隧洞开挖光面爆破装药结构的改进与应用

杨玉银， 陈长贵， 黄 浩， 黄 勇， 刘志辉， 张健鹏， 张永强， 廖志华

(中国水利水电第五工程局有限公司， 成都 610066)



隧洞开挖光面爆破装药结构的改进与应用

杨玉银， 陈长贵， 黄 浩， 黄 勇， 刘志辉， 张健鹏， 张永强， 廖志华

(中国水利水电第五工程局有限公司， 成都 610066)

为了解决乌干达卡鲁玛尾水隧洞光面爆破施工中，无专用光爆细药卷(φ20 ～22mm)，且竹片难于买到，无法绑扎光爆药串等问题，在8#、9#、10#支洞及主洞开挖爆破施工中做了一系列光面爆破装药结构改进实验。采用(φ25 ～32mm)常规药卷，在其未与导爆索绑扎的条件下，导爆索成功起爆了光爆孔内按设计线装药密度装入的间隔装药，且取得了理想的光爆效果。实验及应用情况表明：在φ42mm光爆孔内，导爆索与一定间距(>50cm)的间隔装药在孔内自由分布、未绑扎的条件下，导爆索完全能够起爆孔内的间隔装药，这就简化了传统的光爆药串加工工艺，改变了隧洞开挖中传统的光爆孔内装药结构。

隧洞； 开挖； 光面爆破； 装药结构； 间隔装药； 导爆索

1　问题的提出

在隧洞开挖爆破施工中，光面爆破已经成了世界公认的、必然的选择。光面爆破的装药结构及线装药密度的控制成了光面爆破的关键技术。目前，《国内水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》(DL/T5099-2011)〔1〕建议的光面爆破线装药密度在70 ～350g/m，各类围岩的实际应用证明，这一建议值是非常合理的。如何针对不同硬度、不同类别的围岩确定合理的线装药密度就成了光面爆破的技术核心。目前主要有三种方法：①采用低密度的细药卷连续装药，药卷直径φ20 ～22mm；②把导爆索敷设在竹片上，将常规药卷按照设计间距采用胶布绑扎在竹片上制成光爆药串，药卷直径φ25～32mm；③采用一只非电毫秒雷管引爆装入孔底的φ32mm加强装药，利用炸药的殉爆距离，由内向外逐节引爆、传爆光爆孔内正常装药段的φ25mm间隔药卷〔2〕，正常装药段相邻两只药卷间隔长度8 ～14cm。由于乌干达卡鲁玛项目位于东非不发达国家，本国不生产炸药，必须从中国或印度进口。在国内和其他国家均未能采购到低密度φ20 ～22mm专用光爆细药卷，如果采用φ25mm药卷连续装药，其线装药密度将>500g/m，无法满足光面爆破要求；在当地没有制作光爆药串用的竹片，依靠进口，成本会很高，并且临时采购也来不及；采用一只雷管引爆、传爆孔内间隔装药的方法需要围岩硬度较高、完整性较好，受炸药殉爆距离限制，炸药间隔长度最大14cm，其线装药密度一般≥300g/m，主要适用于坚硬岩石，对中硬岩、软岩及完整性较差岩石不适用，不具有普遍性。为了解决这一技术难题，在乌干达卡鲁玛尾水隧洞的三条施工支洞及主洞开挖施工中，进行了一系列光面爆破装药结构实验。

2　改进思路及可能存在的问题

2.1改进思路

①采用最易购买的导爆索及常规的φ25 ～32mm乳化炸药作为光面爆破的基本爆破器材。②将导爆索插入一只φ25mm或φ32mm乳化炸药(约100 ～250g)，用炮棍直接推入孔底，作为孔底加强装药；将经过加工的φ25mm或φ32mm乳化炸药(每节约100g)，按照设计线装药密度确定的装药间隔，用炮棍逐节推入孔内预定位置。③周边光爆孔孔外采用导爆索连接，尽可能确保光爆孔同时起爆。④减小周边光爆孔孔口填塞长度，采用炸药纸壳箱或炸药内包装纸、塑料等柔性材料填塞。

2.2可能存在的问题

光爆孔的钻孔直径一般为φ42mm，而优先选用的是φ25mm的乳化炸药，导爆索直径一般≤6mm〔3〕，且导爆索与炸药之间未经过绑扎，均处于自由状态，个别炸药与导爆索间可能存在10mm左右的距离，有可能会造成个别炸药拒爆，从而影响光爆的效果。

3　改进的基本装药结构

根据装药结构改进思路，确定采用图1所示的基本装药结构，并通过爆破实验进行验证。

L-光爆孔钻孔深度；L1-孔底加强装药段长度；L2-正常装药段长度；L3-孔口填塞长度；d1-正常装药间隔距离；d2-正常装药段单节药卷长度；d-炮棍上控制装药间隔的标尺长度，d=d1+d2图1　装药结构示意图Fig.1　Schematic diagram of explosive charging structure

4　爆破实验

4.1工程概况

卡鲁玛水电站尾水隧洞工程位于乌干达境内的卡尔扬东哥地区卡鲁玛村。尾水隧洞共两条：1#尾水洞长8 697.005m、2#尾水洞长8 601.125m，开挖断面呈平底马蹄形，宽13.60 ～14.8m，高13.45 ～15.05m，围岩主要为花岗片麻岩，II～III类围岩为主，极少量IV～V类围岩。

尾水隧洞布置有8#、9#、10#三条施工支洞。8#施工支洞与2#尾水洞相交于TRT(2)2+735.764，全长1 167.52m，底板坡度9.5%；9#施工支洞与2#尾水洞相交于TRT(2)5+463.571，全长732.68m，底板坡度10.42%；10#施工支洞与2#尾水洞相交于TRT(2)8+436.623，全长415.32m，底板坡度11.58%。三条支洞开挖断面除洞口段少量(30 ～70m)V类围岩呈马蹄形，宽10.64m，高9.40m外；其余洞段为II～IV类围岩，开挖断面均呈城门洞形，宽8.16 ～8.44m，高7.38 ～7.52m。施工支洞围岩主要为花岗片麻岩，II～III类围岩为主，少量IV～V类围岩。

4.2实验方案

尾水隧洞的8#、9#、10#三条施工支洞均不进行永久混凝土衬砌，只进行必要的锚、网、喷支护，但为了给主洞开挖提供合理的光面爆破参数，在三条施工支洞开挖施工中进行了大量光面爆破实验，从而为主洞开挖提供了合理的光面爆破装药结构及光爆参数。光面爆破装药结构实验分阶段分别在支洞和主洞进行。支洞的II、III、IV类围岩均采用全断面开挖；主洞以II、III类围岩为主，采用上下两部分部开挖，先开挖上部8.19m，爆破实验均在上部进行。爆破实验主要针对II、III、IV类围岩，V类围岩主要采用微量装药软岩光面爆破技术〔4〕, 实验方案及参数如表1所示。

各实验方案装药结构〔5-6〕如图2所示。

4.3爆破器材

爆破器材主要来自中国和印度公司，以中国公司为主，印度公司为辅。在不同阶段使用的爆破器材规格有所差异，具体规格如下：

表1　光面爆破装药结构实验方案

图2　光面爆破实验装药结构图Fig.2　Diagram of charging structure in smooth blasting experiment

①炸药：中国公司提供的φ32mm乳化炸药，有重300g、长30cm和重200g、长20cm两种规格；印度公司提供的φ32mm乳化炸药，重250g、长27cm；中国公司提供的φ25mm乳化炸药，有重150g、长26cm和重200g、长35cm两种规格。②导爆索：主要选用由中国公司提供的塑料导爆索〔3〕，药芯主要为太安，外观红色，直径5.0 ～5.4mm，装药量10g/m，爆速不小于6×103m/s。③雷管：孔内及网路连接主要选用由中国公司提供的MS1 ～MS12非电毫秒雷管，短缺时辅助选用印度公司提供的MS1 ～MS15非电毫秒雷管，但应注意其雷管段位及延时情况与中国标准不同；电雷管用于起爆整个非电毫秒雷管爆破网路，主要选用中国公司提供的8#普通工业电雷管。

4.4实验条件

①现场无法采购到绑扎光爆药串用的竹片等物品；没有φ20 ～22mm专用光爆细药卷。②炮孔直径≤42mm；隧洞属于平洞或倾斜度≤25°。③要求进一步提高钻孔质量，按设计要求保证孔位误差小于≤3cm；钻孔外偏角要求≤3.5°；尽可能提高相邻两孔的钻孔平行度，达到图3(b)所示水平,以提高光面爆破质量。④周边光爆孔网路连接均采用导爆索，以提高光爆孔起爆的同时性。⑤光爆孔钻孔完毕，装药前必须吹孔，将孔内岩粉和积水清理干净。

4.5装药方法

周边光爆孔装药情况如图3所示。

图3　周边光爆孔装药情况图Fig.3　Diagram of explosive charging in peripheral holes

①炸药加工：图3(a)为主洞光爆装药结构实验所用乳化炸药，孔底加强装药为印度公司生产的一只φ32mm乳化炸药，重250g、长27cm；正常装药段使用的炸药为中国公司生产的半只φ25mm乳化炸药，重100g、长17.5cm。②炮棍制作〔2，7〕：选用比设计钻孔深度长30cm左右、直径φ25 ～28mm的PVC管作为周边光爆孔专用炮棍，如图4所示。③装药过程：将导爆索插入孔底加强装药内，并将插入端朝向孔内，用炮棍将加强装药推入孔底，然后将正常装药段第一节药放入孔口，用炮棍将第一节药推入，直到“第一节药就位标记”到达孔口位置，即表明第一节药就位完毕；用同样方法将第二节、第三节……依次推入孔内就位，直到所有装药就位完毕。④孔口填塞：采用纸壳对孔口20 ～30cm段进行填塞，以轻堵为主。

L炮棍-炮棍总长度；L-光爆孔钻孔深度；L1-孔底加强装药段长度；L3-孔口填塞长度；L4-炮棍加长段； d-炮棍上控制装药间隔的标尺长度图4　装药炮棍示意图Fig.4　Schematic diagram of charging and tamping bar

4.6主要光爆参数及装药结构设计方法〔5-6〕

(1)爆破器材：炸药主要选用φ25 ～32mm乳化炸药；导爆索优先选用普通塑料导爆索〔3〕。

(2)光爆孔直径D：采用该装药结构，在未经爆破实验的情况下，钻孔直径不宜过大，一般取D=38 ～42 mm。

(3)钻孔深度L：可根据爆破设计需要选取，建议取1.5 ～4.5 m。

(4)光爆孔孔距E：根据卡鲁玛尾水隧洞爆破实验及应用情况，取E=(9～13)D，建议软岩取E=40 ～45 cm；中硬岩取E=45 ～50 cm；硬岩取E=50 ～55 cm。

(5)最小抵抗线(光爆层厚度)W：根据实验及应用情况，取W=(0.8～1.0)E。

(6)线装药密度q：根据围岩硬度情况，初次选取可按照规范〔1〕确定q：软岩70 ～120g/m；中硬岩200 ～300g/m；硬岩300 ～350g/m。根据多年隧洞爆破经验，建议软岩25 ～120g/m；中硬岩120 ～200g/m；硬岩150 ～250g/m。

(7)单孔装药量Q：Q=qL。

(8)孔底加强装药量Q1：软岩可选用φ25 mm乳化炸药，取Q1=100 ～150g；硬岩选用φ32 mm乳化炸药，建议中硬岩取Q1=150 ～200g，硬岩取Q1=200 ～250g。孔底加强装药相应长度为L1。

(9)正常装药段总药量Q2：Q2=Q-Q1。

(10)正常装药段单节装药重量G：主要选用φ25 ～32 mm乳化炸药，优先选用φ25 mm乳化炸药。通常将一整只乳化炸药切割成几节，正常装药段装药规格一般取G=100 g/节，其相应长度为d2。

(11)正常装药节数n：n=Q2/G，可按四舍五入原则取整数。

(12)填塞长度L3：周边光爆孔一般采用柔性材料轻堵，并且不宜过长，否则易出现孔口“挂帘”现象，建议取L3=20 ～35 cm。

(13)正常装药段长度L2：L2=L-L1-L3。

(14)炮棍正常装药间隔标尺长度d：d=L2/n。

(15)正常装药间隔距离d1：d1=d-d2。

(16)网路连接：为了保证周边光爆孔同时起爆，进一步提高光面爆破效果，周边光爆孔孔外统一采用导爆索连接，相应段位非电毫秒雷管起爆。

4.7实验结果

在卡鲁玛尾水隧洞的8#、9#、10#三条施工支洞及主洞开挖中，在没有竹片绑扎光爆药串和无专用光爆炸药的条件下，针对光面爆破的装药结构，按不同围岩类别，分阶段进行了装药结构改进爆破实验，均取得了较为满意的光爆效果，如图5所示。

图5　光爆效果Fig.5　Smooth blasting effect

光面爆破装药结构实验效果统计情况如表2所示。根据国内水工规范〔1〕：光面爆破的半孔率是炮孔残留半孔数与周边孔数之比的百分数，因此，表2中的半孔率统一按照这一方法计算。

5　结论

(1)针对乌干达卡鲁玛尾水隧洞开挖爆破施工中，绑扎光爆药串的竹片难于买到，没有专用光爆细药卷的实际情况， 在直径为φ42mm的周边光爆孔

表2　光爆效果统计

内，按照不同类别的围岩，进行了改变传统的光面爆破装药结构实验，爆破实验及实际应用表明：这种光面爆破装药结构的改进是非常成功的，在孔径为φ42mm的周边光爆孔内，使用导爆索完全可以起爆处于自由状态、未绑扎，按照设计间距分布的φ25 ～32mm间隔装药，并且稳定性较好，能满足光面爆破要求，成功地解决了在只有导爆索及常规药卷的条件下的光面爆破问题，改变了光面爆破传统的装药结构及装药方法，形成了一种新的光面爆破装药结构，使线装药密度的控制更加容易，装药方法更加简便。

(2) 使用条件。①光爆孔必须是水平孔或倾角较小，炸药能在孔内稳定放置，不产生滑动。②光爆孔直径要求≤42mm；孔深不宜大于4.5m。③孔外采用导爆索连炮，以确保周边光爆孔同时起爆。

(3) 注意事项。①每茬炮严格按照爆破设计布设周边孔，确保孔位开口的准确性，要求开孔偏差在3cm以内。②严格控制周边孔钻孔外偏角〔8〕，要求钻孔作业时钻机一直保持紧贴岩面钻进。③确保周边孔相邻两孔的钻孔平行度，如图3(b)所示；每一钻孔区域建议先钻一标准孔，将外径为φ25mm细钢管或钻杆插入孔内作为参照，相邻周边孔钻孔时，边钻孔边将细钢管或钻杆向标准孔内推进，随时保持正在钻孔的钻杆与标准孔内细钢管(或钻杆)平行。④严格按照爆破设计要求的装药结构和装药量进行装药，未经设计人员允许，不得随意增减药量。⑤根据围岩变化及光爆效果情况，及时调整光爆参数。

6　应用情况

截止2016年5月8日，尾水隧洞1#、2#主洞全线贯通，采用改进后的光面爆破装药结构，完成了8#、9#、10#三条施工支洞的II、III、IV类围岩开挖共计2 163m；通过三条施工支洞进入主洞，形成了10个开挖爆破作业面，完成了主洞开挖共计17 298.13m，所有开挖洞段光面爆破效果良好，主洞开挖光面爆破半孔率均在90%以上，开挖面规则、平整，体型良好，有效控制了隧洞超欠挖，根据测量数据统计，平均超挖在10cm以内，从而有效降低了开挖成本。

〔1〕 水工建筑物地下工程开挖施工技术规范DL/T5099-2011[S]. 北京：中国电力出版社，2011.

TechnicalspecificationforexcavationundergroundworksonhydraulicstructuresDL/T5099-2011[S].Beijing:ChinaPowerPress，2011.

〔2〕 杨玉银. 光面爆破孔内间隔装药传爆方法的改进与应用[J]. 工程爆破,2001,7(2):73-78.

YANGYu-yin.Improvementofdetonationpropagationofdeckedchargesinasmoothblastingholeanditsapplication[J].EngineeringBlasting, 2001,7(2):73-78.

〔3〕 普通导爆索GB9786-1999[S]. 北京:中国标准出版社,2004.

CommondetonatingcordGB9786-1999[S].Beijing:ChinaStandardsPress,2004.

〔4〕 杨玉银，陈长贵，黄浩，等. 微量装药软岩光面爆破技术在隧洞洞口开挖中的应用[J]. 工程爆破,2015,21(3):26-31.

YANGYu-yin，CHENChang-gui，HUANGHao，etal.Micro-chargingsoftrocksmoothblastingtechniqueapplicationintunnelportalexcavation[J].EngineeringBlasting,2015,21(3):26-31.

〔5〕 汪旭光. 爆破设计与施工[M]. 北京：冶金工业出版社，2011:322,360-363.

WANGXu-guang.Blastingdesignandconstruction

[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress，2011:322,360-363.

〔6〕 马洪琪，周宇，和孙文. 中国水利水电地下工程施工(上册)[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011:196-198.

MAHong-qi,ZHOUYu,HESun-wen,etal.Constructionofundergroundhydroworksinchina(Firstedition) [M].Beijing:ChinaWaterPowerPress，2011:196-198.

〔7〕 杨玉银. 隧洞开挖光面爆破新技术[C]// 汪旭光. 工程爆破文集(全国工程爆破学术会议论文集第七辑). 乌鲁木齐:新疆青少年出版社，2001:302-307.

YANGYu-yin.ANewtechniqueoftunnelexcavationbysmoothblastingwithintervalcharging[C]//WANGXu-guang.Collectionofengineeringblasting(Nationalengineeringblastingacademicconferencecollection7).Urumchi:XinjiangYouthPress, 2001:302-307.

〔8〕 杨玉银，蒋斌，刘春，等. 隧洞开挖爆破超挖控制技术研究[J]. 工程爆破,2013,19(4):21-24.

YANGYu-yin，JIANGBin，LIUChun，etal.Researchonoverbreakcontroltechnologyofblastingfortunnelexcavation[J].EngineeringBlasting,2013,19(4):21-24.

Improvementandapplicationofchargingstructureofsmoothblastingintunnelexcavation

YANGYu-yin，CHENChang-gui，HUANGHao，HUANGYong，LIUZhi-hui，ZHANGJian-peng，ZHANGYong-qiang，LIAOZhi-hua

(SinohydroBureau5Co.,Ltd.,Chengdu610066,China)

Therewasnospecialthincartridgeexplosives(φ20 ～22mm),bamboowasdifficulttobuyandthecartridgeexplosiveswerenotbindingtodetonatingfuseduringtheAdit-8,Adit-9,Adit-10tunnelconstructioninUgandaKarumaHPPTRTProject.Inordertosolvetheissues,aseriesofimprovementexperimentsofsmoothblastingchargingstructurewereconducted.Thenormalcartridgeexplosives(φ25 ～32mm)wereusedwithoutbindingtodetonatingfuse,butdeckchargingdesignedaccordingtolinechargeconcentrationwassuccessfullydetonatedbydetonatingfuseinthesmoothblasthole.Theidealsmoothblastingeffectwasachieved.Theexperimentandapplicationindicatedthatdeckcharginginacertaindistance(>50cm)withdetonatingfuseinφ42mmsmoothblastholecouldbedetonatedbydetonatingfuse,evencartridgeexplosiveswerearrangedrandomlyandnotbindingtodetonatingfuse.Thetraditionalcartridgeexplosiveprocessingmethodwassimplifiedandthetraditionalchargingstructureofsmoothblastingintunnelexcavationwaschanged.

Tunnel；Excavation；Smoothblasting；Chargingstructure；Deckcharging；Detonatingfuse

1006-7051(2016)04-0072-05

2016-01-25

杨玉银(1968-)，男，教授级高级工程师，主要从事地下工程及土石方明挖施工爆破、安全管理工作。E-mail： 752153592@qq.com

TD854.2

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.015