摘 要 文章从光面爆破机理、光面爆破技术中各主要参数的确定，以及光面爆破在实际工程中的应用几个方面出发，以深圳地铁安-侨区间隧道硬岩段施工为例 ，研究分析了如何利用光面爆破技术来提高城市地铁浅埋暗挖法的光爆效果，特别是近距离穿越重要建（构）筑物时如何有效进行光面爆破。

关键词 浅埋暗挖隧道 光面爆破 孔距 抵抗线 孔深 装药密度

 

      随着新奥法在隧道施工中的广泛应用， 与之配套的光面爆破技术也越来越引起工程技术人员的重视。只有光面爆破做得好，新奥法施工的优势才能更好地体现，围岩自身的承载力才能充分发挥。随着城市轨道交通建设的兴起， 虽然目前的主流工法趋向于盾构法，但是如果遇到岩石强度高、场地条件受限制以及特殊地质情况时，从经济性和安全性考虑，光面爆破法不失为一种很好的选择。从深圳地铁施工的实际情况来看，有很多区间隧道采用盾构法结合光面爆破暗挖法施工， 也有些隧道也全为光面爆破暗挖法施工， 比如深圳地铁 2 号线的深-康区间以及安-侨区间、侨-香区间隧道等。 实践证明，光面爆破技术研究在暗挖地铁隧道施工中有着重要的应用价值。

 

      光面爆破的机理是利用岩石抗拉强度远低于抗压强度的特性，科学布孔、合理选择参数、控制装药量、按一定的顺序起爆，达到洞室表面光滑、围岩扰动破坏较小、超欠挖最小的目的。隧道光面爆破的实质是按照隧道断面的设计轮廓线合理布置周边炮眼而进行的一种控制爆破（即爆破光面层），而实施爆破之后在隧道周边形成一个光滑平整的边壁， 使隧道断面既符合设计轮廓要求， 又要使围岩不产生损伤，从而保持围岩的完整和自身承载能力，以达到快捷、高效、优质的施工目的。

 

      确定合理的光面爆破参数是获得良好光面爆破效果的重要保证。光面爆破的主要参数有：周边眼间距E，最小抵抗线 W，炮孔深度 L，装药集中度 l。 在光面爆破设计时这些参数应针对具体的工程进行优化组合。

      周边眼的孔距E 是沿劈裂面炮眼的中心距，抵抗线W 是劈裂面离临空面的距离， 即光面层的厚度。一般孔距要小于或等于抵抗线，以使相邻两孔产生的应力波相遇后再达到抵抗线的边缘， 以取得更好的爆破效果。表 1 列出了可供选择的数据。根据经验，软弱岩体E 宜取小值，W 取较大值；而坚硬岩体E 宜取大值，W 取较小值。

      最小抵抗线过大，岩石抵抗爆破作用的阻力增强；反之，又易产生飞石等危害。因此，选取合理的抵抗线是提高爆破效果的关键。炮孔密集系数是孔距E 与抵抗线 W 的比值，它是评价相邻两炮孔间距关系的系数，且对于优化爆破参数、充分利用爆破能量开裂、破碎岩石，改善爆破效果，具有实际意义。理论上，炮孔密集系数愈小，就愈接近在无限介质中的爆破情况， 岩石就能较精确地沿各周边炮眼所构成的曲面或平面爆裂开，对围岩的破坏就小，但不经济且光面层有可能震裂而不破碎难以掉落，不易出碴。所以，对不同的工程、不同的地质条件，炮孔密集系数要通过相关试验来确定。

      炮孔深度决定每一掘进循环的钻眼工作量、出碴工作量、循环时间和次数以及施工组织，它对掘进速度的影响很大， 对围岩的稳定性和断面超欠挖也有重大影响。 炮孔越浅爆破生成的气体从孔口处释放量越大，既浪费炸药，又对围岩稳定性不利。 一般情况下炮孔深度不宜小于1.2 m（表 2）。

      合理的炮孔深度，应在隧道施工优质、安全、节省投资的前提下， 能够防止爆破面以外围岩过大的松动，减少繁重的支护，避免过大的超欠挖，又能获得最好的掘进速度。 一般情况下，采用 3.5 m 以下的炮孔深度对减少超挖是有利的。

      （1）光面爆破单孔装药量q 基本公式为：

      式中，E、W、L分别为周边炮眼距、抵抗线和炮孔深；R 为岩石抗拉强度，一般沉积岩、变质岩等较软的岩石抗拉强度为抗压强度的1/14~1/17，而岩浆岩及较硬的沉积岩则取1/35；K 为不耦合影响值，取 (d、D分别为药卷直径和炮孔直径；Z 为千克炸药产生的力（N/kg）。

      （2）装药集中度l 又称为线装药密度 ， 是指单位长度的装药量，即 l=q/L,它是工程上常用的爆破参数，视岩体的坚硬程度而定。

 

      由于地质条件的差异， 许多有关爆破的设计参数必须通过现场的施工逐步进行调整， 特别是掏槽眼的形式、最小抵抗线、装药结构、装药量、雷管段位分布等。在无试验条件时，依照浅孔、密布、弱爆循环渐进的原则，结合实际爆破效果及时调整爆破参数，以取得最佳爆破效果为宜。

      下面以安-侨区间硬岩段的施工为例来研究光面爆破在城市地铁隧道施工中的应用。

      安侨区间ZDK19+305～+485、YDK19+275～+475段为硬岩段，岩石强度达到 150 MPa 左右，且距离隧道顶部4 m 处有一 3 000 mm×2 500 mm 雨水箱涵与左线平行走向，右线穿越鸣泉居小区，其地下室桩基础离隧道仅3.5 m（图 1、图 2）。 此两段硬岩段的施工不仅面临居民区爆破扰民和工程进度的问题，更重要的是如何确保周围建、构筑物及管线的安全。因此，此处爆破设计不仅要从爆破的经济性，即爆破质量出发，同样也要控制爆破震速，保证周边建构筑物的安全。

      安-侨区间隧道硬岩段为圆形隧道， 初期支护开挖直径为6.3 m，沿着侨香四道走向。 隧道拱顶埋深为12.24～16.64 m。

      由于安-侨区间隧道断面较小， 结合现场场地以及机械配备情况， 决定采用上下台阶的光面爆破法，这样不仅有利于控制爆破震速，也有利于施工进度。

      通过对地质条件，以及断面的大小、施工可行性的分析，现场爆破设计如下述。

      隧道爆破施工成败在于掏槽形式， 掏槽的成功与否直接影响开挖循环进尺和光面爆破效果， 掏槽是否成功与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆顺序等有关。掏槽形式的选定一般由开挖断面的大小和宽度、地质条件、机具和器材条件、钻眼爆破技术水平、开挖技术要求、经济技术效果等几方面因素考虑决定。 采用何种掏槽形式和光面爆破参数需要综合考虑，通过现场前期的施工，在充分考虑了安全、进度 、质量 、效益的要求 ，以及直眼掏槽、楔形掏槽的优缺点和作业队伍的钻爆技术水平的基础上， 并考虑到掏槽效果对于光面爆破效果的影响，最后确定选择楔形掏槽技术。

      楔形掏槽适用于减震爆破，一般用3～4 对单“V”型或双“V”型掏槽眼。掏槽眼比其它炮眼加深15～20 cm，装药量增加 15%～20%。 由于安-侨区间硬岩段施工的特殊性，减震成为施工中的重中之重，在施工过程中对传统的楔形掏槽进行了改进，严格按照“浅孔、密布、弱爆”的原则进行布置。

      （1）周边炮眼也称光面眼，其沿设计开挖轮廊线布置，应以 3％～5％的斜率外插，并根据不同的炮眼深度，适当调整斜率，保证眼底不超出开挖断面轮廓线10 cm。

      （2）当开挖面不整齐时，应按照实际情况调整炮眼深度及装药量， 要力求所有炮眼眼底在同一垂直面上。

      （3）周边眼均应堵塞炮泥，堵塞长度一般不宜小于20 cm。

      （4）周边眼以一次同时起爆为宜，起爆的孔数应根据地质条件确定。 由于安-侨区间对震速控制要求非常严格，上台阶周边眼安排两种雷管段位，以减小震动。

      由于震速取决于最大段装药量， 而掏槽眼一般装药量又最大，所以如何安排掏槽眼的装药量，以及整个雷管段位的分布就极其重要。安-侨区间爆破之初， 采用的是三对斜眼掏槽， 装药量为每孔 0.6kg，掏槽眼装药量为 3.6 kg；雷管使用的段位为 1、3、5、7、9、11、13。 现场测得的爆破震速最大的达到了7.0 cm/s，而设计要求最大爆破震速为 2.0cm/s，为了将震速降下来，进行了以下改进：掏槽眼由原来的三对掏槽眼改成五对，分成两级掏槽，也就是小掏槽配合大掏槽眼。

      炮孔布置如图3、图 4 所示。

      孔深、雷管段位、装药量：

      1 号孔孔深 1.8 m，雷管段位为 1 段 ，每孔装药量为0.5 kg；3、5 号孔孔深 1.6 m，3 号孔雷管段位为3 段（每孔装药量为 0.6 kg），5 号孔雷管段位为 5 段（每孔装药量为0.6 kg）。 其中， 最大段装药量为 5段，装药量为 2.4 kg。

      通过施工的不断优化， 最后爆破震速能控制在2 cm/s，且每循环掘进能保证 1.2 m 的进尺。

      爆破作业必须按照爆破设计进行钻眼。 钻眼前应给出开挖断面中线、水平，按 5 寸台阶尺寸法确定开挖轮廊线，并根据钻爆设计标出炮眼位置，经检查符合设计要求后方可钻眼。 钻眼应符合下列要求：

      （1）采用湿式钻孔法，钻孔前应将作业面清现实底。

      （2）掏槽眼深度、角度按设计施工，眼口间距误差和眼底间距误差不得大于5 cm。

      （3）辅助眼深度、角度按设计施工，眼口排距、行距误差均不得大于10 cm。

      （4）周边眼开眼位置在设计断面轮廊线上，间距允许误差为5 cm，外斜率不大于孔深 3%～5%，眼底不得超出开挖断面轮廊线10 cm。

      （5）周边眼至内圈炮眼的排距误差不得大于5 cm。

      （6）除掏槽眼外所有炮眼眼底需在同一垂直面上。

      （7）钻眼完毕经检查合格后方可装药爆破。（5）周边眼至内圈炮眼的排距误差不得大于5 cm。

      （6）除掏槽眼外所有炮眼眼底需在同一垂直面上。

      （7）钻眼完毕经检查合格后方可装药爆破。