我国铁路隧道爆破技术现状及趋势
截至２０２３年底，中国铁路营业里程已达１５.９万ｋｍ。其中，投入运营的铁路隧道１８５７３座，总长２３５０８ｋｍ。在建铁路隧道２６６８座，总长约７１１０ｋｍ。规划铁路隧道５４６０座，总长约１３３１３ｋｍ。从以上数据不难看出，我国建成、在建和规划的铁路隧道建设规模是巨大的。在铁路隧道建设过程中，针对岩石隧道，钻爆法具有灵活性大、适应性广、可靠性强、经济性好的优点，是我国铁路隧道建设最常用的方法。用钻爆法修建隧道，爆破开挖是建设隧道的第一道工序，其成败直接影响到围岩的稳定以及后续工序的正常进行。可以说钻爆法修建隧道的施工速度，机械化水平，乃至工程质量都与爆破技术息息相关。
长期以来，随着我国铁路建设的飞速发展，隧道爆破技术得到了长足进步。尤其是近年来，我国铁路正朝着西南部地区快速延伸，一些重大铁路正在加快建设，这些地区的施工条件相对恶劣艰苦，“少人化、无人化”施工模式已成为隧道建设工程的客观要求，因此，隧道爆破也正朝着机械化施工方向快速发展。
通过总结和梳理铁路隧道爆破技术发展历程，并从钻孔设备、装药设备、地质信息获取、智能设计软件和爆破技术几个方面阐述了铁路隧道爆破发展现状，现场施工现状表明我国铁路隧道爆破正朝着精细化、机械化和智能化方向发展。
１ 铁路隧道爆破技术发展历程
自新中国成立以来，我国隧道工程爆破技术的发展历程大致可分为４个阶段。
１）起步阶段（１９４９～１９６０年）：该阶段我国虽然已经掌握隧道爆破技术，但技术非常落后，没有专门的钻孔工具，只能靠工人用钢钎打孔，炸药的品种也比较单一，有些地方使用黑火药，不能保证施工人员的安全，隧道爆破效率极为低下。
２）发展阶段（１９６１～２０００年）：随着铁路隧道的大量修建，隧道爆破技术在该阶段得到了飞速发展。手持式、气腿式等各类凿岩机具相继问世，有了专业的钻孔设备，凿岩速度大大提高，尤其在２０世纪８０年代，我国修建衡广铁路复线大瑶山隧道时，从国外引进全液压钻孔台车，实现了隧道爆破钻孔机械化。爆破器材种类繁多，乳化炸药、浆状炸药、水胶炸药可以满足不同岩石条件的爆破；火雷管、电雷管、导爆管雷管也完成了相应迭代，起爆器材更加安全。研发的直孔掏槽、斜孔掏槽、中空直孔掏槽等掏槽技术可以满足不同面积的断面开挖，这些掏槽技术可使炮孔利用率提高到９５％以上，大大提高了隧道的建设速度，在９０年代修建秦岭隧道时，曾创造了月进尺４６５ｍ的国内最高记录。与此同时，隧道光面爆破技术也在国内开展了试验与应用，确定了光面爆破的主要参数和设计方法，并在许多隧道建设中取得了良好的光爆效果。这些均表明当时我国的隧道爆破技术已经达到了国际先进水平。
３）缓滞阶段（２００１～２０２０年）：该阶段隧道建设量庞大，但由于受施工单位承包模式和管理体制的影响，隧道爆破技术发展缓慢，有些隧道不但没有发展，甚至出现了倒退现象。隧道爆破普遍采用手风钻钻孔，人工装填炸药，单一的楔形掏槽形式，很多��道也不再采用光面爆破技术，造成隧道轮廓面不平整，超挖严重。
４）飞跃阶段（２０２１年至今）：在“精细爆破”、“智能爆破”理念的倡导下，隧道爆破正朝着精细化、机械化、智能化方向发展。隧道钻孔、装药机械设备及乳化炸药现场混装技术已开始试验应用；工业电子雷管等先进的爆破器材已开始推广；隧道爆破设计软件也在不断涌现。这些必将带动隧道爆破技术发生质的飞跃。
２ 铁路隧道爆破技术发展现状
２．１ 钻孔设备
２０１０年以前，隧道爆破普遍采用手风钻钻孔，很少采用凿岩台车。但近十年来，凿岩台车国产化程度越来越高，进口凿岩台车设备大幅降价，我国许多工程施工单位陆续引进凿岩台车在铁路隧道爆破钻孔中应用，诸如在京张高铁、拉林铁路等铁路隧道建设中都使用了凿岩台车，尤其在一些重大铁路建设中，已开始全面使用凿岩台车（见图１）。
目前，我国铁路隧道使用的凿岩台车主要有２种：液压凿岩台车和全电脑凿岩台车。液压凿岩台车由操作人员控制钻臂调整钻孔位置及角度进行钻孔；全电脑凿岩台车由操作人员根据电脑屏幕上显示的钻孔图的位置和角度完成钻孔。液压凿岩台车施工前首先要进行炮孔位置测量定位，在隧道掌子面定位几个关键炮孔的位置，其余炮孔的角度、深度以及位置依靠操作手现场调节控制，隧道施工超欠挖受人为因素影响较大。全电脑凿岩台车所有炮孔的钻孔参数由技术人员在绘制爆破图时确定，台车操作人员严格按照技术人员提供的爆破图控制凿岩台车执行钻孔任务（见图２），由操作人员或电脑根据炮孔图找准炮孔位置并调整好钻孔角度即可进行钻孔，炮孔位置及钻孔角度受人为干扰因素小，容易获得较为精准的炮孔。全电脑凿岩台车更易保证钻孔质量，代表了凿岩台车先进的发展方向。
采用��电脑凿岩台车钻孔有着显著的优点：①布孔效率高，钻孔布置图形可以快速获取；②凿岩速度快、效率高，且能保证钻孔质量；③改善了钻孔工作环境，噪音低；④节省劳动力，降低工作强度，有利于安全生产；⑤能源消耗低，与其他设备形成配套，经济效益好。但目前也存在一些问题，诸如：与楔形掏槽形式匹配性差、钻凿斜孔精度难于保证、推进梁厚度影响光爆孔外插角角度、操作钻机的技术工人缺乏且技术水平落后等，这些都需要进一步改进。
２．２ 装药设备
长期以来，隧道爆破一直是人工装填炸药，但近几年正朝着机械化装药方向发展。目前铁路隧道中已开展了机械化装药试验，总结起来，实现隧道机械化装药途径主要有以下２种。
１）现场混装乳化炸药技术。工业炸药现场混装技术是集半成品制备、远程配送、现场混药、装填爆破于一体的新型爆破作业方式，主要包括地面半成品制备站、乳化基质远程配送、现场机械化装药等几个环节。近些年来，我国在乳化基质远程配送、乳化基质细长管输送、小直径软化炸药现场敏化、炮孔装填等方面已经取得了突破，现场混装乳化炸药技术已开始在铁路隧道中试验应用（见图３）。在爆破现场，将乳化基质泵送到混装车的料仓内，在隧道掌子面前进行混装车定位、多机械臂分区装药填塞、起爆网路联接等工序，完成爆破现场炸药敏化和装填。
虽然现场混装乳化炸药技术已比较成熟，且具有本质安全、节约成本、炸药密度可调、绿色环保等优点，但由于受管理政策的影响，该技术目前尚难以普及推广。
２）散装乳化炸药机械化装药技术。散装乳化炸药机械化装药技术是利用装药台车将无雷管感度的散装乳化炸药、增稠剂和润滑剂装入炮孔，再用雷管和起爆药包引爆散装炸药。该技术的优点是装药密度实时调节，能够满足掌子面不同炮孔的装药需求，可提高爆破质量；台车的重载伸缩臂装药平台使装药器与炮孔贴近，并采用伺服系统输送散装炸药、增稠剂和润滑剂，输送阻力小，输送速度快，精度高；新能源动力电池驱动车辆行驶及各部分动作，节能环保。该技术能够满足隧道机械化装药的需求，有效减少了隧道装药人员，已在隧道爆破中试验应用（见图４）。
另外值得一提的是，虽然有些科研单位在研发卷装乳化炸药机械化装药技术与装备，但目前还未在隧道爆破装药中使用。
２．３ 地质信息获取技术
工程地质信息是隧道爆破设计及安全施工的基础素材。早期通过地质勘察来获得隧道工程地质信息。地质勘察的方法包括物探、钻探和坑探等，主要用来查明地下岩土的性质、分布及地下水等条件，并利用勘探工程取样和进行原位测试及监测。根据地质勘察设计资料可以获得隧道的基本地质信息，但由于隧道是很长的线性体，注定通过地质勘察资料获得的地质信息是粗线条的，而隧道开挖是按一定进尺多循环的重复爆破，为获得理想的爆破效果，每个循环爆破设计都需要掌握精确的围岩信息。目前获得详尽地质信息的方法主要有以下几种：
１）超前地质预报。隧道超前地质预报是利用钻探和现代物探等方法，探测隧道开挖面前方的地质情况，力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态，地下水、瓦斯等的赋存情况以及地应力情况等地质信息的一种手段。隧道超前地质预报可为优化爆破方案和指导施工提供依据。
２）掌子面地质素描。地质素描工作是在施工现场直接观测各种地质现象，以文字、图表、照片以及实物方式收集起来，经综合归纳整理，编制为生产所需的地质资料的全部过程。掌子面素描能够直接描述隧道开挖揭示的地质情况（见图５），在铁路隧道工程中一般为必选项。随着其他学科的技术进步，基于图像处理和识别技术的掌子面智能素描系统被开发并逐渐在隧道中应用。该技术是基于隧道掌子面围岩图像，利用图像处理及智能解析方法，获取隧道掌子面围岩岩性、风化程度、岩石坚硬程度、结构面参数、岩体完整性程度、主要软弱结构面产状的多元地质信息。基于多元地质信息可对隧道掌子面爆破分区，实现精细化爆破设计。
３）随钻岩性识别。随钻岩性识别是钻机钻进过程中实时区分各项岩石属性的特定过程。在我国铁路隧道掘进工程中，随着全电脑凿岩台车的发展，随钻岩性识别技术也逐渐试验应用。目前国产台车已经实现了随钻测量钻孔压力、钻孔速度、钻杆旋转速度等参数实时获取，通过随钻测量ＭＷＤ（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ-Ｗｈｉｌｅ-Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）软件分析掌子面前方岩石软硬程度，判断前方有无水体、溶洞、断层、裂隙等。
２．４ 智能设计软件
隧道掘进爆破设计是一个复杂、系统的工程，涉及到地质勘察、炸药选择、爆破方案制定等多个环节。随着隧道施工要求的不断提高，传统的手工设计方式已经无法满足现代工程的需求。为了提高隧道爆破设计效率和精度，智能设计软件系统为行业带来了新的突破口。为此，国内许多高校和科研院所积极开发了隧道爆破智能设计软件系统。目前这些软件能够在获得多元地质信息、隧道断面形状尺寸及方向、爆破器材参数、周边环境安全要求、钻孔机械参数等基础资料的基础上，综合考虑钻爆作业预期效果、工程地质、爆破器材、爆破振动控制、光面爆破要求、上一循环钻爆效果等因素，自动完成钻孔、起爆网路和装药设计。并能根据采集的爆堆形态、爆破块度、循环进尺、半孔率、平整度及围岩破坏等指标以及爆破振动强度分布数据，指导下一循环钻爆优化设计。有些单位还将爆破设计软件网络化，形成了爆破智能设计云平台。
智能设计软件系统能够利用先进的技术手段，对隧道地质信息进行高效处理，并根据施工要求进行自动化设计，大大提高了设计效率和精度。将隧道钻爆智能化设计系统等相关技术应用于隧道掘进工程中，可显著减少围岩超欠挖量，提高掘进爆破进尺率，同时减少爆破作用对隧道周边围岩的损伤破坏，从而减少围岩支护工程量，降低隧道工程成本。
２．５ 爆破技术
近些年来，隧道爆破技术也有很多发展。在光面爆破方面：通过采用“长短孔组合”方式有效解决了凿岩台车钻孔条件下隧道爆破超挖严重的问题；采用“水压光面爆破”技术改进了不耦合间隔装药结构，提高了装药效率；采用聚能管罩取代了导爆索，实现了无导爆索间隔传爆方式；爆后超欠挖数据可通过三维激光扫描仪快速扫描获得，为优化爆破参数提供依据（见图６）。在爆破振动控制方面：工业电子雷管已在隧道爆破中推广应用，由于工业电子雷管具有高精度的延时，爆破后岩体破碎质量好，爆堆集中，便于铲装挖运；同时，采用工业电子雷管爆破，方便设置毫秒延时起爆网路或逐孔起爆网路，可有效控制爆破振动，对减少围岩扰动、降低围岩损伤有很大帮助，尤其是软弱围岩和一些复杂环境下的隧道爆破。在填塞方面：由于缺乏填塞材料，隧道爆破往往采用无填塞爆破，为此，许多单位研制了各种炮孔填塞材料，如单组分聚氨酯炮泥、玻璃纤维炮泥、速凝炮泥等，并基于此研发了炮孔机械化填塞设备，这些都对实现隧道炮孔填塞提供了一定的条件。
３ 隧道爆破技术发展趋势
１）机械设备方面。随着国家重点建设工程需要以及在国家部委提出的“机械化换人、自动化减人”工程施工指导思想下，我国隧道爆破施工正朝着机械化方向迈进。目前，凿岩台车、装药台车和填塞设备都已在现场成功试用，下一步随着各种机械化设备的不断完善和机械化施工工艺的不断优化，隧道钻爆机械化施工将会得到推广应用。
２）爆破器材方面。无论是现场混装乳化炸药技术还是装填散装乳化炸药技术，都可实现炸药密度实时可调，这对适应不同岩石性质、不同作用类型的炮孔装药是非常有益的。炸药密度实时调节技术不仅可以提升爆破效果，还可以解决目前炸药品种相对��一的问题。工业电子雷管已开始普及推广，“无线雷管”也在试验研制，未来无线雷管的成功应用将对实现机械自动化装药具有重要意义。
３）地质信息获取方面。隧道围岩地质信息的精准获取是实现精细化爆破的前提条件，随着凿岩台车随钻参数的精准获取、基于图像处理和识别技术的掌子面智能素描系统的不断发展，隧道围岩地质信息的提前预知将会越来越准确。
４）智能设计软件方面。以人工智能、大数据分析技术为基础开发的隧道爆破智能设计软件系统能够实现爆破参数的智能设计和优化。隧道爆破智能设计软件系统根据接收到的多元地质信息进行精确设计，并与凿岩台车和装药台车设备对接，指导完成钻孔、装药作业，再通过激光扫描、计算机视觉识别等先进的量测技术快速获得爆破效果并及时反馈，从而实现爆破参数的智能优化。
５）爆破技术方面。与机械化、智能化施工相配套，“中空孔直孔掏槽”“一次成孔、间隔装药、立体延时、精准起爆”等长进尺爆破方法开始试验；聚能管罩光面爆破、工业电子雷管微损伤爆破等技术对控制隧道超欠挖具有显著效果；尤其在一些特殊的高能地质环境中，工业电子雷管微振爆破技术对控制硬岩岩爆的发生和软岩隧道轮廓面成型具有积极作用。这些爆破方法的研究与探索都将进一步推动隧道爆破技术的发展。
４ 结语
在大数据分析技术、人工智能高速发展的今天，我国隧道爆破技术的信息化发展还是相对落后的。这主要是由于隧道施工环境的恶劣性及隧道地质条件的复杂性，使得隧道爆破智能化发展之路十分艰巨。但目前隧道爆破机械化施工已经可以实现，随着多元地质信息的精确获取、隧道爆破智能设计系统的不断优化以及智能钻爆设备和爆破器材的不断涌现，隧道智能爆破必将实现。