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1、光面爆破设计原理及实列分析前言光面爆破就是聘周边眼范围内的岩石爆下来，形成规整的轮廓壁并尽可能多的保留半边眼痕迹和减小对固岩的扰动。通过限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，以削减超、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，改善支护结构物的受力状况，确保施工平安和延长运用年限等方面有重大意义。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裂开成平整的光面。通过国内外试险室探讨和现场生产实践可以看出，光面爆破是由于采纳不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上
2、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鬲岩时在炮眼壁上造成的应力状态相像，只能引起少量的径向微小裂隙。裂隙数目及其长度随不耦合系数和装药量而不同。般在药包直径肯定时，不耦合系数值愈大，药量愈小，则微小裂隙数愈少而长度也愈短。光面炮眼组同时起爆时，由丁起爆器材的起爆时间误差，不行能在同一时刻爆炸.先起爆的药包的应力波作用在炮眼四周产生微小径向裂隙（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，这条裂隙接着延长和扩展，在相邻两炮眼的
3、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，成为贯穿裂隙。a）孔装药状况：（b）先爆炮孔对相邻炮孔的影响:（c）光面的形成形成光面图1光面爆破时炮眼连心线上裂开面的形成2.光面爆破的参数及工艺2.1光面爆破主要有以下几个参数影响光面爆破效果的主要参数是：不偶合系数(D)、装药集中度(q)、炮眼间距(E),周边眼密集系数(m)和最小反抗线(W).2.1.1不偶合系数不偶合系数是指炮孔直径d和药卷直径d,之比.D=d&药卷在有空隙的炮眼中(不偶合装药)爆炸时.形成的冲击波随不偶合系数的增大而衰减.导致爆破介质中的应变随不偶合系数的增大而
4、衰减，在双对数坐标系中，应变与不偶合系数间的规律，见图2。不偶合系数D般为1.252.0范用内，在1.5左右比较合适。2.1.2装药集中度间隔装药，以装药长度的平均线装药密度计，陵道爆破一般为0.040.4kgm,过大易破坏光爆壁面：过小则爆不卜.来。2. 1.3周边眼间距周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采纳以下阅历公式确定：E=（12=15）d式中，d为炮孔直径2.1. 3周边眼密集系数周边眼密集系数是指周边眼间隔E与最小反抗线W之比值，即m=EWm值的大小，对光面爆破效果影响最大，卜面从三种不同状况进行说明。（1）当m=aW=2时，则两个爆破漏斗不相连接，即使两个炮眼同时起
5、爆.各炮眼也都单独破坏岩石，即在岩体中产生的压缩波到达自由面得同时，于两个炮眼中间相遇，其行程相等。由此压应力而衍究的拉应力不足以使a、b间的岩柱造成裂隙，则留下abc的-：角形岩柱，使岩面凸出（所谓欠挖），不能取得光面爆破效果。假如两个周边眼不是同时起爆，更是如此。如图-2（八）,（2）当m=aW=1.时,假如两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面之前在abc间相遇。由丁该点C与ab点的折离小于最小反抗线W,拉应力可使ab之间岩石产生裂隙。假如两个炮眼不同时起爆，压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼的位置，该点C起自由面作用，也能使ab间岩石产生裂隙。因此这两种状况都能取得光面爆破效果，如图-2（
6、b）所示。（3）当m=aW=0.5时，不管是否同时起爆，压缩波到达自由面时，必需超过另一个炮眼的距离，拉应力不仅使ab间岩石产生裂隙，同时会破坏abc三角形而造成岩面凹进（所谓超挖），也达不到光面爆破的效果，见图-2（c）所示。图2不同密集系数的爆破状况实践表明，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。2.1.4母小反抗线W光面层厚度或周边眼到邻近协助眼间的距离，是光面眼起爆时的最小反抗线,一般应大T或等于光面眼间距。理论和实践均证明光面爆破炮眼间距与最小反抗线之比为0.8为好，即EH=0.8,则W=1.25EW一附小反抗线，cmE一炮眼间距，Cm2. 1.5光
7、面爆破装药集中度q4光面爆破装药集中度可以按以下阅历公式计算：q=10(E+W)*限式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa2.1.7周边眼的其他参数(1)炮眼直径d。光面爆破的周边眼直径无需选择,国内掘进常用的炮眼直径为35nm-50rm;(2)周边眼的深度1和角度a。“全断面一次爆破时，周边眼深度一般为2.5m-3.0m.确定眼深时，还应考虑到其他作业的生产实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，不得不向外偏斜肯定角度,偏斜角一般为3。、5.偏斜角度的大小，可依据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外100nIm处。隧道光面爆破常用参数如表1所示。表1隧道
8、光面爆破常用参数岩石类别周边眼间距E(Cm)最小反抗线W(cm)相对距离(日W)装药桀中度q(gm)硬岩55-6560800.8-1.()300350中硬岩45-6060-750.8-1.0200300软岩357545-550.8-1.070-1202.2掏槽爆破陵道开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创建临空面,必需先在开挖面上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽。隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术，捣槽的胜利与否干脆影响爆破效果，掏槽的深度干脆影响陂道掘进的循环进尺。而掏槽的胜利与否，有与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆程序等有关。在大断面隧道掘进中，为了
9、加大掏槽深度,常采纳双U、T”或四以楔形掏槽眼，这种掏槽称为坡式楔形拘槽.每对掏槽眼呈完全对称形或近似对称形。2.2.1掏槽选定的条件1）、开挖断面的大小及宽度2）、地质条件3）、机具器材条件4、钻眼爆破技术水平5）、开挖技术要求等楔形掏槽需留意的几个关键技术问题1）、楔形掏槽在断面较宽时，应当尽批缩小掏槽用，因而也要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。2）、楔形掏槽在炮眼较深时，其底部加强装药应保持炮眼全长的1/3长度，前部装药（柱状结构）集中度可以减为底部装药集中度的4050%或换成减力较低的炸药。不应把炸药装填到炮眼口,而应大约流出20%的炮眼长度不装药，并装填不少于20cm长的炮泥。3人楔
10、形掏槽眼应每级均应尽量同时起爆，以运用电秒雷管爆破。级间间隔时差也不宜太短，以50ms较合适，以保证前段爆破的岩石裂开与地掷.2 .3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11、山类整体性好的困岩，可采纳全断面法，此时掏槽眼、协助眼等的参数按一般爆破来设计，周边眼则依据光面爆破来设计。可用多段充秒电雷管或非电导爆系统按依次起爆，掏槽眼、协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员要比其他炮眼的药量少，以限制陶岩爆设裂隙的发展。3 .影响光面裂缝形成的因素影响光面裂缝形成的因素许多，主要因素有装药量和装药结构，最小反抗线与孔间距的
11、比值，起爆方法、空孔等。3.1 装药结构为了不破坏须要爱护一W!的图皆，要采纳较大的不偶合系数（D=dd）,环状间隙装药和间隔奘药，以及低猛度、低爆速（如2000ms3000ms）,低密度的炸药。3.2 最小反抗线空孔与孔距最小反抗线应大于光面孔的孔距.最小反抗线过小时，孔与孔之间的光面裂隙来不及贯穿，各孔就已朝自由面形成爆破漏斗，结果产生凸凹不平的裂开面：相反，最小反抗线过大时，光面裂隙当然简单形成，但是自由面方向的爆破效果可能要恶化，会出现大块度。依据理论推算和现场施工分析，空孔和最小反抗线的比值现好是081.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
12、.3 起爆间隔时间试验空爆破试险探讨表明，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，炮眼贯穿裂隙较长，抑制了其它方向裂隙的发育，有利于削减炮眼四周的裂隙的产生，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。应尽可能削减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 工程地质枫相院隧道清水沟斜井是枫柏院隧道4个进口之.全长1582米，开挖断面面积50.43m2,开挖断面宽7.86m.其中HI级围岩1511m,占隧道全长的95.5%,其余为N级和V级围岩。位于廿肃省陇南市武都区境内，地属西秦岭中山
13、区，北高南低，山体陡峻,谷深且多呈“V”字形.地面高程基本分布在7602050m,高差约1300m。隧道最大埋深位于DK44O+5OO旁边的婆娘山，约1220m。隧道通过区出露的地层主要为：第四系全新统坡枳碎石类土及下元古界砂痂绢云母千枚岩、变砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩.本区属松潘一甘孜褶皱系之巴颜喀拉山目地槽裙皱带。隧道位于该目地槽褶皱带的东部，隧道洞身无褶敏的地质构造现象，基岩稳定，产状单，岩石较为完整。4.2 爆破方案I、V类图岩稳定性较差，节理裂隙发育。对V类困岩采纳台阶开挖法，每个循环进尺为2.0m.2.IIkIV类国岩稳定性较好,考虑到机械设备的运用效率以及工期的影响，对此类
14、用岩采纳全断面开挖法，每个循环进尺为30m。4.3凿眼、爆破器材4.3.1凿岩机械采纳可移动式全断面作业台车，运用YT-28型气腿式凿皆机钻眼。全断面作业时协作13台凿岩机同时钻眼，以保证开挖作业进度。4. 3.2爆破器材电雷管导爆索4.4爆破参数本隧道岩石特性：第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚岩、变砂岩夹变安岩，绿泥石绢云母千枚岩。主要岩层为千枚岩，为比较常见的变质岩的一种，粒状鳞片变晶结构。钻头直径4()mm,故炮眼直径按42mm计，依据不偶合系数取值范围，确定药卷直径32mmO则D=d/=4232=1.3124.4.2周边眼间距和最小反抗线E=(12-15)dd为炮孔直径
15、，42mm计算得:E=504-630mm合理的周边眼间距须要结合围岩类型、岩石条件等因素进行选择，对于节理发育、乂理明显的地方，周边眼间距可适当减小。本工程掘进过程中，主要是IU级国岩，取E=500mm,在陡道侧面经多次爆破后依据岩石、钻孔等条件适当加密取E=480mma则依据k1.25E,E=50011n,H=I.25*500=625mm,EX8011m,W-1.25*580-600mm.本工程中取W=600三4 .4.3光面爆破装药集中度qq=10(E+W)*J式中，Kb为岩石抗压强度，Mpa,本工程中III级围岩的平均抗压强度为126Mpao计算得q=10(500布00)126=123g
16、m依据光面爆破现场忒验结果，优化和调整装药星，最终得到周边眼装药集中度最隹取值：q=200gm.5 .炮眼布置图III级国岩开挖炮眼布置图6 .修破弁数，见下表坦破窖数表饱眼种类个数孔深秒济行段位装药处中度装药后(k)掏HI1.H163.5I0.8648.0技Hw123.530.863抠进眼243.55、？、9.110.757.6底板很63.5Ik130.814.4内圈很203.09、130.740.0周边眼413.013、150.224.6合计119213.17、掏槽区修破采纳模形掏槽，布置图如下楔形掏槽布置图8.钻施工与管理1 .1布孔。为了确保光面爆破效果，由测量人员依据炮孔设计要求，利
17、用全站仪将开挖断面中线、水平线、周边眼、掏槽眼精确地用红漆标在开花面上,并由专人检查记录。炮眼位置和钻眼方向均用红油漆标注，以便钻眼人员精确驾驭钻孔深度和角度。8 .2钻孔.在施工过程中，要求开孔精确，泮格限制周边孔间距，其误差小丁2cm.为保证卜.一循环的掘进工作面净空，周边孔要保持35度的外插向，钻孔作业要求做到准、平、直、齐。钻孔应尽量从上而下进行，以防止施工过程中泥浆堵疮己钻好的炮眼。8. 3装药爆破。装药前，对经检查合格的炮孔用高压风管进行清理，将炮孔内的泥浆、石粉吹干净。严格按设计装药量、装药结构及雷管段别进行填装，周边孔堵塞长度要大于20cm,全部装药的炮孔必需堵寒炮泥。为确保爆
18、破效果，避开瞒炮，陕线工作应由专人负贵。9. 4为确保光面爆破效果，必需建立严格的钻爆管理制度,依据施工规范允许的超、欠挖值，制定奖惩措施，并严格执行。9.平安技术要求9.1 严禁在残眼上打钻。9.2炸药加工应在专用加工房进行。9. 3采纳竹制或木制炮棍装药.9 .4放炮时要发出访四周的人能听到或看到的预警信号，并在确认其他施工人员已撤至平安地点后才能起爆。10 5爆破后应等待15分钟后爆破人力才能进入爆破点检查，并确认无眠炮和其他危急后其他人员才能进入爆破区。10. 6如出现喀炮，应由爆破人员处理，处理过程中,其他施工人员不能进入爆破区。11. 光面缪破效果在己施工的清水沟斜井HI级围岩地段
19、，经过多次试验，光而爆破基本达到了预期要求。爆破后形成了光滑平整的轮廓面，半残眼率超过了规范规定，达到90以炮眼利用率达到了95%,欠挖很少,超挖基本限制在8cm之内，爆堆比较集中，岩渣粒限制在30m以内，没有二次爆破的现象，便于铲装.光爆轮廓面12. 结语从急速角度上讲，光面爆破施工过程中须要留意以下方面012.1 钻孔质量。周边孔德外插角驾驭不当就会造成超、欠挖，影晌周边轮廓的平整度。12.2 堵塞质量。爆破作业中，不行忽视堵塞炮泥的作用，尤其是对不偶合系数较大的光面爆破。12.3 泮格检查.爆破前，对光爆孔的间距、孔深、外插角按要求进行检查、5佥收，并具体记录炮孔数目、装药量和围岩改变状况。爆破后检杳作业面得平整度、半孔率和超欠挖等，以便依据光爆效果调整和优化爆破参数。参考文献1、蒲小平大瑶山隧道光面爆破技术2,铁路工程施工技术手册够道1995年铁道部其次工程局3、铁路陂道工程施工技术指南TZ201-2008中铁一局集团有限公司
