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【摘要】在隧道掘进爆破时，为避免盲目施工引发事故，对爆破参数进行优化设计是十分必要的。本文分析隧道掘进爆破的影响因素，通过结合某隧道掘进爆破工程，对其爆破参数的优化设计。实践证明，该工程的施工进度和经济效益具有显著提高。
【关键词】隧道爆破；影响因素；参数优化
引言
近年来，随着城市基础设施建设快速发展，各类隧道项目也在迅速增加。爆破技术因其灵活、方便、快捷的优点而被广泛应用于隧道开挖中。由于隧道掘进爆破的影响因素多，因此要获得好的掘进爆破效果和质量，以保证隧道修建的安全、质量、成本和工期，就必须进行隧道掘进爆破参数的优化设计。
1隧道掘进爆破的影响因素
(1)临空面：临空面起到反射拉应力波和聚能作用。因此，临空面的大小和数目对爆破效果有着明显影响。当临空面只有1个时，爆破作用受到岩石夹制作用大，爆破困难，单位岩石耗药量增大。因此，施工中临空面只有1个时，要人为创造临空面，以改善爆破效果。例如采用合适的掏槽方式和微差起爆技术。
(2)掏槽孔形式：根据隧道断面、岩石性质和地质构造条件，掏槽孔的排列形式种类繁多，归纳起来有倾斜孔掏槽、平行空孔直线掏槽和混合掏槽3种。倾斜孔掏槽分为单向掏槽、锥形掏槽、楔形掏槽。平行空孔直线掏槽分为龟裂掏槽、桶形掏槽、螺旋形掏槽。混合掏槽是倾斜孔掏槽和平行空孔直线掏槽。倾斜孔掏槽对于大断面较适用，不受地质条件的影响；直孔掏槽对于大小断面均适用，小断面更优，韧性岩层不适用。
(3)布孔方式：布孔方式一般为方形、矩形及三角形(或称梅花形)3种。从能量均匀分布的观点看，以等边三角形布孔最为理想。孔浅时孔排距取较小值，孔深时取较大值。如果孔深较浅，而孔排距较大，那么在保证装药量的情况下，堵塞长度不能保证。孔深大，其孔排距也不能取值过大，必须在一个合理的范围内，过大的孔排距会造成大块率高，掘进效率降低。
(4)炮孔深度：炮孔深度的大小，不仅影响着掘进工序的工作量和完成各工序的时间，而且影响爆破效果和掘进速度。它是决定每班循环次数的主要因素。为了实现快速掘进，为提高机械化程度、改善循环技术和改进工作组织的前提下，应力求加大孔深并增加掘进循环次数。在目前我国多采用手持式和气腿式凿岩机钻孔的条件下，采用普通型孔径(40～42mm)时，其孔深可按表1选取，若采用小直径(34～42mm)时，以浅孔为宜。
(5)装药量：对于每一种岩石，在一定的炸药与爆破参数下，只有一个合理的单耗。实践表明，单纯的增加单耗对提高爆破效果是徒劳的，有时甚至是有害的，这样做只能是把能量消耗在岩石的过度粉碎和增加爆破的有害效应上。选取合理的单耗往往根据实践经验或爆破实验来确定，对单孔装药量也必须以保证必要的堵塞长度为前提，如装药量满足设计要求，而堵塞长度不够，很容易形成冲炮，爆破效果不理想。
(6)起爆药包的位置：采用柱状装药时，起爆药包的位置决定着炸药起爆以后，爆轰波的传播方向。也决定了爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间，所以对爆破作用产生一定的影响。根据起爆药包在炮孔中安置的位置不同，有3种不同的起爆方式：反向起爆、正向起爆和多点起爆。实践表明：反向起爆能提高炮孔利用率，减小岩石的块度，降低炸药消耗量和改善爆破作用的安全条件。
(7)药包与孔壁的耦合：钻孔直径大于药包直径时，属于不耦合装药，不耦合将会使炸药在炮孔中爆炸时爆轰波能量受到一定的损失，在岩体中由它激发的爆炸应力波的强度也会降低，从而使岩石的破碎效果大大降低。药包爆炸时的爆轰波对孔壁的冲击效应减缓，孔壁上的最大切向应力急剧下降，有利于提高岩石破碎的均匀性。因此，周边轮廓爆破开挖中，必须采用不耦合装药，这样可缓解炸药对炮孔底部及周壁岩石的破坏。
(8)炮孔堵塞：填塞长度和质量不符合要求时，炮孔底部岩石破碎效果很差，进尺较小，因此对堵塞的作用要有足够重视，良好的堵塞可以保证在岩石爆破破碎之前，阻止高压的爆轰气体过早地泄漏到空气中去，这样能延长高压爆轰气体对岩石的加压作用，提高爆炸能量的利用率。堵塞材料要采用柔韧性适中的黏土制作成的炮泥。装药结束后，炮泥装入炮孔后应用木棍捣实。实践表明，如果堵塞质量良好，可以减少爆破飞石，改善破碎效果，提高施工效率。
(9)网络联接：现在已广泛采用微差爆破技术，这种方法具有降低地震效应，改善爆破质量，适合工程质量要求较高的特点。某一处传爆器材或联接出现问题，必将影响后续爆破质量。
2爆破参数优化设计
要获得好的掘进爆破效果和巷道质量，就必须根据隧道围岩条件合理的选择掘进爆破参数。某隧道岩层主要为煤矸石，隧道开挖断面为(3.8×4.95)m2，采用2#岩石乳化炸药、1～9段毫秒延期非电雷管、导爆索、导爆管。采用气腿式凿岩机钻孔，钎头的直径为Ф40mm。
2.1爆破药量设计
根据隧道断面面积、岩层坚固性系数以及试验确定，煤矸石岩层单位炸药消耗量取q=1.35kg/m3，由于炸药性能、岩石性质、自由面的大小和数目等很多因素都会影响单位炸药消耗量，在实际爆破作业中应根据爆破效果加以调整。
1个掘进循环的总装药量：Q=qSLη
式中：q为单位炸药消耗量；S=17.26m2；L为炮眼深度，取L=2.3m；η为炮眼利用率，初定为η=90%。计算得Q=48.2kg。
2.2炮眼参数设计
(1)炮眼直径和炮眼深度。根据上述实际的技术装备水平，炮眼直径定为d=40mm，炮眼深度为L=2300mm。
(2)掏槽设计。根据理论与试验结果，本工程采用楔形掏槽，取a=35cm，b=120cm，孔底间距0.2m。
(3)炮眼数目与布置。总炮眼数N按下式估算：
式中：f为岩石坚固性系数，取f=9；S为隧道断面面积，取S=17.26m2
计算得：N=46个，实际布置炮眼51个。
周边眼最小抵抗线需满足Wmin=(10～20)d
式中：Wmin为光面爆破最小抵抗线/cm；d为炮孔直径/cm。本工程最小抵抗线取60cm。
周边眼孔距取60～65cm，底眼孔距取70～75cm，辅助眼孔距取60～80cm，排距取65～70cm。
炮眼布置的原则：根据断面大小均匀布置炮眼，首先布置掏槽眼而后依次布置辅助眼及周边眼。在施工过程中应根据爆破的实际效果调整孔间距。炮眼布置见图1、图2。
(4)药量分配(表2)。根据参数设计和工程的实际效果，各炮眼装药量分配如下：掏槽眼：根据经验取炮孔的75%～85%；辅助眼：根据经验取炮孔的35%～45%；底眼：根据经验取炮孔的45%～55%；周边眼：取线装药密度0.1～0.3kg/m，周边眼采用Ф27mm2#岩石乳化炸药，其它炮眼采用Ф32mm2#岩石乳化炸药。
3装药与填塞
炮孔装药后，应对炮孔进行封堵，以增加有效破岩的能量提高爆破效果，孔口封堵的材料常用3：1的泥沙混合物。可以取黄土加水和成泡泥，泡泥湿度以手捏成团、不沾或微沾手为准。
4起爆网络
周边眼采用导爆索起爆网络，其它炮眼采用导爆管簇联起爆网络，总起爆雷管距离导爆管尾端不少于10cm，导爆管应均匀分布在总起爆雷管壳体周围，并用胶布绑扎好。起爆导爆索的雷管与导爆索捆扎端端头的距离应不小于15cm，雷管的聚能穴应朝向导爆索的传爆方向。导爆索起爆网络应采用搭接、水手结等方法连接；搭接时2根导爆索搭接长度不应小于15cm，中间不得夹有异物或炸药，捆扎应牢固，支线与主线传爆方向的夹角应小于90°。
5经济效益分析
经过优化后的爆破方案的实施和测试，取得了显著的效果，炮眼利用率达到90%以上，崩落的块度适中，而炸药和雷管的消耗量进一步降低。施工进度和经济效益显著提高。具体爆破方案实施前后的主要技术经济指标见表3。
由表3可知，根据具体工程地质情况进行爆破参数设计，其经济效益是非常明显的。火工材料当前价格为2#岩石乳化炸药10元/kg，雷管6元/发。采用优化后的爆破方案每米巷道至少可降低火工材料成本69元，每千米的巷道至少可以降低火工材料成本6.9万元，虽然方案实施后钻孔成本提高，但综合成本大大降低，提高了施工效率。
6结语
综上所述，隧道掘进爆破参数的优化设计对保证隧道施工的可靠性、提高爆破效率、降低施工成本具有重要意义。本文以某隧道为例，根据围岩条件对掘进爆破参数进行优化，经过优化后的爆破方案的实施和测试，取得了显著的效果，施工进度和经济效益显著提高。由于隧道掘进爆破参数的全面优化是一个动态的过程，因此必须基于各种围岩条件施工过程的测试并对原有参数的及时调整，才可获得较高施工效率与最佳经济效益。
参考文献：
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