维社隧道掌子面钻爆工法总结
钻爆技术乃山岭隧道最核心技术，也是我们项目部应该重点学习和总结的隧道施工技术。如果爆破控制得好，不但可以节省大量成本，而且能大大提高工程进度。可以说一条山岭隧道能否在保证安全质量的前提下按时竣工及盈利，关键看爆破技术能否做的好。不同的围岩状况对应有不同的钻爆施工方案，维社隧道基本属于水平层状分布且竖向节理大量发育的石灰岩围岩。目前四个洞钻爆施工均采用光面爆破技术，通过观察，总结钻爆队施工的人力、设备、材料状况及爆破诸技术参数，希望今后在其他隧道特别是具有类似围岩地质状况的隧道施工中起到指导和借鉴作用。
一、人、机、料统计
1 人力状况
所用钻爆队分别来自四川（进口）、陕西（出口右洞）和湖北（出口左洞）三地。钻爆手工作年限不一，最短2年，最长20年，经验与水平参差不齐。初步感觉来自四川的钻爆施工队伍工作年限较长，打钻经验较丰富，业务水平较高。
打设一个上台阶掌子面需用人员12人，其中带班人员1名，负责运送炸药和区分毫秒雷管段别。11名钻眼工人分布于掘进台架不同部位，如图1所示：拱顶站3人，其他8人两两分布于台架两侧的中层和下层。
图1 上台阶掌子面钻爆施工人员分布照片
2 机械设备
所采用打眼设备为风动凿岩机，如图2所示。由于气腿和钻杆转动均是由风压提供动力，所以还需要空压机提供一定风压。
空压机生产能力（或供风能力）Q的计算：
Q=（1+K备）（?qK+q漏）km 其中：q漏=?
?L
K备-----空压机备用系数，一般取75%~90%；
?q----风动机具所需风量，凿岩机为3.2~3.5m
q漏-----管路及附件的漏耗损失；
3
/min；
?-------每公里漏风量，平均为1.5~2 m3/min；
L-------管路总长，km； K-------同时工作系数，见表1；
km-----空压机所处海拔高度对空压机生产能力的影响系数，见表2；
表1 同时工作系数
表2海拔高度影响系数km
经过初步计算，掘进1km的掌子面满足11台风动凿岩机同时工作，要求空压机供风量为60 m3/min。据统计，一台压强为0.8MP，功率为132KW的空压机供风量为22~25 m3/min。目前进出口空压机压强一般控制在0.7MP左右，所以要是掌子面打眼，需要开3台空压机。若开两台，打钻速度将减慢（出口尤为明显），有时在打钻时出现卡钻的现象，也与风压不够有关（出口尤其明显）。另外，胶皮风管（?50mm）的阻力较大，为减少压
力损失，应在保证钢管不受爆破影响的前提下，尽量缩短胶皮风管长度。
若是遇到停电，要保证施工正常掘进，所配柴油发电机功率应该不低于350KW（可供2台空压机工作）。
图2 风动凿岩机
3火工品
3.1炸药
爆破所采用炸药为山西金恒化工集团股份有限公司晋中分公司生产的2号岩石乳化炸药，其主要性能指标如下：
表3 乳化炸药性能指标
通过对钻爆组的调查发现，钻爆队所有人员一致认为乳化炸药威力不够，使用起来很不方便，均倾向于使用硝铵炸药。
3.2雷管
爆破所采用雷管是有山西壶关化工集团有限公司生产的工业8号非电毫秒导爆雷管。现统计各段别延期时间（ms）
表4 毫秒迟发雷管段别及延期时间
起爆所采用雷管是电雷管，爆破作业示意图如下：
高能起爆器
图3 爆破作业示意图
起爆网路采用交叉簇联接力联结方式联接。每个簇联节点由2发雷管引爆，接力雷管采用交叉复式联接，最后由电雷管引爆，电雷管的起爆能源为高能起爆器。
图中三角形部分为非电毫秒雷管导爆管与电雷管连接部分，一般次级交汇处（图中2）采用电工胶布将导爆管均匀捆扎于电雷管周围，每次起爆数量宜20发以内。初级交汇（图中1）处采用非电毫秒雷管起爆，每次起爆数量宜30发以内。 二、爆破诸参数统计
进出口钻爆形式基本相同，只是在遇到围岩状况不同时炮眼数量不同而已。下面就以进口为例作总结。 1 炮眼布置方面
下面是目前维社隧道进口掌子面Ⅲ级围岩加强段炮眼的断面布置图：
a 左洞
b 右洞
图4炮眼断面布置图（除炮眼外还有台车轮廓）
注：图中各数字为所连线炮眼的段数。
对于同一岩层上的水平炮眼采用梅花型交错布置。但目前存在一个问题，即同一段数的炮眼有时也不在同一环线上，或同一直线上，这将导致光面爆破效果不佳。
进口方面，当围岩状况较差时一般打设炮眼数量为80左右，如a图，反之，数量为90左右，如b图。出口围岩较进口整体性好，呈中厚层分布，最厚岩层可达2m，含泥量少，炮眼总数较进口多，但主要是周边眼数量多一些，其他部位炮眼数与布置形式与进口基本相同。据统计，出口拱顶周边眼24-25个，中间部位5~6个（一侧），底部5~6个（一侧），炮眼总数110左右。
图5 炮眼布置角度图
值得注意的是目前台车中间大片位置除有底板眼外无其他炮眼。
a) 炮眼间距E
目前拱顶、拱腰和起拱线位置的周边眼间距E大体相同，一般控制在 45~60cm之间（出口间距不超过45cm）。对于层状围岩，抗爆力从起拱线到拱顶逐渐减小，因此在不增加工作量（钻眼数量）的前提下可适当改变周边眼的间距。
建议拱顶位置的周边眼间距E适当减少，中下部间距适当增加。至于具体数值可按照5cm为梯度顺序进行试验。增大拱顶位置周边眼布置密度并小药量填装也是控制拱顶超挖和塌方的一个手段。
拱顶的辅助眼（拱顶标注13段的眼）间距为1.5m左右，压炮眼（拱顶标注11段的眼）间距为1.2~1.5m左右。
b) 最小抵抗线w
进出口四洞的最小抵抗线w都只有30~35cm左右。特别是拱顶部位由于最小抵抗线的过小，加上辅助眼装药量较大，辅助眼的爆破力可延伸至周边眼外侧，对拱顶围岩扰动较大，而对于水平层状围岩影响更大，拱顶围岩经常出现超挖，严重会出现塌方。
建议加大拱顶位置的w值，使w≥E，至于具体数值可按照5cm为梯度逐渐增加进行试验。
c) 掏槽眼布置形式
掏槽眼并未采用直眼掏槽形式，而是采用V型掏槽布置。
d) 炮眼深度及钻设角度
掏槽眼采用4.5~5m长钻杆钻设，斜插角度与水平线交60度角左右；底板眼采用5m
长钻杆，往下倾斜打入，与水平面夹角为20~30°；辅助眼采用4-4.5m长钻杆，角度较掏槽眼沿径向逐渐增大；周边眼采用3.5~4m长钻杆，沿初支结构以小角度外插打设。
在钻设完毕一个炮眼后不能直接关掉风动凿岩机，而是让钻杆在钻孔里继续旋转，
然后旁边工友过来帮忙一起把凿岩机和钻杆拽出来，以防止卡钻，导致钻杆拔不出来。 e) 钻孔直径d
所采用钻机钻头直径为42mm，根据公式d=FD=42×1.1=46.2（mm）
式中：
D—钻头直径：
F—扩大系数.（对于石灰岩，取F=1.08—1.11）
炮眼布置面临的难题： 受台车影响，施工不方便，致使周边炮眼不能均匀布置，特别是在台车延伸板位置处台上和台下炮眼眼口间距过大，而由于台上凿岩机向下倾斜，其实眼底间距并不大，因为站在台车上部的工人往下倾斜打眼，台车下部的工人往上倾斜打眼。但掘进段中间部位由于未装药又间距相对过大，致使经常出现欠挖。其实，由于台车影响，现在的炮眼布置明显呈现上-中-下三部分，见图6。
图6 容易出现欠挖的部位
建议尽量减小上述部位炮眼间距，如若间距无法减小，可在钻设延伸板上下周边眼
（共8个）时，在两个眼中间再钻一半个眼，装填少量炸药。实际上这相当于提前补炮。如图7所示：
炸药
图7 在台车上下周边眼中间打设半个眼
炮眼布置心得体会：
炮眼布置应该根据实际围岩地质状况采用相对应的钻设和布置方式，对于水平层状围岩来说，如果在打设炮眼时将钻杆打进两层围岩结合处，那么爆破时冲击波将沿着软弱结构面和层理间隙扩散开，压缩圈半径将变小，对于其上下岩块的爆力和猛度也都会减小。
所以，我们在遇到较厚的层状围岩时，要尽量将炮眼在整层岩石的中部均匀分散布置。换一种方式讲就是我们的思维要从按照开挖轮廓线布置炮眼转变到按照围岩或者具体的岩层布置炮眼。要知道，爆破设计方案是没有考虑围岩层理发育的，与实际情况差别较大。当然这也必须保证同一段别的炮眼处于同一环或同一条直线上，不然光面爆破效果会不佳。 2 装药量方面
所采购炸药一箱24kg，一箱6包，一包20卷，一卷200g。目前掌子面总装药量大概6-8箱，一般控制在7箱（围岩呈现厚层状时一般用8箱）多，即170多公斤。各个炮眼装药量统计如下：
表5 装药量统计
关于成本的统计，1吨炸药13500元，一根非电毫秒雷管10元（已超出市场价），一
个电雷管4元（已超出市场价），一个掌子面按90个炮眼计，钻爆一次的费用大概是13.5×170+（90+10）×10=3295元。下导坑共用2箱多，按一侧8个炮眼，每个炮眼2个雷管计，整个下导坑钻爆费用为：2.2×24×13.5+8×2×2×10=1033元。则，若不计算补炮用量，一个全断面开挖共用火工品费用为3268+1033=4301元。目前出口用量比进口还要多。
3 装药方式方面
a) 不耦合系数Dd
Dd = r / rd = 23.1 / 17.5 = 1.32
其中，钻孔直径46.2mm，药卷直径35mm。
目前，打设周边眼、掏槽眼、辅助眼和底板眼的钻机一律采用42mm直径的钻头，对于掏槽眼来说基本满足要求，对于含泥量较大的中薄层围岩分布的进口来说，处于拱顶位置的周边眼的不耦合系数还是有些偏小。但对于出口厚层围岩来说，围岩抗爆力较大，不耦合系数可以满足要求。
其实，工人在用橡胶棒把药卷送入炮眼底部后还要用力再捅一捅，以保证此药卷与前一药卷密贴。但这样做的同时也将Dd的值变得更低，基本接近于1。
b) 雷管所插入药卷位置（所有药卷数按照从炮眼底部算起的原则计数）
①对于周边眼，雷管插入第一卷药卷。
②对于辅助眼均采用一根雷管，插入第2~4卷。
③对于掏槽眼，若用一根雷管，插入第3~5卷；若采用双雷管，在3~5卷中插入一根，在8~9卷中插入一根。
④底板眼同掏槽眼。
c) 我们目前的装药方式是最普通的眼底集中式装药。
导爆管雷管
炸药
图8眼底集中装药
这种眼底集中装药的方式容易对掘进面产生下面两种情况：
①挂口。同一层围岩，离集中装药近的一半被炸掉，远离的一半不能被炸掉，从而
悬挂于前方，成为浮石，这种情况必须要补炮清除。现在基本每次钻爆结束后都要因为挂口补炮。
②使得每个掘进段边墙部位极易出现超欠挖情况，上一次爆破和本次爆破的眼底部位因装药线密度过大而出现超挖，而中间部位则因装药线密度小甚至未装药（周边眼）而出现欠挖。示意图如下：
图9 一次掘进段纵向俯视图
图9所示的情况出现的次数非常多，基本每次放炮过后都会在上述部位有不同程度的超欠挖出现。 考虑到保证施工进度不受影响，建议只对周边眼的装药方式作出改进。
由于本地炸药厂不生产小直径药卷（25cm），所以小直径药卷连续装药方式不可行。可以考虑改为空气间隔装药，间隔距离可在20~60cm之间调整。当然这需要首先确定最大的殉爆距离h，即在不增加其他设备的前提下，前一卷炸药爆炸能引发下一卷炸药起爆。（根据炸药说明书看殉爆距离≥3cm，并不能确定最大值。）若不能，则可在两卷炸药中间用导爆索连接或在每一卷炸药上安装同延时的导爆雷管。
下面计算一下各自增加的成本：1）对于前者，假设一个导爆索6元，只在台车延伸板上下位置周边炮眼（8个眼）进行安放，做完Ⅲ级加强段共增加成本为：(2000/3.5)*8*6=27428元。2）对于后者，也只在（1）中的炮眼使用，每一眼增加一个雷管（按周边眼装4卷计，为节省雷管数，改为眼底装两卷，用一个雷管，中间装两卷，用一个雷管；若周边眼按装6卷计，改为眼底装三卷，用一个雷管，中间装三卷，用一个雷管），每个雷管按10元计，成本为：(2000/3.5)*8*10=45714元（Ⅲ级按照2000米算）。若是欠挖，需要补炮，不但费时，而且增加的成本远比这些多，所以如果这些钱可以避免欠挖补炮的话，那这项投资非但不会增加总成本，反而可以节约成本，又能提高进度。
目前进口下台阶采用上述空气间隔装药形式，取得了良好的效果。比如一个炮眼装药15卷（下导坑炮眼长达5m），其中8卷连续装药于眼底，使用一个雷管，剩下7卷连续装药于中部，与底部药卷间隔50~100cm。
4 起爆时差方面
由图4所标的段数可知，总体是按照掏槽眼---辅助眼---周边眼---底板眼的顺序起爆的。但存在两个问题。1）从图10可知，掏槽眼所掏的“心”特别大，有的直径可达2m多，以至于必须先将其搁置于隧道一侧，等待下次钻爆时在其上打眼装药爆破使其成小块运出。要将这个“心”抛出时所用时间一定比其他眼所用时间多。所以建议将掏槽眼外侧的第一圈段数由3改为5，次外圈为7，依次排序。这样辅助眼起爆时就能保证有一个真正的临空面。另外，这样做的另一个好处是降低爆破震动速度，达到更好的爆破效果。
图10 掏心炮掏出的“心”
2）周边眼起爆不在同一时间段。台车中下部两侧位置的周边眼段数为13，其他都是15，也就是先起爆中间后起爆上下部分。这种起爆顺序使得中间部分周边眼起爆时只有径向的一个临空面，而不能产生更多的临空面，爆破效果往往不佳，在实际中，拱肩位置也是产生欠挖最多的一个部位。建议将中间两侧位置周边眼雷管段数变为15。
5 堵炮眼方面 目前炮眼根本不堵，这使得炸药爆破力减小不少。
考虑施工进度和成本关系，建议只对特别容易出现欠挖的台车延伸板上下的周边眼进行堵眼。至于炮泥，可就地取材，用最普通的黄泥制作。
就算不用炮泥添堵，也可用塑料袋、气球甚至避孕套等装满水后塞入炮眼里，这
样在爆破时可制造水雾，用以降尘。
总结
钻爆技术的改进最有效的方式就是通过调整爆破参数，不断的试验。考虑到实际情况，如果单方面要求减少炮眼间距，即增加炮眼钻设数量是不切实际的。所以我们不需要一下子改变很多，可以先做局部改进。例如，我们先总结一下产生欠挖的原因：1）台车上下周边眼间距大；2）眼底集中装药；3）起爆顺序不合理。为了解决欠挖问题，我们可以先从最容易的改变，即改变周边眼段数，如4所说。其他方面可照旧施工，不做改变。若效果不明显就通过改变台车延伸板上下炮眼的间距、或在中间增设半个眼试验几次。若效果还不好，就将拱肩位置的周边眼装药方式进行改进，按照空气间隔装药方式再试验几次，直到达到较理想效果为止。又例如为了改善拱顶超挖现象，可以按照每次只改动5cm的幅度逐渐变化周边眼的间距和最小抵抗线的大小来试验，或者通过改变炸药量的方式试验几次。
在层状围岩分布的地质带里进行光面爆破要比在整体性较好的围岩里爆破困难的多。说句实话，以我们目前的施工设备、人员组成及材料供应状况来看，要达到光面爆破诸技术参数的要求是不现实的，也是没必要的，因为那样既费时又费钱。我们从务实的角度出发，只要爆破完以后掘进面不出现过大的超欠挖，既不影响立架，也不增加喷混负担就好。只要能达到这样的水平，那维社隧道不但可以保证按时贯通，还能节省大量成本。希望我们在今后的工作中细心观察，善于思考，勤于总结，专业水平更上一层楼。
附录一
关于整体式欠挖的原因分析和处理意见
案例：
20xx年12月27日与20xx年1月5日，维社隧道出口右线掌子面钻爆施工，整个左侧部分没有被爆破掉，从而掌子面出现了一半突出一半凹陷的状况。20xx年12月27日和30日出口左线同样出现这种情况，在这里，我个人称这种现象为整体式欠挖。一旦出现上面状况，至少使得工期延误4~5个小时，并多耗费1~2箱炸药和数十根雷管。通过观察，对发生上述情况的原因进行分析并提出防范措施，希望对今后钻爆施工有所帮助。
1、现场描述
a）欠挖一侧中部的炮眼底部围岩松散、破碎；炮眼口位置围岩密实、坚硬。
b）部分底板眼的导爆管悬挂于炮眼外，颜色透明发白。所发现的周边眼和辅助眼残留导爆管颜色透明发黑。
c）部分药卷数量较多的炮眼中残留部分炸药，并靠近炮眼口，有的裸露于外。
d）用高压风清炮眼，大量泥巴被吹出，且泥巴含水率较高，具有较强粘附性和可塑性。
2、现场分析
对于a）-----欠挖一侧中部炮眼底部炸药被引爆，口部炸药未被引爆
对于b）-----部分底板眼雷管未被引爆，所发现的周边眼和辅助眼雷管已经被引爆。（在这里不考虑雷管引爆不了炸药的可能性）
对于c）-----部分药卷数量较多的炮眼中靠近炮口的炸药没有被引爆。
对于d）-----炮孔穿越泥层。泥中所含水分是在打钻时由凿岩机流出并渗入泥土中的。（本地层没有地下水发育）
3、原因推测
①炮眼打到泥土聚集区或岩层交汇处，爆破冲击波沿软弱面扩散开，特别是处于泥土中的炸药爆炸威力大减。
②打钻时穿越泥层，钻头流出的水将泥土稀释并进入炮眼里，底部炸药爆破后，大量泥巴挡在未爆炸药的前方，形成一层保护层，致使后面炸药没有被引爆，并被冲击波推到炮眼口附近。
③填装药卷时没有使得前后药卷密贴，这样造成的结果与②相同。要知道这种乳化炸药的殉爆距离很短（≥3cm）。
④由于所捆绑导爆管数量过多，又没有均匀捆绑于雷管周围，致使部分导爆管没有被引爆。特别是掏槽和底板眼中的炸药若是没有被引爆则会导致其他炮眼在爆破时没有临空面，这样就只会使围岩破碎或者产生裂缝，而不会被抛出。
⑤掏槽眼和底板眼的炸药填装数量少，掏心和抬底没有做好，这样就会产生③中的结果。
4防范措施
欠挖的产生不可能只有一个单纯的原因，可能上面的几个因素都会存在，或者还有其他原因。前方的围岩状况难以预估，但我们能做的就是将所有能想到的防范措施都做到位，杜绝以后出现类似情况。
（1）绝对不能吝惜掏槽眼和底板眼的装药量。根据围岩状况，本着宁可多装一卷也不少装一卷的原则填装掏槽和底板眼炸药。
（2）建议在用电工胶布将导爆管捆扎于电雷管周围时，中间添装少量乳化炸药，将雷管插于炸药里面以后再用胶布捆绑，以保证所有导爆管被引爆。
（3）在打钻时留心注意炮孔里流出的是泥水还是石粉水（看颜色），若是泥水（红色）则说明炮眼穿越泥层，要注意填装药卷时要使前后药卷密贴（建议在导送药卷的橡胶棍上标上刻度，每送一卷药看一下刻度，若两卷药的刻度差大于一卷药的长度，则说明这两个药卷没有密贴），甚至在后填装的药卷里再插入一根雷管。以保证一个炮眼里的炸药全都被引爆。
心得体会
掏槽眼爆破很重要！！！
虽然理论上光面爆破效果好与坏关键取决于周边眼各个参数的设置，但这是基于掏槽爆破成功的基础上。如果掏槽没有控制到位，辅助和周边眼爆破时就没有临空面的存在，这样，就算这些眼爆破了也不会起到什么作用，别说光面了，就算一般爆破的效果都达不到。现在我们遇到的问题很大程度上就是掏槽爆破失败造成的（我是这样认为的）。当然这与很多因素有关，例如装药量不够（宁可多装一卷，也不要为了贪小便宜少装药！），雷管没有引爆，部分炸药没有引爆等。
附录二
人形横通道钻爆作业小结
首先，进行人行横通道钻爆的机械设备和火工品都与掌子面所用相同。人员分配方面，只有两个钻爆手同时进行施工作业。下面总结人形横通道钻爆各个技术参数：
人形横通道掘进呈现上下两部分倒台阶状。以下就将上台阶用Ⅰ部分表示，下台阶用Ⅱ表示。
1 炮眼布置
Ⅰ部分炮眼是工人站在台架上打设的，根据围岩情况，炮眼数量控制在6~8个之间。Ⅱ部分炮眼是工人站在地面上打设的。 ⅠⅠ
ⅠⅠ1段掏槽眼ⅠⅠ5段辅助眼
9和15段底板眼
图1 炮眼横、纵断面布置图
注：图中各数字为所连线炮眼的段数。
从图1的横、纵断面图可以看出，Ⅱ部分的顶部11段炮眼是按照小角度向上倾斜打设的，角度控制在5°~10°之间。9段和15段底板眼按照小角度向下倾斜打设，角度在10°~20°之间。
从图2的俯视图可以看出，Ⅱ部分的掏槽眼按照V型布置，炮眼与水平线夹角控制在50°左右，所用钻杆长度为1.5m；辅助眼也按V型布置，炮眼与水平线夹角控制在70°左右，所用钻杆长度为3m。
对于炮眼间距，Ⅰ部分炮眼间距E=60~70cm，Ⅱ部分周边眼间距为30~40cm，辅助眼为50~60cm，掏槽眼为40~50cm，底板眼如图1所示在底部均匀布置。 2 装药量
表1 人行横通道装药量统计
注：掏槽眼装药量最少，是因为在打设掏槽眼时受作业空间限制，只能打设较短距离。
爆破一个断面大概需要2箱炸药。即2×24=48kg。 3 装药方式
不耦合系数、雷管插入位置及装药方式都与掌子面相同。 4 人行横通道钻爆过程中的风水管线布置
人行横通道在开挖前，风水管是挂于起拱线附近的，如图3（a）所示。当开始钻爆时，将风水管线放于地上，如图3（b）所示。在掌子面施作不需要用风和水的工序时（出渣），将挡于洞门前的一节风水管拆除，并用胶皮管连接洞门两侧未拆除的风水管线，悬挂于洞门上方的钢筋棍上，使得爆破时冲击波和石块不会将其破坏。如图3（c）所示。
a b c
图3风水管线布置示意图
等停止爆破后，将胶皮管拆除，再将以前拆除的那节钢管安放回去，如图3（b）所示。这时可再施作穿越洞门的矮边墙。
存在的问题及解决意见
使用胶皮管连接两侧钢管后，由于胶皮管阻力较大，又加上胶皮管在钢筋棍处弯折的影响，导致前方工作使用风水压力，特别是风压损失较大。建议，在图（b）所示工作完成后不用橡皮管作为过渡，而是对挡在洞门前的钢管进行覆盖处理：先用垫块将钢管底部垫实，以防止其上压力过大将其压弯，但必须保证垫块与钢管接触面是平滑的。再在钢管上方放置一层草甸子或被褥等，再在上面覆盖一层钢板。最后用片石将整个钢管连同覆盖物填充覆盖，使得大型机械（装载机）可以从其上通过。