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1 引言

目前我国高速公路隧道的主要施工方法钻爆法,为了减少对围岩的扰动且形成较平整岩壁，有效减少超欠挖，多采用光面爆破技术。但当前光面爆破设计多依赖于经验公式和定性分析，导致超欠挖甚至塌方事故频繁发生，这主要是光面爆破参数设计较粗糙，未充分考虑水文地质条件的影响所致。

国内外学者对光面爆破进行大量研究，取得了很多成果。王修勇结合光面爆破机理运用力学模型对光面爆破过程进行力学分析^[1]。SKMandal研究围岩无损坏控制爆破，总结了光面爆破的数学模型^[2]。LWu采用有限元法研宄光面爆破技术的在复杂环境中应用^[3]。傅朝泓研究岩体结构面及地质特征对光面爆破的影响，提出应对措施^[4]。沈显才研究水压光面爆破技术，可减少了对围岩的扰动^[5]。徐颖根据爆破成缝机理和爆破块度要求，研究炮孔密集系数^[6]。吴兰冬用平面应变方法计算光面爆破相关参数^[7]。

本文根据某隧道围岩情况，设计光面爆破参数，并进行试验效果分析。

2 光面爆破的特点

（1） 光面爆破后通常可在岩面上残留半边孔壁的炮眼痕迹，使炮眼痕迹保存率符合相关规范要求。

（2） 采用光面爆破可使开挖断面成型相对规整，成型轮廓线更易接近设计断面轮廓线，有效降低超、欠挖量，从而减少喷射混凝土/衬砌混凝土超方，降低材料成本、排渣成本。

（3） 爆破后不产生或很少产生裂隙，原有的构造裂隙不因爆破而有所扩展，围岩更易保持稳定，不降低围岩自身承载力，从而可有效地保证施工安全，为快速施工创造了有利条件，特别是对于松软破碎岩层其作用和效果尤为显著。

（4） 成型岩面平整，不易产生瓦斯聚集，有效降低瓦斯工区的瓦斯聚集、瓦斯爆炸风险。平整岩面通风阻力更小，更有利于瓦斯隧道通风，可有效降低风量损失，保障作业面需风量，减少风机能耗。

（5） 成型岩面上应力集中现象减少，在深部岩壁表面可以减少岩爆等危害，降低安全风险。

（6） 衬砌混凝土成型面平顺，可减少应力集中现象，有利于结构稳定。

图1 II级围岩光面爆破效果

图2 III级围岩光面爆破效果

3 工程概况

隧址区主要属褶皱抬升低山地貌区，该隧道横穿背斜形成的背斜山，整个背斜山呈“一山二槽三岭”的地貌特征。地层主要为第四系覆盖层更新统坡积成因（Q_P^dl）粉质黏土，分布不均匀，部分地段基岩出露，出露地层岩性为三叠系(T)的须家河组、雷口坡组、嘉陵江组等泥岩、砂岩、白云质灰岩及白云岩等，进口端洞口位于背斜西翼，岩层产状为296°∠82°，出口端洞口段位于背斜东翼，岩层产状119°∠54°，主要发育有两组节理裂隙，隧址区域地质较稳定。其中不良地质现象主要为碳酸盐岩区岩溶、煤系地层段煤矿采空区及有毒有害气体，未见特殊性岩土发育。隧道围岩岩体为强风化泥岩、页岩、炭质泥岩、砂岩、中风化泥岩、页岩、炭质泥岩、砂岩、白云质灰岩、灰岩及岩溶角砾岩等。

4 光面爆破机理及参数设计

公路隧道施工只有一个工作面，爆破施工范围非常有限，且要达到两个目的:

（1） 破碎掌子面里既定范围内的岩石，且尽量形成平整的岩面；

（2） 减少对开挖范围以外围岩的扰动，最大限度实现围岩的强度和长期稳定。

光面爆破在隧道掌子面设计轮廓线上布置相互平行且间距较小的炮孔，采用低密度和低爆速炸药，并控制炮孔的装药结构和集中度，然后同时引爆，破碎炮孔间的岩体，形成沿炮孔的贯穿面。其作用机理为当炸药在炮孔中爆炸时，爆生气体和应力波向炮孔四边传播，并在相邻两个炮孔连线中点处相遇并叠加，在此处产生垂直于炮孔连线的大于岩体强度的拉应力，岩体开裂形成沿炮孔连线方向的岩面。因此要设计合适的孔间距、最小抵抗线和装药量，使爆破产生的拉应力恰好客服岩体的抗拉强度，获得光谱平整的爆破岩面。

对掌子面围岩岩体实测可得，岩石抗压强度σ_c=45.30MPa，抗拉强度σ_t=5.26MPa泊松比μ=0.26，掌子面岩体平均纵波波速V_pm=3856m/s,岩石平均纵波波速V_pr=4689m/s。光面爆破参数设计如下：

（1） 掌子面岩体完整系数Kv=（Vpm/Vpr）2=0.68，岩体基本质量指标BQ=90+3σc+250Kv=396。对之进行修正[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=376,其中地下水影响修正系数K1=0,主要结构面修正系数K2=0.2，初始应力状态影响修正系数K3=0，属于III级围岩。

（2） 根据围岩性质，结合爆破经验[8]，单位体质炸药消耗量取值q=1.1kg/m³。

（3） 炮孔直径db=42mm，炮孔深度L=3.0m。

（4） 根据各炮孔平均分配炸药量原则，炮孔数量N=qs/lL=102，其中该隧道采用台阶法施工，开挖断面面积S=60㎡，lL为装药系数，取值0.65。炮孔分为掏槽孔、周边孔、辅助孔、底板孔。

（5） 根据应力数值方法[9]计算周边炮孔间距E=0.5m，周边炮孔密集系数取值m=0.85，最小抵抗线W=E/m=0.59。

（6） 根据现场施工条件掏槽孔取值12，剩下的为辅助孔和底板孔，均匀布置在掏槽孔和周边控间，如下图所示：

图3爆破炮孔布置图

（7） 起爆先后顺序使用雷管段来控制，顺序为掏槽孔、辅助孔1、底板孔和辅助孔2、辅助孔3、周边孔，时间先后间隔50ms。

5 光面爆破效果分析

爆破效果如图2所示，蓝色的为岩层节理线，黑色的为设计线，红色为实际爆破轮廓线。位置1处出现锯齿状断裂面，凹凸度在7~18cm间；位置2处出现锯齿状断裂面，凹凸度在9~20cm间；其他位置效果较好。

由于岩体节理的存在，破坏了岩体的完整性，且其受力状态也发生了改变，在爆破时其破坏模式也发生了改变，即对爆破成型效果产生影响，影响的主要因素为节理面的强度、夹层的厚度等。其力学性质主要体现在节理面会对爆炸应力波有一定的衰减作用，同时应力波在节理内发生发射和投射的综合作用。

图4掌子面节理及爆破效果示意图

6 结论

（1） 光面爆破的参数设计须考虑岩体强度、完整系数，须针对不同围岩条件动态调整爆破参数，进而计算其周边孔间距和最小抵抗线间距。

（2） 光面爆破的效果除受参数设计的影响外，还受岩层节理的影响。

参考文献

[1]王修勇.光面爆破岩石破碎的力学分析[J].力学与实践,1998. [2]SKMandal,MMSDasgupta.TheoreticalConcepttoUndersdandPlanandDesignSmoothBlastingBattern[J].Geotechnical&geologicalEngineering,2008.

[3]L Wu,DX Yu,WD, Duan,DW Zhong,Rock Faliure Mwchanism of Air-Deceked Smooth Blasting under Soft Interlayer[J].Advanced Materials Research,2011.

[4]傅朝泓.地质条件在光面爆破中得影响及对策[J].煤矿爆破.2002.

[5]沈显才.地铁暗挖隧道聚能水压光面爆破新技术应用分析[J].铁道建筑技术.2017.

[6]徐颖,方江华.光面爆破合理炮孔密集系数的研宄[J].工程爆破.

[7]吴兰冬,陈灿寿,柏春伟,范鹏贤,深埋硬岩中光面爆破设计及经验公式[J].爆破.

[8]杨文渊.工程爆破常用数据手册[M].北京：人民交通出版社，2002.

[9]戴俊，杨永琦，光面爆破相邻炮孔存在起爆时差的炮孔间距计算[J].爆炸与冲击，2003.