光面爆破設(shè)計(jì)原理及實(shí)列分析

1、光面爆破設(shè)計(jì)原理及實(shí)列分析刖 言光面爆破就是將周邊眼范圍內(nèi)的巖石爆下來，形成規(guī)整的輪廓壁并盡可能多 的保留半邊眼痕跡和減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。通過控制爆破的作用范圍和方向，使爆 破后的巖面光滑平整，防止巖面開裂，以減少超、欠挖和支護(hù)的工程量，增加巖 壁的穩(wěn)定性，減弱爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)物的受力狀況，確保施 工安全和延長使用年限等方面有重大意義。1光面爆破的機(jī)理光面爆破是沿開挖輪廓線布置間距較小的平行炮眼，在這些光面炮眼中進(jìn)行 藥量較少的不耦合裝藥，然后同時(shí)起爆，爆破時(shí)沿這些炮眼的中心連線破裂成平 整的光面。通過國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐可以看出，光面爆破是由于采 用不耦合裝藥，藥包

2、爆轟后，炮眼壁上的壓力顯著降低，此時(shí)藥包的爆破作用為 準(zhǔn)靜壓力。當(dāng)炮孔壓力值低于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，在炮眼壁上不至造成“壓碎” 破壞。這樣爆轟波引起的應(yīng)力波和鑿巖時(shí)在炮眼壁上造成的應(yīng)力狀態(tài)相似，只能 引起少量的徑向細(xì)微裂隙。裂隙數(shù)目及其長度隨不耦合系數(shù)和裝藥量而不同。一 般在藥包直徑一定時(shí)，不耦合系數(shù)值愈大，藥量愈小，則細(xì)微裂隙數(shù)愈少而長度 也愈短。光面炮眼組同時(shí)起爆時(shí)，由于起爆器材的起爆時(shí)間誤差，不可能在同一時(shí)刻 爆炸。先起爆的藥包的應(yīng)力波作用在炮眼周圍產(chǎn)生細(xì)微徑向裂隙（圖1-b的A 炮眼）。由于B炮眼所起的導(dǎo)向作用，結(jié)果沿相鄰兩炮眼連心線的那條徑向裂隙 得到優(yōu)先發(fā)育。在爆炸氣體作用下，這條裂

3、隙繼續(xù)延伸和擴(kuò)展，在相鄰兩炮眼的 連心線同眼壁相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中，此處拉應(yīng)力最大。A、B兩炮眼中爆炸氣體 的氣楔作用將這些徑向裂隙加以，擴(kuò)展，成為貫通裂隙。a）孔裝藥情況；（b）先爆炮孔對(duì)相鄰炮孔的影響；（c）光面的形成形成光面圖1光面爆破時(shí)炮眼連心線上破裂面的形成光面爆破的參數(shù)及工藝2. 1光面爆破主要有以下幾個(gè)參數(shù)影響光面爆破效果的主要參數(shù)是：不偶合系數(shù)（D）、裝藥集中度（q）、炮眼 間距（E）、周邊眼密集系數(shù)（m）和最小抵抗線（W）.2.1.1不偶合系數(shù) 不偶合系數(shù)是指炮孔直徑d和藥卷直徑d0之比。D=d/ d 0藥卷在有空隙的炮眼中（不偶合裝藥）爆炸時(shí)，形成的沖擊波隨不偶合系數(shù) 的增大

4、而衰減。導(dǎo)致爆破介質(zhì)中的應(yīng)變隨不偶合系數(shù)的增大而衰減，在雙對(duì)數(shù)坐 標(biāo)系中，應(yīng)變與不偶合系數(shù)間的規(guī)律，見圖2。不偶合系數(shù)D 一般為1.252.0 范圍內(nèi)，在1.5左右比較合適。2.1.2裝藥集中度間隔裝藥，以裝藥長度的平均線裝藥密度計(jì)，隧道爆 破一般為0.040.4kg/m。過大易破壞光爆壁面；過小則爆不下來。2.1.3周邊眼間距周邊眼間距是影響開挖輪廓面平整度的主要因素，一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式確 定：E=(12 15)d式中，d為炮孔直徑2.1.3周邊眼密集系數(shù)周邊眼密集系數(shù)是指周邊眼間隔E與最小抵抗線W之比值，即m=E/W。m值的大小，對(duì)光面爆破效果影響最大，下面從三種不同情況進(jìn)行說明。當(dāng)m=

5、a/W=2時(shí)，則兩個(gè)爆破漏斗不相連接，即使兩個(gè)炮眼同時(shí)起爆， 各炮眼也都單獨(dú)破壞巖石，即在巖體中產(chǎn)生的壓縮波到達(dá)自由面得同時(shí)，于兩個(gè) 炮眼中間相遇，其行程相等。由此壓應(yīng)力而衍生的拉應(yīng)力不足以使a、b間的巖 柱造成裂隙，則留下abc的三角形巖柱，使巖面凸出(所謂欠挖)，不能取得光 面爆破效果。如果兩個(gè)周邊眼不是同時(shí)起爆，更是如此。如圖-2 (a)。當(dāng)m=a/W= 1時(shí)，如果兩炮眼同時(shí)起爆，壓縮波到達(dá)自由面之前在abc 間相遇。由于該點(diǎn)C與ab點(diǎn)的距離小于最小抵抗線W，拉應(yīng)力可使ab之間巖石 產(chǎn)生裂隙。如果兩個(gè)炮眼不同時(shí)起爆，壓縮波到達(dá)自由面的同時(shí)也到達(dá)另一炮眼 的位置，該點(diǎn)c起自由面作用，也能使

6、ab間巖石產(chǎn)生裂隙。因此這兩種情況都 能取得光面爆破效果，如圖-2 (b)所示。當(dāng)m=a/W=0.5時(shí)，不管是否同時(shí)起爆，壓縮波到達(dá)自由面時(shí)，必須超過 另一個(gè)炮眼的距離，拉應(yīng)力不僅使ab間巖石產(chǎn)生裂隙，同時(shí)會(huì)破壞abc三角形 而造成巖面凹進(jìn)(所謂超挖)，也達(dá)不到光面爆破的效果，見圖-2 (c)所示。W(c)ab圖2不同密集系數(shù)的爆破情況實(shí)踐表明，當(dāng)m=0.81.0時(shí)，爆破后的光面效果較好，硬巖中取大值，軟巖 中取小值。2.1.4最小抵抗線W 光面層厚度或周邊眼到鄰近輔助眼間的距離，是光面眼起 爆時(shí)的最小抵抗線，一般應(yīng)大于或等于光面眼間距。理論和實(shí)踐均證明光面爆破 炮眼間距與最小抵抗線之比為0.

7、8為好，即E/W=0.8，則W=1.25EW最小抵抗線，cmE一炮眼間距，cm2.1.5光面爆破裝藥集中度q。光面爆破裝藥集中度可以按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)q=10（E+W）* Jrb式中，Rb為巖石抗壓強(qiáng)度，Mpa2.1.7周邊眼的其他參數(shù)（1）炮眼直徑d。光面爆破的周邊眼直徑無需選擇，國內(nèi)掘進(jìn)常用的炮眼直 徑為 35mm-50mm；（2）周邊眼的深度l和角度a。“全斷面一次爆破時(shí)，周邊眼深度一般為 2.5m-3.0m。確定眼深時(shí)，還應(yīng)考慮到其他作業(yè)的生產(chǎn)能力在掘進(jìn)循環(huán)中的充分 發(fā)揮。周邊眼原則上應(yīng)布置在設(shè)計(jì)輪廓線上，但由于受鑿巖機(jī)機(jī)型的限制，不得不 向外偏斜一定角度，偏斜角一般為3。5。偏斜角度的

8、大小，可根據(jù)眼深加以調(diào) 整，使眼底落在輪廓線外100mm處。隧道光面爆破常用參數(shù)如表1所示。表1隧道光面爆破常用參數(shù)巖石類別周邊眼間距E（cm）最小抵抗相對(duì)距裝藥集中線 W (cm)離(E/W)度 q (g/m)硬556560800.81.0 300350LU巖中硬LU巖456060750.81.0200300軟LU 巖354545550.81.0701202. 2掏槽爆破隧道開挖時(shí)，只有一個(gè)臨空面，為給其它炮眼創(chuàng)造臨空面，必須先在開挖面 上炸出一個(gè)槽子，這個(gè)在開挖面上炸出一個(gè)槽子的過程就叫做掏槽。隧道爆破開 挖成敗的關(guān)鍵是掏槽技術(shù)，掏槽的成功與否直接影響爆破效果，掏槽的深度直接 影響隧道掘進(jìn)

9、的循環(huán)進(jìn)尺。而掏槽的成功與否，有與地質(zhì)條件、掏槽深度及形式、 炸藥種類及裝藥量、起爆程序等有關(guān)。在大斷面隧道掘進(jìn)中，為了加大掏槽深度， 常采用雙層、三層或四層楔形掏槽眼，這種掏槽稱為復(fù)式楔形掏槽。每對(duì)掏槽眼 呈完全對(duì)稱形或近似對(duì)稱形。2.2.1掏槽選定的條件1）、開挖斷面的大小及寬度2）、地質(zhì)條件3）、機(jī)具器材條件4）、鉆眼爆破技術(shù)水平5）、開挖技術(shù)要求等2.2.2楔形掏槽需注意的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題1）、楔形掏槽在斷面較寬時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量縮小掏槽角，因而也要盡量加大第一 級(jí)掏槽眼的水平間距。2）、楔形掏槽在炮眼較深時(shí)，其底部加強(qiáng)裝藥應(yīng)保持炮眼全長的1/3長度， 前部裝藥（柱狀結(jié)構(gòu)）集中度可以減為底部

10、裝藥集中度的40-50%或換成威力較 低的炸藥。不應(yīng)把炸藥裝填到炮眼口，而應(yīng)大約流出20%的炮眼長度不裝藥，并 裝填不少于20cm長的炮泥。3）、楔形掏槽眼應(yīng)每級(jí)均應(yīng)盡量同時(shí)起爆，以使用毫秒雷管爆破。級(jí)間間隔 時(shí)差也不宜太短，以50ms較合適，以保證前段爆破的巖石破碎與拋擲。2. 3光面爆破主要施工方案用光面爆破開挖隧道時(shí)有兩種方案，一種是全斷面法，如圖-3所示。對(duì)于 II、III類整體性好的圍巖，可采用全斷面法，此時(shí)掏槽眼、輔助眼等的參數(shù)按普 通爆破來設(shè)計(jì)，周邊眼則按照光面爆破來設(shè)計(jì)。可用多段毫秒電雷管或非電導(dǎo)爆 系統(tǒng)按順序起爆，掏槽眼、輔助眼間起爆間隔時(shí)間不應(yīng)小于25ms。鄰近周邊眼 的一

11、排炮眼的藥量要比其他炮眼的藥量少，以控制圍巖爆震裂隙的發(fā)展。3 .影響光面裂縫形成的因素影響光面裂縫形成的因素很多，主要因素有裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，最小抵抗線 與孔間距的比值，起爆方法、空孔等。3.1裝藥結(jié)構(gòu)為了不破壞需要保護(hù)一側(cè)的圍巖，要采用較大的不偶合系數(shù)（D=d/d0），環(huán) 狀間隙裝藥和間隔裝藥，以及低猛度、低爆速（如2000m/s3000m/s）、低密度 的炸藥。3.2最小抵抗線、空孔與孔距最小抵抗線應(yīng)大于光面孔的孔距。最小抵抗線過小時(shí)，孔與孔之間的光面裂隙來 不及貫通，各孔就已朝自由面形成爆破漏斗，結(jié)果產(chǎn)生凸凹不平的破裂面；相反， 最小抵抗線過大時(shí)，光面裂隙固然容易形成，但是自由面方向的

12、爆破效果可能要 惡化，會(huì)出現(xiàn)大塊度。根據(jù)理論推算和現(xiàn)場施工分析，空孔和最小抵抗線的比值最好是0.81。在 節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖石中以及開挖面的拐角、彎曲部分，要加密炮孔或增加導(dǎo)向 空孔。3.3起爆間隔時(shí)間實(shí)驗(yàn)室爆破試驗(yàn)研究表明，齊發(fā)起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之， 秒差延期最差。齊發(fā)起爆時(shí)，炮眼貫通裂隙較長，抑制了其它方向裂隙的發(fā)育， 有利于減少炮眼周圍的裂隙的產(chǎn)生，可形成平整的壁面。所以，在實(shí)施光面爆破 時(shí)，間隔時(shí)間愈短，壁面平整的效果愈有保證。應(yīng)盡可能減少周邊眼間的起爆時(shí) 差，相鄰光面炮眼的起爆間隔時(shí)間不應(yīng)大于100ms。4.工程實(shí)例楓相院隧道清水溝斜井是楓相院隧道4個(gè)進(jìn)口之一，全長

13、1582米，開挖斷 面面積50.43m2,開挖斷面寬7.86m，其中III級(jí)圍巖1511m,占隧道全長的95.5%, 其余為W級(jí)和V級(jí)圍巖。位于甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)，地屬西秦嶺中山區(qū)，北 高南低，山體陡峻，谷深且多呈“V”字形。地面高程基本分布在7602050m， 高差約1300m。隧道最大埋深位于DK440+500附近的婆娘山，約1220m。隧道通 過區(qū)出露的地層主要為：第四系全新統(tǒng)坡積碎石類土及下元古界砂質(zhì)絹云母千枚 巖、變砂巖夾變安巖，綠泥石絹云母千枚巖。本區(qū)屬松潘一甘孜褶皺系之巴顏喀 拉山冒地槽褶皺帶。隧道位于該冒地槽褶皺帶的東部，隧道洞身無褶皺的地質(zhì)構(gòu) 造現(xiàn)象，基巖穩(wěn)定，產(chǎn)狀單一，

14、巖石較為完整。4.2爆破方案1、V類圍巖穩(wěn)定性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育。對(duì)V類圍巖采用臺(tái)階開挖法，每 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為2.0m。2、III、IV類圍巖穩(wěn)定性較好，考慮到機(jī)械設(shè)備的使用效率以及工期的影 響，對(duì)此類圍巖采用全斷面開挖法，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為3.0m。4.3鑿眼、爆破器材4.3.1鑿巖機(jī)械采用可移動(dòng)式全斷面作業(yè)臺(tái)車，使用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼。全斷面作業(yè)時(shí)配合13臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)鉆眼，以保證開挖作業(yè)進(jìn)度。4.3.2爆破器材 電雷管導(dǎo)爆索4.4爆破參數(shù)本隧道巖石特性：第四系全新統(tǒng)坡積碎石類土及下元古界砂質(zhì)絹云母千枚巖、變 砂巖夾變安巖，綠泥石絹云母千枚巖。主要巖層為千枚巖，為比較常見的變質(zhì)巖 的一種

15、，粒狀鱗片變品結(jié)構(gòu)。4.4.1鉆頭直徑40mm，故炮眼直徑按42mm計(jì)，根據(jù)不偶合系數(shù)取值范圍，確定 藥卷直徑32mm。則D= d/ d 0=42/32=1.3124.4.2周邊眼間距和最小抵抗線E= (1215) dd為炮孔直徑，42mm 計(jì)算得：E=504630mm合理的周邊眼間距需要結(jié)合圍巖類型、巖石條件等因素進(jìn)行選擇，對(duì)于節(jié)理發(fā)育、 層理明顯的地方，周邊眼間距可適當(dāng)減小。本工程掘進(jìn)過程中，主要是III級(jí)圍 巖，取E=500mm，在隧道側(cè)面經(jīng)多次爆破后根據(jù)巖石、鉆孔等條件適當(dāng)加密取 E=480mm。則根據(jù) W=1.25E，E=500mm，W=1.25*500=625mm，E=480mm，

16、 W=1.25*580=600mm，本工程中取W=600mm4.4.3光面爆破裝藥集中度qq=10 (E+W) * v?b式中，Rb為巖石抗壓強(qiáng)度，Mpa，本工程中III級(jí)圍巖的平均抗壓強(qiáng)度為126 Mpa。計(jì)算得 q=10 (500+600) * V 126=123g/m根據(jù)光面爆破現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化和調(diào)整裝藥量，最后得到周邊眼裝藥集中 度最佳取值：q=200 g/m。5.炮眼布置圖131313131315III級(jí)圍巖開挖炮眼布置圖131313131315爆破參數(shù)，見下表爆破參數(shù)表炮眼種類個(gè)數(shù)孔深毫秒雷管 段位裝藥集中度 (kg/m)裝藥量 (kg)掏槽眼163.510.8648.0擴(kuò)槽眼1

17、23.530.8628.8掘進(jìn)眼243.55、7、9、110.757.6底板眼63.511.130.814.4內(nèi)圈眼203.09、130.740.0周邊眼413.013.150.224.6合計(jì)119213.47、掏槽區(qū)爆破采用楔形掏槽，布置圖如下楔形掏槽布置圖鉆爆施工與管理8.1布孔。為了確保光面爆破效果，由測量人員按照炮孔設(shè)計(jì)要求，利用全站儀 將開挖斷面中線、水平線、周邊眼、掏槽眼準(zhǔn)確地用紅漆標(biāo)在開挖面上，并由專 人檢查記錄。炮眼位置和鉆眼方向均用紅油漆標(biāo)注，以便鉆眼人員準(zhǔn)確掌握鉆孔 深度和角度。8.2鉆孔。在施工過程中，要求開孔準(zhǔn)確，嚴(yán)格控制周邊孔間距，其誤差小于2cm。 為保證下一循環(huán)的

18、掘進(jìn)工作面凈空，周邊孔要保持35度的外插角，鉆孔作業(yè) 要求做到準(zhǔn)、平、直、齊。鉆孔應(yīng)盡量從上而下進(jìn)行，以防止施工過程中泥漿堵 塞已鉆好的炮眼。8.3裝藥爆破。裝藥前，對(duì)經(jīng)檢查合格的炮孔用高壓風(fēng)管進(jìn)行清理，將炮孔內(nèi)的 泥漿、石粉吹干凈。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)及雷管段別進(jìn)行填裝，周邊孔 堵塞長度要大于20cm，所有裝藥的炮孔必須堵塞炮泥。為確保爆破效果，避免 瞎炮，聯(lián)線工作應(yīng)由專人負(fù)責(zé)。8.4為了確保光面爆破效果，必須建立嚴(yán)格的鉆爆管理制度。根據(jù)施工規(guī)范允許 的超、欠挖值，制定獎(jiǎng)懲措施，并嚴(yán)格執(zhí)行。安全技術(shù)要求9.1嚴(yán)禁在殘眼上打鉆。9.2炸藥加工應(yīng)在專用加工房進(jìn)行。9.3采用竹制或木制炮棍裝藥。9.4放炮時(shí)要發(fā)出使周圍的人能聽到或看到的預(yù)警信號(hào)，并在確認(rèn)其他施工人員 已撤至安全地點(diǎn)后才能起爆。9.5爆破后應(yīng)等待15分鐘后爆破人員才能進(jìn)入爆破點(diǎn)檢查，并確認(rèn)無瞎炮和其 他危險(xiǎn)后其他人員才能進(jìn)入爆破區(qū)。9.6如出現(xiàn)瞎炮，應(yīng)由爆破人員處理，處理過程中，其他施工人員不能進(jìn)入爆破 區(qū)。光面爆破效果在已施工的清水溝斜井III級(jí)圍巖地段，經(jīng)過多次試驗(yàn)，光面爆破基本達(dá)到 了預(yù)期要求。爆破后形成了光潔平整的輪廓面，半殘眼率超過了規(guī)范規(guī)定，達(dá)到 90%,炮眼利用率達(dá)到了 95%，欠挖很少，超挖基本控制在8cm之內(nèi)，爆堆比較集 中，巖渣粒控制在30m以內(nèi)，沒有二次爆破的現(xiàn)象，便于鏟裝。光爆輪廓