级围岩周边孔采用300g/m、250g/m。 炮孔深度：Ⅱ、Ⅲ级围岩，按照每循环3m。 炮孔数量：
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Ⅱ级围岩炮孔数量：N = 0.0012qS /( ad)=0.0012×1.35×46.21/0.6×0.032=122。
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Ⅲ级围岩炮孔数量：N = 0.0012qS /( ad)=0.0012×1.25×51.82/0.55×0.032=138。 式中: N 为炮孔数量; q为单位炸药消耗量; S为开挖断面; a为炮孔装填系数;d为药卷直径。
采用间隔装药的装药结构，药卷间距40cm，炮孔封堵长度按50cm进行实施。 起爆网络：隧道爆破从掏槽孔到辅助孔至周边孔,采用多段毫秒延期导爆管雷管由里向外起爆，其中周边孔比辅助孔要跳 2段, 间隔时间为 50~100 m s, 且用同一段雷管同时起爆。为了保证起爆准确可靠，采用塑料导爆管传爆雷管复式网路。
3.
炸药名称和密度：采用2号岩石乳化炸药，规格Φ32mm×300g，密度1,24g/cm。 3.1.2单线隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩初步爆破的设计，炮孔布置见图1、图2。
(1)炮孔长度分别为掏槽孔4.5m、辅助孔3.5m、周边孔3.2m、底板孔3.2m 。 (2)周边孔的间距55cm、最小抵抗线Ⅱ级围岩65cm，Ⅲ级围岩60cm。
(3)周边孔分两段间隔装药，两段药卷间隔40cm。其他孔连续装药，炮孔封堵长度按50cm进行实施, 每孔装药量周边孔Ⅱ级围岩0.9㎏，Ⅲ级围岩0.75㎏、辅助孔1.2㎏、掏槽孔2.4㎏、底板孔2.4㎏。 (4)循环进尺按照3m控制。
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图1 Ⅱ级围岩初步设计炮孔布置图（单位：cm）
图2 Ⅲ级围岩初步设计炮孔布置图（单位：cm）
按照初步方案进行现场实施结果统计数据，分析按此方案参数进行的控爆效果，平均线性超挖18.5~22.1cm，不能满足控爆要求。
4优化爆破方案参数的试验、分析和对比
针对影响爆破的主要参数，细化爆破试验工作。在以上爆破参数初步设计的基础上，
进行方案实施后的净空断面测量及现场效果检查,分析原因，进行爆破施工参数调整。重点
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对周边孔炮孔间距、炮孔外插角、光爆层厚度、掏槽孔的深度、装药结构、装药量进行调整。经分析、对比和优选，来取得较为合理的爆破参数方案 。
4. 1主要爆破参数的试验的调整 4. 1.1 周边孔炮孔间距
光面爆破是使相邻炮孔之间用裂隙连通起来，以形成平整的断裂面。而炮孔间距在孔裂隙中的连通上，起着非常重要的作用。周边孔间距减少后，减少了两孔之间的裂隙连通距离，能够使连同面更加平顺，有利于光面爆破效果的提升，但无限减少将增加更多的成本费用，因此还要在实施中通过炮孔间距的调整，选择经济合理的周边孔间距。 4.1.2最小抵抗线
光爆层是指周边炮孔与最外层主爆孔之间的一圈岩石层。光爆层厚度或周边孔到邻近辅助孔间的距离，是光面孔起爆时的最小抵抗线，一般大于或等于光面孔间距。如果最小抵抗线过大，光爆层将不能很好地破碎下来，甚至产生大块或留底根；如果最小抵抗线过小，在反射波作用下，可能导致围岩破坏，影响光爆效果和围岩的稳定性。因此针对现场围岩情况和爆破效果，进行光爆层厚度的调整。 4.1.3掏槽孔的深度、角度位置
掏槽孔是首先起爆孔，给辅助孔、其他孔提供爆破临空面，为整体爆破创造条件。因此掏槽孔的深度、角度、装药量都对整体爆破起着关键的作用。在实施中通过改变角度及深度来取得合理的参数，发挥更好的爆破效能。 4.1.4装药量集中度
装药集中度是指单位长度炮孔中装药量的多少。为了保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮孔连心线破裂的前提下，尽可能少装药。中硬岩中为200g/m～300g/m，硬岩中为300g/m～350g/m。因此通过现场对不同围岩，周边孔装药量进行调整，对取得爆破效果好的装药量作为合理参数。
4.1.5装药结构
装药结构将对光面爆破效果有着很大的影响，装药集中将会产长局部装药段的爆破力过猛，造成局部岩体超挖破坏，同时空隔段的爆破力弱化造成欠挖现象，因此周边孔在装药中，采用多间隔装药，有利于孔内爆破力的均匀，各间隔炸药用导爆索连接进行引爆，同时为了减少爆破力的损失进行炮孔炮泥封孔。 4.1.6周边孔外插角的控制
外插角的控制也是影响光面爆破的关键因素，外插角过大造成孔底超出轮廓线过多，造成超挖，根据项目部现有设备，结合蒙华公司对初支和二衬的厚度施工误差要求，周边孔孔口全部在设计轮廓线内5cm的连线上，孔底全部在设计较廓线外5cm的连线上控制，这样外插角斜率按照3.3%向外进行设置，可达到较合理的超欠挖控制效果。
4.2爆破参数优化试验数据统计及分析
为了提高爆破控制水平，进行爆破参数的优化试验。Ⅱ级围岩选择黄岗隧道（花岗岩），Ⅲ级围岩试验段选择具有代表性的桐木隧道斜井段（千枚岩）、以此两处作业段作为试点，通过改变参数方案后的实施效果对比分析，优化施工方案参数。 4.2.1黄岗隧道参数试验数据统计及对比分析 （1）黄岗隧道单线隧道Ⅱ级围岩试验数据统计 黄岗隧道光面爆破参数优化试验，现场采集相关数据，每个爆破参数采集连续5次爆破数据均值，详见表1。
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表1 黄岗隧道试验数据（Ⅱ级花岗岩）
隧道爆破控制布孔参数调整后 编隧道名号 称 炮孔布置 掏槽孔 1 黄岗隧道 辅助孔 周边孔 底板孔 掏槽孔 2 黄岗隧道 辅助孔 周边孔 底板孔 掏槽孔 3 黄岗隧道 辅助孔 周边孔 底板孔 掏槽孔 黄岗隧4 道 辅助孔 周边孔 底板孔 炮孔布置间距（cm) 80 50-75 45 45 80 50-75 40 45 80 50-75 35 45 80 50-75 30 45 炮孔长度（m) 3.8 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 3.2 每孔光爆层炸药单线性超线性欠装药厚度耗(㎏挖（cm) 挖（cm) 量㎏ （cm) /m3) 2.4 1.2 0.9 2.4 2.4 1.2 0.75 2.4 2.4 1.2 0.75 2.4 2.4 1.2 0.75 2.4 40 8.87 0.56 1.38 40 8.95 0.65 1.36 45 10.45 0.91 1.28 55 14.6 0.96 1.32 （2）方案对比分析
调整周边孔间距：45cm、40cm、35cm、30cm，相应调整周边炮孔与最外层主爆孔之间的距离为55cm、45cm、40cm。通过逐步调整减小周边孔间距，光爆层厚度，同时调整掏槽孔的深度、角度、改变装药结构，周边孔装药调整为三段间隔，药卷间隔间距60cm，药卷采用导爆索连接，炮孔封堵30cm，同时严格控制周边孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外进行设置。在周边孔间距调整到35cm，炮孔长度辅助孔调整到3.4m、掏槽孔调整到3.8m（斜插内角在75°），线形超挖平均值在8.95cm，线形超挖已满足小于10cm的目标要求，在光面爆破效果上有了很大的提升。在周边孔间距再调整到30cm时，爆破超挖情况减少已经不明显，增加了更多的成本费用，因此选择了周边孔间距为35cm时的参数方案为优化实施方案。
4.2.2桐木隧道参数试验数据统计及对比分析 （1）桐木隧道单线隧道Ⅲ级围岩试验数据统计
桐木隧道光面爆破参数优化试验，现场采集相关数据，每个爆破参数采集连续5次爆破数据均值，详见表2。
表2桐木隧道试验数据（Ⅲ级千枚岩围岩）
隧道爆破控制布孔参数调整后 编隧道炮孔布号 名称 置 1 桐木掏槽孔 炮孔布置炮孔长每孔装间距（cm) 度（m) 药量㎏ 80 3.8 2.4 光爆层厚度（cm) 55 线性炸药单线性欠超挖耗(㎏ 挖（cm) （cm) //k6m3) 16.8 1.02 1.29 4
斜井 辅助孔 周边孔 底板孔 掏槽孔 2 桐木辅助孔 斜井 周边孔 底板孔 掏槽孔 3 桐木辅助孔 斜井 周边孔 底板孔 掏槽孔 4 50-75 45 45 80 50-75 40 45 80 50-75 35 45 80 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 3.2 3.8 3.4 3.2 1.2 0.75 2.4 2.4 1.2 0.6 2.4 2.4 1.2 0.6 2.4 2.4 1.2 0.45-0.6 40 8.98 0.73 1.29 45 9.87 0.85 1.28 50 11.45 0.98 1.26 桐木辅助孔 50-75 斜井 周边孔 30 底板孔 45 3.2 2.4
（2）方案对比分析
调整周边孔间距：45cm、40cm、35cm、30cm，相应调整周边炮孔与最外层主爆孔之间的距离为55cm、50cm、45cm，40cm，通过逐步调整减小周边孔间距，光爆层厚度，同时调整掏槽孔的深度、角度、改变装药结构，周边孔装药调整为三段间隔，药卷间隔间距60cm，药卷采用导爆索连接，炮孔封堵30cm，同时严格控制周边孔的外插角，外插角斜率按照3.3%向外进行设置。在周边孔间距调整到35cm，炮孔长度辅助孔调整到3.4m、掏槽孔调整到3.8m（斜插内角在75°），线形超挖平均值在9.87cm，线形超挖已满足小于10cm的目标要求，在光面爆破效果上有了很大的提升。在周边孔间距再调整到30cm时，爆破超挖情况减少已经不明显，增加了更多的成本费用，因此选择了周边孔间距为35cm时的参数方案为优化实施方案。
4.3单线隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩优化后的爆破设计参数（炮孔布置见图3、图4。
(1)炮孔长度掏槽孔3.8m、辅助孔3.4m、周边孔3.2m 、底板孔3.2m 。
(2)周边孔间距35cm、外插角斜率按照3.3%向外进行设置,最小抵抗线40cm。
(3)炮孔装药结构，周边孔装药分三段进行间隔，药卷间隔60cm间距；药卷采用导爆索连接，炮孔封堵长度按30cm进行实施, 每孔装药量Ⅱ级围岩0.75㎏，Ⅲ级围岩0.6㎏。 (4)循环进尺按照3m控制。
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图3 单线隧道Ⅱ级围岩全断面爆破开挖炮孔布置及V型掏槽平面图（单位：cm）说明：炮孔编号1、3、5、7、11代表起爆延期时间段号。
炮孔布置说明 ： 项目 炮孔间距孔数炮孔长度（cm） （个） （m） 周边孔 35 58 3.2 辅助孔 50-75 75 3.4 掏槽孔 80 12 3.8 底板孔 45 10 3.2 6
图4单线隧道Ⅲ级围岩全断面爆破开挖炮孔布置及V型掏槽平面图（单位：cm）
炮孔布置说明 ：
炮孔间距项目 （cm） 周边孔 辅助孔 掏槽孔 底板孔 35 50-75 80 45 孔数炮孔长度（个） （m） 58 87 12 13 3.2 3.4 3.8 3.2 4.3 爆破控制优化后效果 通过多次隧道光面爆破控制技术现场试验，达到了有效控制超欠挖的目的，对质量控制
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和安全起到了良好效果。光面爆破炮眼率达90%以上，超欠挖控制10cm范围内，减少了对隧道周边围岩扰动和破坏，隧道断面轮廓完整，提高隧道周边围岩的完整性，达到了光面爆破控制技术的质量要求，如图6。
图5 桐木隧道优化后爆破效果
5隧道光面爆破管理
5.1爆破控制存在的问题
经过爆破方案参数的初步设计、优化及在内部推广，使现场的超挖情况总体受控，光面
爆破效果有了很大提升。但经现场的检查和跟踪，因其它人为因素的影响，优化的施工方案参数不能彻底落实，还影响着爆破质量，经现场检查存在的主要问题为，周边眼的间距随意放大，炮眼深度控制不按方案要求进行，装药量不按施工方案要求控制，周边孔装药未按间隔要求进行，周边眼的斜率控制不当，炮眼封孔未按要求实施，直接造成部分超欠挖严重，光面爆破效果差。
5.2爆破控制管理措施
5.2.1深化技术交底，结合现场情况编制具有适用性、可操作性技术交底，通过现场情
况的变化不断完善和改进，及时将技术交底的内容和要领灌输到每一个作业层。同时将完善后的技术交底统一汇编，作为内部指导性文件。
5.2.2加强技术培训，制定培训计划，分阶段进行全体参与隧道施工开挖的管理人员及施工人员培训，针对现场存在的问题，由浅入深，逐步提升。同时总结可行的培训方式，提炼培训的内容要点，并形成书面材料，纳入内部管理程序。
5.2.3强化合同管理，执行合同条款。根据合同要求的质量标准进行工序验收，完善合同补充协议，制定针对爆破质量每道工序的验收、奖罚制度。
5.2.4推行班组长责任制，充分发挥班组长对现场各工序的直接管控作用。 5.2.5完善爆破控制管理办法制度，为了有效的促进现场各工序的管控，确保爆破质量，现场值班技术人员,对从爆破布孔→钻孔→清孔→验孔→装药→爆破每道工序，爆破后的残眼率，爆破净空断面测量结果，建立登记台账，进行现场施工工序验收记录和备案，作为奖
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励兑现的依据。
通过进一步细化、落实技术交底和持续的培训工作，使现场爆破控制管理水平明显提高，现场施工逐步规范化，爆破控制水平有了一定提升。通过合同管理手段，提高了协作队伍的合同责任意识，作业自律性。体现在炮眼周边眼的斜率控制精确度，有了较大的提高，炮眼周边眼的间距控制，基本按要求进行，超欠挖明显减少，光面爆破效果明显有了很大改观。通过推行班组长责任制，并通过签订质量责任书、建立和完善作业层管理制度、建立责任追究制，充分发挥班组长的带头作用，从源头上进行了质量控制。工作质量与经济奖罚挂钩，使现场的每一道工序都处于受控状态,通过现场工序质量验收签认制从炮眼间距、炮眼斜率、装药量控制、装药结构的控制都能按照技术交底的要求进行实施，尤其爆破控制的关键环节，周边孔的间距控制，已进入标准化的施工，使现场体现的爆破控制超欠挖已经达到了最新的目标要求。
6、优化后爆破控制的经济效益
项目部进行隧道爆破控制方案优化、技术交底培训、完善班组长责任制、工序验收，
观摩技术交流过程中整体爆破控制的超欠挖达到了目标要求，光面爆破效果良好 ，同时取得了好的经济成效，详见表6。
表3爆破控制减少超挖浪费统计表 施工情况 围目前线原平均线形超断面超岩形平均线形超挖减少 挖减少级超挖挖（cm） （cm） cm2 别 （cm） 18.5 17.8 22.1 18.5 17.8 22.1 9.16 8.98 10. 9.16 8.98 10. 9.34 8.82 11.21 9.34 8.82 11.21 2.52 2.38 3.02 2.52 2.38 3.02 围岩开挖延长米 1854.3 2753.3 286 1260 1996 68 8217.6 减少超挖及混凝土工程量（cm3） 4672.8 6552.85 863.7 3175.2 4750.5 205.3 20220.4 减少超耗 费用 （元） 3366778 4721331 622310 2287732 3422735 147919 14568805 已Ⅱ 施Ⅲ 工 Ⅳ 未Ⅱ 施Ⅲ 工 Ⅳ 合计 已施工段及未施工段减少超耗费用合计：1456.9万元；
1）给工人支付的钻爆奖励：8217.6m×0.02667万元/m=219.1万元。 2）增加的火工品总费用：8217.6m×0.0193元/m=158.5939元 3）项目成本节约费用测算：14569-219.1-158.6=1079.2万元
7、结论与讨论
爆破控制参数在以往经验参数的支撑下，只能取得一般常规控制参数数据，要取的更为合理适用的参数，还需根据现场围岩情况及爆破效果，不断进行主要参数的合理调整，效果分析来取得优化的方案参数，同时还要通过有效的技术措施和管理办法，保证方案的最终落实，取得理想的爆破效果。
1、在爆破控制中，周边眼的间距、装药量、装药结构的选择，起着非常重要的作用，通过现场实践在Ⅱ级围岩（花岗岩），Ⅲ围岩（千枚岩），采用周边孔在35㎝间距，装药量控制在每孔0.75㎏及0.6㎏，采用分三段进行等间距间隔均匀装药，每循环进尺按照3m进行控制，能够取得较好的爆破效果。
2、周边孔的外插角的控制，对隧道的爆破效果发挥着很重要作用，当掌子面周边孔，全部在设计轮廓线内5cm的连线上，眼底全部在设计较廓线外5cm的连线上，炮孔斜率控制在向外3.3%，钻孔中严格控制炮孔位置及斜率的精度，确保炮孔在同一轮廓线上，最终周边
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孔爆破形成圆滑的切割面轮廓，
3、在取得优化方案参数的基础上，全面组织技术交底、培训，加强合同管理、推行班组长责任、完善爆破控制工序验收管理办法，对方案的落实取得好的爆破效果起着重要的作用。 目前还存在隧道围岩，如：千枚岩，整体性差，分层节理严重，岩层产状与隧道开挖横断面呈斜向交角。爆破超欠挖，及光面效果控制难度大，需要通过现场进行打眼间距、位置及装药结构的调整来进行完善和改进。
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