小断面隧道三臂凿岩机直眼掏槽光面爆破技术及其应用
０ 引言
由于钻爆法具有高效、经济的优点，是当前国内外隧道开挖主要施工方法。然而传统的钻爆法施工仍大规模使用人工手持风动凿岩工具钻孔，并且需要钻凿多排掏槽孔，存在作业效率低、资源投入大、安全隐患多等工程实际问题。因此，在传统钻爆法施工工艺的基础上，需在新工艺、新技术等方面做进一步的探索，以满足隧道高标准的建设要求和所面临的技术难题。
国内外诸多学者对隧道爆破施工进行了大量的研究工作。在爆破参数设计方面，刘国强等采用有限元软件进行数值分析，提出一种针对岩溶隧道爆破优化方法；徐帮树等依托蟠龙山隧道，优化了隧道开挖的光面爆破参数、掏槽孔布设方案和最大单孔装药量参数；黄尘等以铜陵冬瓜山铜矿采场爆破为研究对象，对１２组不同爆破参数进行模拟优化试验，得出了最优爆破参数。在掏槽爆破技术方面，汪平开展了单空孔直眼掏槽爆破、三空孔直眼掏槽爆破及改进共３种方案的现场爆破效果对比试验，并提出掏槽爆破质量控制措施；黄宝龙设计了大直径中空直眼掏槽爆破方案，采用该技术减少了钻孔数量和循环次数；范军平等分析了大直径空孔直眼掏槽破岩机理，指出大直径空孔直眼掏槽由于空孔提供的自由面较大，可减少爆破振动危害。
与传统人工钻孔相比，凿岩机的应用在钻孔精度、作业效率、能耗等方面都有明显的改善。杨年华指出当前国内隧道钻爆作业的共性问题只能依靠高效率凿岩台车钻孔以及地下专用炸药混装车装药解决；金明介绍了风钻钻爆及凿岩台车钻爆在施工应用方面的制约因素；蒋波结合现场施工条件着重对凿岩台车施工技术展开探讨，阐述了具体应用要点与所采取的措施。
综上所述，国内外学者对光面爆破进行了较多的研究，取得了较大的发展和进步，但对于小断面隧道如何更好实现机械化施工方面仍存在的问题有待进一步解决。本文以某铁路隧道平行导洞为例，针对三臂凿岩机在隧道内由于空间的限制无法实现斜眼掏槽及爆破后通风时间长等问题，提出三臂凿岩机直眼掏槽光面爆破技术，并进行爆破参数设计研究与应用。通过现场试验进行验证，取得了较好的爆破效果，为今后铁路隧道辅助坑道采用凿岩机施工提供一定的参考。
１ 工程概况
某隧道进口平行导坑ＰＤＫ７７３＋２５５～ＰＤＫ７７３＋２８４段，设计围岩等级为Ⅳ级，断面尺寸为６.５ｍ（宽）×６.５ｍ（高），断面面积４４.５ｍ²，如图１所示。支护类型为Ⅳ级围岩普通段喷锚衬砌。现场地质调查显示该平导基岩地层主要为石灰岩、白云岩、砂岩。
２ ＣＹＴ１５－３型凿岩机
本项目钻孔设备采用由中铁二十局集团有限公司高原隧道施工技术及装备研发中心自行研发的ＣＹＴ１５－３型凿岩机，机身小于市场同型号装备约２ｍ。推进梁长６.５ｍ，钻孔直径４３～８０ｍｍ，钻孔深度５.０ｍ，最大覆盖面积１４０ｍ²，推进梁橡胶顶盘距离岩壁４ｃｍ（一般钻机７.５ｃｍ、风枪５ｃｍ），可解决外插角度大的问题，实现钻眼装药一体化，可满足炮孔、地质探孔、中空孔等钻凿要求（见图２）。
３ 爆破参数设计
３．１ 单位炸药消耗量
根据Ｐｏｋｒｏｖｓｋｙ提出的经验公式计算炸药单耗：
式中：ｑ为修正单位炸药消耗量（ｋｇ／ｍ³）；ｑ１为未修正单位炸药消耗量（ｋｇ／ｍ³）；ｅ为炸药换算系数；ｆ为岩石结构系数；ｋｃｏｎｓ为自由面系数，只有一个自由面时按式（２）确定：
式中：Ｓ为隧道爆破断面面积（ｍ²）。
经计算，单位炸药消耗量ｑ＝１.６ｋｇ／ｍ³。
３．２ 炮孔数量
工作面上的炮孔数量可用式（３）进行估算：
式中：Ｎ为炮孔数量，不包括未装药的空孔数量；α为装药系数；γ为药卷的炸药质量（ｋｇ／ｍ）。
经计算，炮孔数量Ｎ＝１４８.３个，取炮孔数量Ｎ＝１５０个。另外，还需布置８个大直径中空孔，共１５８个炮孔。
３．３ 装药量
首先计算出一个循环的装药量，然后按各种类型炮眼的爆破特性进行分配。装药量按照式（４）计算：
式中：Ｑ为一个爆破循环的总装药量（ｋｇ）；ｌ为设计循环进尺（ｍ）。
经计算，装药量Ｑ＝２１３.６ｋｇ，取Ｑ＝２１６ｋｇ。
３．４ 掏槽孔参数
考虑地质情况、断面宽度、凿岩台车推进梁尺寸等条件，本工程采用大直径中空孔配合多级复合式楔形掏槽。两组大直径中空孔布置在隧道断面对称轴上，相距１５０ｃｍ，其中最下方一个中空孔距离底板孔１００ｃｍ，每组内两个中空孔相距２０ｃｍ，中空孔两侧２０ｃｍ各设置一列小直径中空孔。两组大直径中空孔两侧１５０ｃｍ处设置多级复合式楔形掏槽孔，掏槽孔角度依次取７６°、８０°、８４°、８８°，长度分别为３１０、３０５、３０２、３００ｃｍ，孔底距取７３ｃｍ，上、下掏槽孔间距由岩性决定，取４５ｃｍ，最下方掏槽孔距离底板孔５０ｃｍ。
３．５ 辅助孔和崩落孔参数
辅助孔和崩落孔均匀布置在掏槽孔周围，炮孔孔距及排距主要取决于岩石的单轴抗压强度、节理裂隙发育程度，以及前期的施工参数。综合以上因素，辅助孔和崩落孔孔距取８０～９０ｃｍ，断面上部崩落孔排距取５０ｃｍ。
３．６ 周边孔参数
周边孔因线装药密度较低，布置在隧道开挖边界上，周边孔孔距可根据Ｌａｎｇｅｆｏｒｓ给出的经验公式确定：
式中：Ｅ为周边孔孔距（ｍｍ）；ｄｂ为装药直径（ｍｍ）。
经计算，Ｅ＝４４.８ｃｍ，取４５ｃｍ。孔底位于开挖边界外约１０ｃｍ，最小抵抗线值取５０ｃｍ。
３．７ 底板孔参数
底板孔在隧道开挖断面底部，在爆破时有大量岩石覆盖，因此应适当加大底板孔的装药量。底板孔设计长度为３２０ｃｍ，孔距为８０ｃｍ。根据对初期支护和二次衬砌厚度施工误差的要求，周边孔、底板孔的孔口及孔底均需控制在设计轮廓线外５ｃｍ的连线上，同时炮孔外插角还应按照３.３％的斜率向外进行设置，以达到较好的超欠挖控制效果。
４ 工程应用
针对影响爆破的主要参数，在初步设计的基础上，对爆破方案实施具体细化工作，包括炮孔布置、装药结构、起爆网络等，以获得较为理想的爆破效果。
４．１ 炮孔布置与爆破参数
结合工程施工经验对计算得到的爆破参数进行微调后，形成炮孔布置图与爆破参数表，如图３和表１所示。
设计循环开挖进尺３ｍ，每循环炮孔１５８个，其中大直径中空孔８个，直径８０ｍｍ；装药炮孔共计１５０个，直径均为４２ｍｍ。周边孔孔距为０.４５ｍ，辅助孔孔距为０.８ｍ，崩落孔孔排距０.８ｍ×０.５ｍ，底板孔孔距０.８ｍ。钻孔总延米５７２.６４ｍ，合计装药量２１６ｋｇ，炸药单耗１.６ｋｇ／ｍ³。中空孔布置及现场钻孔施工如图４所示。
４．２ 装药结构
爆破作业采用导爆管传爆，起爆雷管均装在炸药底部反向起爆。周边孔采用间隔装药的形式，除周边孔之外的装药炮孔均采用连续装药形式。同时为减少爆破能量损失，中空孔尾部用锚固剂堵塞，堵塞长度不小于２０ｃｍ；其余装药炮孔均用水袋进行堵塞。具体装药结构如图５所示。
４．３ 起爆网络
各装药炮孔采用非电毫秒雷管微差起爆技术，以控制单段雷管的起爆药量和起爆时间。起爆顺序从截面中心中空孔附近装药孔开始，然后由两侧掏槽孔向外逐段进行爆破，最后是周边孔起爆，具体段号见表１。
５ 效果分析
５．１ 技术效果分析
本工程实施上述爆破方案后，连续进行１８次循环爆破试验，如图６所示。爆破单循环进尺达到２.８～３.０ｍ，炮孔利用率为９３％～９６％；开挖轮廓面上的孔痕率达９５％以上，壁面平整光滑，爆破循环之间未出现明显“错台”现象，周边孔孔底大多位于开挖边界外０.１５～０.２２ｍ，平均线性超挖值在１５ｃｍ左右。另外初期支护与掌子面相隔一段距离，不仅为炮孔钻孔创造了足够空间，且初期支护能集中施作，使得施工效率得到大幅提高。
５．２ 经济效果分析
在开挖断面面积、炮眼布置和钻孔深度相同的前提下，人工与凿岩机钻孔各作业工序时间统计与每循环综合费用统计如表２、表３所示。
根据表２、表３两种钻孔作业方式统计数据可知，传统人工钻孔每循环爆破掘进作业完成合计时长为６.５ｈ，凿岩机钻孔合计时长为８.１ｈ。人工手持风钻钻孔需２ｈ，需要人工１５人；而凿岩机钻孔需人工１０人，虽然相较于人工钻孔时间增加２ｈ，但可减少人工５人，对处于复杂环境下小断面隧道施工具有重要意义。另一方面，由于水袋中的水能很好地吸收有害气体和粉尘，可减少爆破后通风时间０.４ｈ。在成本费用方面，人工钻孔每循环爆破掘进作业合计成本约０.６５２万元，凿岩机钻孔作业合计成本约０.４９５万元，较人工钻孔作业每循环可节约成本约０.１５７万元。
６ 结论
（１）采用直眼掏槽水压光面爆破技术开挖隧道轮廓壁面平整光滑，爆破循环间未出现明显“错台”现象，有效控制了围岩的超欠挖，实现了凿岩机在小断面隧道采用全断面或微台阶法机械化施工。
（２）直眼掏槽水压爆破技术相较于传统爆破技术不仅能提高炸药的利用率，还能降低粉尘对隧道内环境的污染，每循环节约通风时间０.４ｈ；同时由于凿岩机的投入使用，钻孔作业可减少人工５人，每循环合计节约成本约０.１５７万元。
（３）在现有试验数据基础上，基于岩石爆破理论并结合工程实际情况，可对爆破参数与施工组织进行优化，提升操作手作业水平，进一步缩短钻孔时间，达到提升工效、节约成本的目的。