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1、光面爆破技术及砼温控技术在水利工程上的应用第一章 光面爆破施工及应用光面爆破是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，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。同时光面爆破也是一种难度较大的施工技术，在施工中如爆破参数、施工方法选取不当，往往无法达到理想的爆破效果。光面爆破参数选择主要与地质条件有关，其次是炸药的品种与性能及隧道开挖断面的形状与尺寸有关，在浙江金丽温高速公路官田坪隧道施工中，由于各项爆破参数选取合理，光面爆破取得了很好的效果。爆后岩面光滑平整，炮眼痕迹保存率在90%以上，肉眼基本上看
2、不到爆破裂隙，光面爆破技术有效的控制了官田坪隧道的超欠挖，从而大大减少了开挖、回填以及支护的工程量。减轻了爆破对围岩的扰动，充分发挥了围岩的自承能力，有效地提高了隧道的安全度。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
3、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
4、；（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2 光面爆破的参数及工艺21 光面爆破主要有以下几个参数2.1.1不耦合系数 不耦合系数是指炮孔直径d和药卷直径d0之比。K=d/ d0不耦合系数K=1，表示炮孔直径和药卷直径完全耦合，炮孔全部被炸药装满。药卷与孔壁之间没有空隙。此时，爆轰压力对孔壁作用明显。K1，表示炮孔直径与药卷直径不耦合，药卷与孔壁之间有空隙。K越大，则空隙也越大。如果KcK1，（Kc产生压碎的临界不耦合系数）光面爆破的效果就不好；如果KKc1，炮孔周围就不产生压碎圈。所以KKc1时进行光面爆破是获得良好效果的必要条件。实践证明，K=22.5时，光面效果最
5、好。2.1.2炮孔间距和空孔 光面爆破是要使相邻炮孔之间用裂隙连通起来，以形成平整的断裂面。因此，炮孔间距在裂隙中的连通上起着非常重要的作用。孔距的大小主要取决于炸药的性质、不耦合系数和岩石的物理力学性质。理论上可用下式计算。式中: -炮孔间距；p-冲击波作用在孔壁上的波峰压力（Mpa）；-岩石的泊松比；-岩石的极限抗压强度（Mpa）；-炮孔直径。根据生产实践，取孔距为炮孔直径的1020倍，即=(1020)。在节理、裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石中可取大值。空孔的作用主要是对裂隙的伸展起导向作用。空孔与装药孔距离，一般在400mm以内。2.1.3最小抵抗线W 光面层厚度或周边眼到
6、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。2.1.4周边孔密集系数 周边孔密集系数是指孔距a与最小抵抗线W之比值，即m=a/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。（1）当m=a/W=2时，孔间距值a偏大，而W值偏小，成为两个炮孔单独爆破时的爆破漏斗，留下abc三角形岩埂，起不到光面爆破效果，如图-2（a）。（2）当m=a/W=1时，如果两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面前，即可完成孔间裂隙的贯通，而形成光面。如不同时起爆，另一炮眼起自由面作用，也可达到光面爆破效果，如图-2（b）所示。（3）当m=a/W=0.5时，不管是否同时起爆，
7、压缩波到达自由面时，首先到达相邻炮孔，不仅产生裂图2 不同密集系数的爆破情况缝，并使该孔的岩石破坏，甚至造成超挖，也达不到光面爆破的效果，见图-2（c）所示。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。2.1.5、线装药密度 线装药密度又叫装药集中度，它是指单位长度炮眼中装药量的多少（g/m）。为了控制裂隙的发育，保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮眼连心线破裂的前提下，尽可能少装药。软岩中一般可用70g/m-120g/m，中硬岩中为20 g/m -300g/m，硬岩中为300g/m -350g/m。2.1.6周边眼的其他参数 （1）炮眼直径d。光面爆破的周边
8、眼直径无需选择，国内掘进常用的炮眼直径为35mm-5mm；（2）周边眼的深度l和角度。“预留光面层”法的周边眼深度可达2.5m-3m；全断面一次爆破时，周边眼深度一般为1.5m-2.0m。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35。偏斜角度的大小，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)最小抵抗线W (cm)相对距离（E/W）装药集中度q (g/m)硬 岩556560800.
9、81.0300350中硬岩456060750.81.0200300软 岩354545550.81.07012022 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IV、V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。另一种是预留光面层法，先掘进超前导洞，然后加以刷大，如图-4所示。这种预留光面层法的特点是，在爆破周边眼之前可根据爆破超
10、前导洞的情况进行参数调整或修正轮廓，以达到较好的光面爆破效果。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，要采用较大的不耦合系数（K=d/d0，K22.5），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
11、由面方向的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4.1 工程概况鹤峰县官田坪流域输水隧洞，全长189
12、m，属于丘陵区垄岗低丘区（III）。官田坪隧道出露地层主要为晚侏罗世晶屑熔结凝灰岩。表面覆盖第四系残坡积松散层，岩性为含碎石亚粘土，局部为含粘性土碎石，土质松散。下覆晚侏罗世晶屑熔结凝灰岩，岩性为晶屑熔结凝灰岩，块状结构，岩质坚硬。受地质构造影响，节理发育。围岩类别强风化层II类，中风化层III类，微风化层IV类。4.2 爆破方案1、II、III类围岩稳定性较差，节理裂隙发育。对II类围岩采用台阶开挖法，每个循环进尺为1.0m。2、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2.5m。4.3 凿眼、爆破器材4.3.1凿岩机械 采用可
13、移动式全断面作业台车，使用YT-27型气腿式凿岩机钻眼。全断面作业时应配合9台凿岩机同时钻眼，以保证开挖作业进度。4.3.2爆破器材 为了避免闲散电流对爆破安全的影响，必须采用非电起爆系统。主要器材有：毫秒延期雷管、8#火雷管、导火索、导爆管、导爆索。4.4 爆破参数4.4.1炸药消耗量 爆破采用2号岩石硝铵炸药，由公式：Q=qSl式中:Q每循环应使用的炸药量，kgq单位炸药消耗量，kg/ m3S开挖断面积（以半个主洞计），m2l平均炮眼深度，m炮眼利用率，取85%（1）II、III类围岩的炸药消耗量 q取0.90 kg/ m3，S为81.77 m2，l设计为1.0m 故Q=0.9081.77
14、1.085%=62.55 kg（2）IV类围岩的炸药消耗量q取1.26kg/ m3，S为64.18m2，l设计为2.5m 故Q=1.2664.182.585% =171.84 kg4.4.2炮眼、药卷直径 采用的凿岩机械决定炮眼直径为D=42mm，药卷直径，周边眼d=22 mm，其余炮眼d=32 mm。不耦合系数，周边眼K=D/d=1.91，其余炮眼K=D/d=1.31。4.4.3周边眼的布置 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的角度，偏斜角一般为35。偏斜角度的大小可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外100mm处。（1）II、III类围岩周边眼的
15、布置 炮眼间距a=450 mm（2）IV类围岩周边眼的布置炮眼间距a=500 mm4.4.4掏槽眼的布置 （1）II、III围岩周边眼的布置掏槽眼采用螺旋掏槽方式，其特点是各装药炮眼至空眼的距离不等而依次递增，如图-3所示。遇到特别难爆的岩石可增加1-2个空眼以增大自由面和补偿空间体积。空眼可比装药炮眼略深些，以便装入适量的清渣药包。整个装药炮眼都爆破后，空眼底部的清渣药包的爆炸可将已炸碎的岩渣推出槽腔。II、III围岩台阶法开挖爆破布孔示意图如图-3所示。图3 螺旋掏槽眼布置示意图（2）IV类围岩周边眼的布置图4 II、III围岩台阶法开挖爆破布孔示意图掏槽眼采用垂直楔形掏槽方式，每对掏槽眼顶部间距为190cm,底部间距为20cm,掏槽眼同工作面的交角为70。炮眼的布置及装药结构如图-5所示，IV类围岩炮孔布置示意图如图-6所示。图5 垂直
