隧道開挖爆破技術

隧道開挖爆破技術培訓講師：曹勝利培訓時間：2023年4月25日一隧道開挖方式二隧道開挖爆破基本原理三隧道爆破施工技術五光面爆破實例四隧道爆破危害控制的安全要求隧道開挖方式01211.全斷面開挖法按隧道的設計斷面一次沿掘進方向向前推進的開挖方法（隧道仰拱開挖區(qū)一般單獨進行）。適用于巖質(zhì)均勻、堅硬、且完整性和穩(wěn)固性較好的圍巖條件，開挖高度一般不超過10米。使用鑿巖臺車鉆孔，單循環(huán)爆破進尺可達4.0～4.5米；鑿巖機人工鉆孔的單循環(huán)爆破進尺最大約3.5米。鑿巖機人工鉆孔的全斷面開挖爆破作業(yè)三臂鑿巖臺車鉆孔的全斷面開挖爆破作業(yè)版權歸中國建筑所有，請勿翻印2.臺階開挖法當隧道高度較高又無大型鑿巖臺車或受到圍巖完整性、穩(wěn)固性的限制不能采用全斷面開挖時，可將隧道分為上、下兩層或三層成臺階狀的開挖方法。根據(jù)圍巖等級和環(huán)境條件的不同，上臺階的單循環(huán)進尺一般在1.5~3.5米之間。上臺階掘進爆破施工照片上、下臺階開挖法三臺階開挖方法導坑開挖法就是先在隧道斷面上的某個局部，以小斷面超前掘進，然后再逐步刷大到設計斷面。這種開挖方法多用于巖層松軟破碎的地層或跨度很寬的隧道掘進中。中央下導坑超前全斷面開挖法頂部導坑開挖法3.導坑開挖法（分部開挖法）雙側(cè)壁導坑法開挖4.CRD開挖法CRD開挖法隧道開挖爆破基本原理0

2爆破是隧道開挖的第一個關鍵工序，影響著施工安全（圍巖（掌子面）的完整性、穩(wěn)固性）、初支工效、工程進度和施工成本。1.隧道開挖爆破的難點（1）只有一個自由面或臨空面（被爆介質(zhì)與空氣的交界面），且自由面與掘進方向垂直；（2）施工場地狹小，鉆孔作業(yè)受到限制，人工鉆孔的技術要求高；（3）隧道圍巖的巖性、強度、穩(wěn)固性和水文地質(zhì)條件等變化大，爆破參數(shù)調(diào)整頻繁，施工安全風險高；（4）爆破施工效率和施工成本受圍巖的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的影響大。2.隧道掘進爆破的炮孔類型隧道掌子面上的炮孔數(shù)量多，但不同位置處的炮孔，其作用不同。隧道掌子面上的炮孔由內(nèi)向外可細分為掏槽孔、擴槽孔、崩落孔、內(nèi)圈孔、二臺孔、周邊孔、底板孔、拱頂孔等，各類孔布置原則如下：隧道掘進爆破各部位的炮孔名稱各種炮孔的作用：掏槽孔：形成掏槽孔腔，為擴槽炮孔爆破形成新自由面；擴槽孔：擴大掏槽孔腔，為其他炮孔爆破形成新自由面和補償空間；崩落孔（內(nèi)圈孔、二臺孔）：大量崩落巖石，獲得爆破進尺；周邊孔：獲得平順、光滑的開挖壁面；底板孔：獲得平整的隧道底板。2.隧道掘進爆破的炮孔類型隧道上臺階掘進爆破的炮孔布置立面圖2.隧道掘進爆破的炮孔類型隧道上臺階掘進爆破的炮孔布置剖面圖3.合理的單循環(huán)進尺確定（炮孔深度）炮孔深度：炮孔底部到掌子面的距離。各類型炮孔的深度：（以2m實際進尺為例）掏槽孔：2.3~2.4m（比掘進孔超深約0.2m）輔助掏槽孔（擴槽孔）：2.3~2.4m（與掏槽孔相同）其他炮孔深度：2.1~2.2m所有炮孔的孔底應位于與隧道軸線垂直的同一個平面內(nèi)。這是保證掌子面平整的前提。隧道掘進爆破各部位的炮孔名稱4.合理的單循環(huán)進尺確定（炮孔深度）合理的單循環(huán)進尺：保證圍巖和掌子面穩(wěn)定的前提下，能夠充分發(fā)揮鉆孔機具的鉆進效率、并獲得良好爆破效果和有效控制爆破危害的一次爆破最大進尺。（1）單循環(huán)進尺偏小或偏大在一定的施工條件下，如果循環(huán)進尺偏小，其結果是：循環(huán)次數(shù)增加，施工效率降低，工期延長，爆破成本和施工管理成本增大。1Km公路隧道（IV級較完整圍巖）為例，如臺階法開挖時（斷面積50~70m2），上臺階掘進爆破的合理單循環(huán)進尺為2.6~2.8m，開挖支護作業(yè)的循環(huán)次數(shù)約380次。倘若實際單循環(huán)進尺為2.0~2.2m：循環(huán)次數(shù)增加約100次，雷管多用8000發(fā)以上，警戒、通風增加100次，鉆孔長度增加約1000m，各作業(yè)工序銜接次數(shù)增加約100次。如果循環(huán)進尺偏大，其結果是：施工安全風險加大，炮孔有效利用率和鉆孔效率降低。（2）確定合理單循環(huán)進尺應考慮的因素圍巖條件，斷面形狀和尺寸，初期支護的結構尺寸，鉆孔設備的有效利用等。5.掏槽孔設計的關鍵參數(shù)掏槽孔（擴槽孔）：是為掘進炮孔提供一個與之平行的自由面和其他炮孔爆破的補償空間，以取得良好的掘進爆破效果。掏槽孔的爆破效果決定了單循環(huán)進尺。另一方面，掏槽孔爆破的地震效應最為強烈，是控制震害的關鍵之處。垂直楔形掏槽的關鍵參數(shù)：掏槽孔角度：50~65°（炮孔軸線與掌子面的夾角，一般還要考慮巖性、斷面寬度、鑿巖臺架尺寸等條件。）孔底距：10~30cm孔口距、孔長：由循環(huán)進尺（炮孔深度）、掏槽角確定。上、下掏槽孔間距：由巖性決定。單級掏槽深度：不大于2.2~2.6m，由巖性決定。當掏槽深度大于2.6m時，需采用復式掏槽。5.掏槽孔設計的關鍵參數(shù)垂直楔形掏槽的關鍵參數(shù)示意圖垂直楔形復式掏槽的關鍵參數(shù)示意圖5.掏槽孔設計的關鍵參數(shù)復式楔形掏槽-環(huán)狀布置垂直楔形復式掏槽的關鍵參數(shù)示意圖6.掘進孔布置原則與周邊孔布置掘進孔：均勻布置在掏槽孔腔周圍。平行或近視平行于自由面的炮孔間距離——孔距，這類炮孔組成一圈或一層炮孔組。相鄰兩圈之間的距離——排距。掘進炮孔的孔距、排距由巖性決定，主要取決于巖石的單軸抗壓強度，并參考巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度。但其值應小于炮孔深度。周邊孔：布置在隧道開挖邊界上，孔底位于開挖邊界外約10cm。通常采用光面爆破。隧道爆破施工技術03新奧法施工的特點是最大限度地利用巖體的自支撐能力來保持隧道圍巖的穩(wěn)定。因此，對隧道開挖爆破的要求就是：盡可能縮小爆破作用對圍巖的擾動范圍，在開挖周壁外側(cè)圍巖內(nèi)盡可能不產(chǎn)生破裂縫，尤其是與原生或次生結構面不形成相互貫通的破裂面，以保持圍巖的連續(xù)性和完整性。為此，需采用周邊孔光面爆破技術，一般其爆破擾動范圍在0.5m以內(nèi)。1、光面爆破的施工要求除了前述光面爆破技術的應用外，還應采取如下技術措施。①使用專門的光面爆破炸藥卷：低爆速炸藥（爆速約2500m/s）；小直徑藥卷（22~25mm直徑）。②炸藥卷在炮孔軸向的間隔應盡量均勻，避免裝藥集中度過大而產(chǎn)生炮孔內(nèi)的局部強烈沖擊作用導致周壁圍巖的破裂。③使用導爆索起爆技術，整個周邊孔均用導爆索串聯(lián)，使所有炮孔內(nèi)的炸藥卷在2~3ms時間內(nèi)全部爆炸，強化光面爆破效果。④加強炮孔堵塞，嚴禁采用多裝炸藥、不堵炮孔的方式進行施工作業(yè)。從靜力學角度分析，在地應力條件和隧道斷面形狀與尺寸相同的條件下，隧道開挖后其圍巖的應力重分布區(qū)域（開挖引起的應力擾動范圍）是一定的（不考慮開挖方式影響，即是形成開挖空間的時間足夠長）。但是，當采用爆破法開挖時，隧道的洞形是瞬間形成的，因此，嚴格地講，地應力作用于隧道圍巖的應力重分布應該屬于動力作用（因開挖形成的圍巖的應力集中應該是瞬間形成。但是由于開挖空腔的形成和應力集中的產(chǎn)生，引起圍巖向自由邊界變形，進一步導致應力集中程度增大。），這種圍巖動力響應程度如何，是否會因此引起隧道周壁近區(qū)圍巖的破裂或劣化，目前尚未見到相關的研究報道。從理論上分析，這種影響是存在的，但由于缺少實測數(shù)據(jù)支撐，目前的隧道設計中還難于考慮。2、隧道開挖輪廓控制（超、欠挖控制）（1）超、欠挖的后果超挖后果：增大初期支護的混凝土噴射量（相應的作業(yè)時間增加），初支拱架或格柵的受力狀態(tài)改變，圍巖的自由變形量增大，施工質(zhì)量難以保證，施工成本和管理成本增大，工期延長。以1Km高速公路隧道（寬11m、高10m）為例，平均超挖0.1m，總超挖巖石量2800m3，噴射混凝土量增加約4500m3（含回彈量），直接成本增大約300萬元以上。欠挖后果：增加改炮次數(shù)和工程量，增加循環(huán)作業(yè)時間，工期延長，增大施工成本和管理成本。（2）合理的施工超挖由于施工機具需占據(jù)一定的空間位置，即使設計給出的開挖邊界是一個縱向平直的面，但實際施工形成的開挖面呈鋸齒狀，如下圖所示。如果沒有合理超挖，隧道的開挖斷面就只能越來越小。鉆具的橫向?qū)挾?、單循環(huán)進尺以及初期支護與掌子面的距離等因素決定了合理的施工超挖量，尤其是后者對超挖的影響很大，不僅影響超挖，而且影響欠挖。如果以0.1m為最大的合理超挖范圍，則下圖反映了初期支護與掌子面的距離對超挖的影響問題。初支對超挖的影響示意圖炮孔位置內(nèi)移減少超挖、增大欠挖示意圖由此可知，在圍巖穩(wěn)固性允許的條件下，應盡量增大掌子面與初期支護之間的距離。當二者相距4~5m以上時，初期支護才不會影響超欠挖。因此，從爆破開挖施工角度看，不是初期支護緊跟掌子面才好，恰恰相反，只要圍巖條件允許，初期支護不應緊跟掌子面。一般而言，對于IV級圍巖，其穩(wěn)固性中等（若考慮超前小導管的預加固作用，其穩(wěn)固性更強），初期支護與掌子面間距是可以增大到3~4m，以減小初期支護對超欠挖的影響，關鍵是開挖周壁必須達到光面爆破效果，避免爆裂巖體使圍巖松動而引起隧道周壁的局部塌落和片幫。如果圍巖條件差，必須保持初期支護與掌子面緊跟的狀態(tài)（如破碎但未加固處理的V級圍巖），就不能盲目加大初期支護與掌子面的距離。這時，從設計角度，必須要求初期支護緊跟掌子面。當然，由此增大的超挖量（包括噴射混凝土量），設計應該給予確認，避免影響施工質(zhì)量。當初期支護與掌子面之間的距離不影響超欠挖時，單循環(huán)進尺就是影響合理施工超挖量的主要因素（人工鉆孔的機具寬度約0.3m，鉆桿最長5m）。在高速公路隧道開挖爆破中（周壁邊界長度24m），每延米平均超挖量估算值為：①單循環(huán)進尺1.0m：1.2m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.1m）②單循環(huán)進尺1.5m：1.2m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.1m）③單循環(huán)進尺2.0m：1.2m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.1m）④單循環(huán)進尺2.5m：1.8m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.15m）⑤單循環(huán)進尺3.0m：2.7m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.225m）⑥單循環(huán)進尺3.5m：3.6m3（與開挖邊界相距：炮孔口為“0”，孔底為0.3m）由上述估算值可知，當人工鉆爆法施工時，單循環(huán)進尺大于2.5m后，每延米的超挖量會隨著進尺增大，且進尺越大，增大的絕對量越大。（3）超欠挖產(chǎn)生原因及其控制措施：超欠挖原因：①炮孔外插角過大；②光爆層厚度不合理、周邊炮孔間距過大；③裝藥集中度過大；④掌子面與初期支護之間的距離過小；⑤周邊光面爆破炮孔的炸藥爆速過大；⑥炮孔堵塞長度不夠或堵塞質(zhì)量差。超欠挖控制措施：①周邊孔的鉆孔位置與精度；②掌子面與初期支護之間的合理距離；③合理的周邊孔間距與光爆層厚度；④炸藥的選型（低爆速、小直徑炸藥卷）；⑤裝藥結構（軸向不耦合，采用導爆索起爆）；⑥堵塞質(zhì)量控制。隧道爆破危害控制的安全要求

04隧道爆破危害控制的安全要求隧道開挖爆破除了施工安全外，對周邊環(huán)境的安全要求也是必須保證的。主要包括：爆破飛石、爆破振動的危害控制；對于空氣沖擊的危害控制，只有在被保護對象位于隧道洞門近區(qū)時才予考慮，此時爆破飛石的防護措施就已起到?jīng)_擊波防護的作用。1、隧道爆破飛石的控制隧道爆破的飛石主要在洞門0~30m范圍內(nèi)進行爆破作業(yè)時產(chǎn)生的飛石對周邊建筑物、構筑物和各種設備設施的安全造成影響。由于隧道爆破屬于地下爆破，爆破安全規(guī)程中沒有對此做專門的要求，在該范圍內(nèi)可參照露天淺孔爆破的安全規(guī)定制定相應的施工安全要求。此時，安全范圍設定為200~300m。也就是，在洞門200~300m范圍內(nèi)有被保護對象時（如：建筑物、交通道路、輸電線、通訊線、裸露的重要管線等），須進行爆破飛石的防護。隧道爆破危害控制的安全要求飛石防護的主要安全技術措施：（1）設計要求：（按照控制爆破進行專項爆破方案設計）①合理的單級掏槽深度和掏槽角（炮孔與掌子面的夾角）；②合理的單孔裝藥量和堵塞長度；③合理的起爆方法；④遮擋爆破飛石的排架設計。（2）施工要求：①鉆孔精度；②裝藥結構；③堵塞長度與堵塞質(zhì)量；④排架的穩(wěn)定性。隧道爆破危害控制的安全要求2、隧道爆破振動的控制爆破振動對周圍建筑物、構筑物、交通隧道和各種設備設施的安全影響是目前隧道開挖爆破施工中極易出現(xiàn)問題的一道工序，尤其是與民房、文物保護區(qū)、油氣管道和精密儀器設備等相距100~300m范圍內(nèi)時，很容易引起各種糾紛，甚至出現(xiàn)群眾阻工而引起工期延誤。（1）爆破振動安全控制標準對于爆破振動安全問題，在《爆破安全規(guī)程》（6722-2015）中已有專門的規(guī)定，見下表所示。隧道爆破危害控制的安全要求爆破振動安全允許標準序號保護對象安全允許振動速（cm/s）<10Hz（10～50）Hz（50～100）Hz1土窯洞、土坯房、毛石房屋0.15～0.450.45～0.90.9～1.52一般民用建筑物1.5～2.02.0～2.52.5～3.03工業(yè)和商業(yè)建筑物2.5～3.53.5～4.54.2～5.04一般古建筑與古跡②0.1～0.20.2～0.30.3～0.55運行中的水電站及發(fā)電廠中心控制室設備0.5～0.60.6～0.70.7～0.96水工隧道③7～88～1010～157交通隧道③10～1212～1515～208礦山巷道③15～1818～2520～309永久性巖石高邊坡5～98～1210～1510新澆大體積混凝土（C20）

齡期：初凝0～3天1.5～2.02.0～2.52.5～3.0齡期：3～7天3.0～4.04.0～5.05.0～7.0齡期：7～28天7.0～8.08.0～10.010.0～12.0注1：表中質(zhì)點振動速度為三分量中的最大值；振動頻率為主振頻率。注2：頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實測波形確定或按如下數(shù)據(jù)選取:硐室爆破f<20Hz；露天深孔爆破f=10～60Hz；露天淺孔爆破f=40～100Hz；地下深孔爆破f=30～100Hz；地下淺孔爆破f=60～300Hz。注3：爆破振動監(jiān)測應同時測定質(zhì)點振動相互垂直的三個分量。隧道爆破危害控制的安全要求（2）隧道爆破振動控制的技術途徑雖然可以通過縮短單循環(huán)進尺來控制掏槽孔的單孔裝藥量（總裝藥量），以減弱爆破振動強度，但是，這會影響施工進度，這是在采用其他控制方法不能達到振動控制要求的情況下才能考慮使用此方法。即：不能一說到控制隧道爆破振動，就要求其“短進尺，弱爆破”。什么是短進尺？單循環(huán)進尺為0.6m？1.0m？1.5m？還是2.0m？在這里，只要能夠滿足周邊環(huán)境對隧道爆破振動安全影響控制標準的循環(huán)進尺就是合理的循環(huán)進尺。對于隧道掘進爆破而言，通常的進尺在2.0~3.0m之間，完全可以通過技術手段使循環(huán)進尺在2.0m左右時將振動速度控制在規(guī)定范圍內(nèi)（特殊情況除外）。隧道爆破危害控制的安全要求總體方案：控制單段最大裝藥量（主要是掏槽孔爆破的單段裝藥量），使同段起爆的炮孔盡可能在空間上錯開分布。具體措施：陶槽方式，單循環(huán)進尺，裝藥結構，孔內(nèi)及孔間毫秒延遲起爆掏槽孔。目前國內(nèi)一般采用毫秒雷管來實現(xiàn)微差起爆。因此，間隔時間還受起爆雷管各段別間隔時間的制約，所以間隔時間不能任意選擇，應根據(jù)現(xiàn)場條件和雷管段別合理選取。一般5段以下的低段別雷管間隔時間為