第7章隧道爆破法施工技术ppt课件.pptx

,第7章 隧道爆破法施工技术,华北水利水电大学 资源与环境学院,地下工程施工与管理,王江锋 副教授,CONTENTS,7.1 隧道爆破的基本概念,7.2 隧道爆破器材及起爆方法,7.4 隧道光面爆破技术,7.3 隧道掏槽爆破技术,7.5 隧道爆破设计,7.1,隧道爆破的基本概念,隧道爆破的原则：先做出设计，在掌子面上布置炮眼，而后根据设计的炮眼深度和方向钻眼，然后根据设计装药量及起爆顺序将炸药及不同级别的雷管装入炮眼，待做好安全防护工作后，连接回路并起爆。一般要求：按照爆破顺序，最初的几个炮眼要形成一个槽腔，破岩深度取决于掏槽效果。理想的爆破：成功的隧道爆破，应该是达到预定的进尺，掌子面较平整，岩渣块度适宜装运，轮廓壁面平顺，超欠挖在预定的范围之内，围岩稳定。,7.1,隧道爆破的基本概念,主要名词解释,掏槽：在开挖面的中部，钻一定数量的眼，并且超量装药，以破碎抛掷岩石，首先形成一个槽腔，增加自由面，为其他炮眼的爆破增加条件。光面爆破：使岩体沿开挖轮廓线爆除，最大限度少受损伤的爆破技术。预裂爆破：周边眼在断面上所有炮眼爆破前先起爆，其工艺与光面爆破基本一样。循环进尺：一次开挖爆破的隧道进尺。炮眼间距：同一并排同段号爆破两相邻炮眼的中心距离。抵抗线：药包中心至自由面的最小距离。,7.1,隧道爆破的基本概念,主要名词解释,炸药单耗：1m3岩石所需要的炸药量。炮眼利用率：实际循环进尺与炮眼深度之比。掏槽眼：开挖断面中部，最先起爆的炮眼，为其它炮眼爆破创造条件。扩槽眼：随掏槽眼之后爆破的一部分炮眼。周边眼：周边轮廓线上的炮眼。内圈眼：紧挨周边眼的二圈眼。底板眼：隧道底边上的炮眼。二台眼：紧挨底板眼之上的炮眼。,7.1,隧道爆破的基本概念,主要名词解释,敏感度：炸药在外能作用起爆的难易程度，简称为敏感度，简称感度。爆力：增加一定量的介质体积的能力，叫做爆力。炸药的爆力是表示炸药爆炸作功的一个指标。猛度：指爆炸瞬间爆轰波和爆炸产物直接对于之接触的固体介质局部产生破碎的能力。爆速：炸药爆炸的稳定性爆轰波在炸药中传播的速度。,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,起爆方法：,火雷管起爆法电雷管起爆法塑料导爆管非电雷管起爆法混合起爆法,常用起爆器材：,火雷管导火索电雷管塑料导爆管非电雷管,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,1.火雷管起爆法：,主要用火源点燃导火索，用导火索来传导火焰，直接喷射于火雷管的正起爆药上而使火雷管起爆，使炸药发生爆炸。,火雷管：如图7-1所示。导火索：以黑火药为索心，棉线、塑料等材料被覆盖形成的索状起爆材料，用来传递火焰。点火材料：自制导火索、点火线、点火棒、点火筒等。导火索的长度计算公式：,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,2.导火索起爆法：,所需器材：雷管、主导爆索、炮眼导爆索。原理：用雷管首先引爆主导爆索，然后引爆炮眼导爆索，引起炸药的爆炸。,3.电雷管起爆法：,所需器材：起爆电源、导线、电雷管。原理：利用电能首先引起电雷管的爆炸，然后再引爆工业炸药。电雷管分为瞬发电雷管和延期电雷管，后者又分为秒延期电雷管和毫秒延期电雷管。,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,瞬发电雷管,延期电雷管,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,电爆网络的连接方式：,(1)串联,(2)并联,7.2,隧道爆破器材及起爆方法,4.塑料导爆管非电起爆法：,所需器材：击发元件、传爆元件、起爆元件、连接元件。优点：抗杂电、操作简单、使用安全可靠、成本较低等。,塑料导爆管常用的起爆网络连接方式：簇联法和并联法。,7.3,隧道掏槽爆破技术,概 述 隧道爆破开挖成败关键是掏槽技术。掏槽的成功与否直接影响爆破效果，直接影响隧道掘进的循环进尺。隧道（或导坑）开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创造新的临空面，必须先在开挖面上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽，这个槽子内的炮眼就叫做掏槽炮眼。,7.3,隧道掏槽爆破技术,一、小断面浅眼掏槽爆破技术 所谓小断面，一般指分部开挖的局部断面，平行导坑、上导坑、下导坑、断面积约力20m2以下的隧道。炮眼深度小于1.5m时，属于浅眼爆破。一般情况下构槽眼应布置在开挖面的中下部。在岩质软硬不均的岩层中，应布置在岩层较为薄弱的位置，一般布置在软岩层中。掏槽眼必须比其它眼深1525cm，才能为辅助眼创造出足够深度的临空面，保证循环掘进进尺。小断面浅眼掏槽爆破有以下几种形式：,7.3,隧道掏槽爆破技术,（一）斜眼掏槽 1、单向掏槽 由数个炮眼向同一方向倾斜组成。炮眼的布置形式有爬眼掏槽、侧向掏槽、插眼掏槽。,爬眼掏槽,侧向掏槽,插眼掏槽,7.3,隧道掏槽爆破技术,单向掏槽一般用于中硬以下的层状岩层，炮眼方向要尽量垂直于岩层层理。一般在450650之间，应尽量同时起爆，效果更好。爬眼掏槽：适用岩层层理明显的倾斜工作面；侧向掏槽：适用于断面一侧有软弱层或岩层具有垂直的层理并与开挖方向成一角度；插眼掏槽：适用于断面下部有软弱层或岩层层理倾向工作面的场合。,7.3,隧道掏槽爆破技术,2、锥形掏槽 由数个共同向中心倾斜的炮眼组成，爆破后槽子呈角锥形。炮眼布置形式有三角锥形、四角锥形（四门斗）、五角锥形等。,(a)三角锥形(b)四角锥形(c)五角锥形,7.3,隧道掏槽爆破技术,锥形掏槽一般用于较坚硬的整体岩层中。三角锥形掏槽：适用于小断面且岩层节理不发育，层理不明显，石质较破碎的情况。四角锥形掏槽：又称为四门斗。适用于岩层整体均匀，节理不发育，层理不明显，石质较坚硬的岩层。五角锥形掏槽：适用于较坚硬的倾斜岩层与整体岩层。锥形掏槽炮眼倾斜角度一般在600700之间，岩石越硬，倾角越小。眼底距离0.20.4m左右，石质越硬，距离越小。同时起爆效果较好。,7.3,隧道掏槽爆破技术,3、楔形掏槽 由数对（一般为24对）对称的相向倾斜的炮眼组成，爆破后形成楔形的槽子。爆力比较集中，爆破效果较好，掏出的槽子体积较大，适应各种不同坚固程度的岩层。楔形掏槽根据岩层层理不同，分成水平楔形掏槽和垂直楔形掏槽两类。,7.3,隧道掏槽爆破技术,水平楔形掏槽：适用于层理接近于水平或倾斜平缓层面、裂缝和夹层的围岩或均匀整体的围岩。,水平楔形掏槽炮眼布置,7.3,隧道掏槽爆破技术,垂直楔形掏槽：适用于层理大致垂直或倾斜的各种岩层。因为它的所有炮眼都是接近水平的，钻凿方便，利用和装碴同时平行作业，应用比较广泛。其主要形式有普通、剪式和层状三种，,(a)普通(b)剪式(c)层状,7.3,隧道掏槽爆破技术,（二）减轻地震动掏槽形式 在隧道开挖中，软弱围岩段，关键是减小爆破震动强度，确保围岩的稳定。一般掏槽爆破在整个断面爆破中产生最大的地震动强度，因此减小掏槽爆破的地震动强度，常是确保围岩稳定的主要手段。软岩隧道减轻地震动掏是可靠的掏槽形式。其减振原理是从第一段承担小部分岩体爆破开始，分多段爆破，逐步扩大形成槽腔。这样掏槽爆破的每段药量比其它炮眼的每段药量小得多（一般不超过1kg）。,7.3,隧道掏槽爆破技术,软岩减轻地震动掏槽形式,7.3,隧道掏槽爆破技术,（三）直眼掏槽是由若干个彼此距离很近的垂直于开挖面的互相平行的炮眼组成。其中有一个或几个不装药的炮眼（空眼），空眼的作用是给装药眼创造临空面，保证掏槽眼范围内的岩石被破碎。直眼掏槽就是利用一些相互平行、眼距不大的一组炮眼内药包爆炸的巨大功能，爆破处于掏槽内部的岩石，并使之抛出槽外，从而形成一个设定的槽腔。,7.3,隧道掏槽爆破技术,1、直眼掏槽的优缺点 用于中硬岩层或坚硬岩层；由于炮眼与掌子面垂直，炮眼深度不受开挖断面的宽度和高度的限制，适宜钻凿较深的炮眼而提高每循环的进尺。优点：炮眼均垂直掌子面钻进，容易控制，钻眼时各台凿岩机间互相干扰少，便于多台凿岩机同时作业，提高凿眼效率；容易控制眼底深度，使眼底在同一垂直面上；炮眼利用率高，可达90100%；石碴抛掷距离较近，不易打坏支护及机具设备等。缺点：需要较多的炮眼数目和较多的炸药，而且钻眼位置一定要精确，误差不能太大，必须具备熟练的钻眼操作技术。,7.3,隧道掏槽爆破技术,2、浅眼直眼掏槽的典型形式龟裂直眼掏槽五梅花小直径中空直眼掏槽螺旋形掏槽菱形掏槽无空眼直眼掏槽小直径中空直眼掏槽,7.3,隧道掏槽爆破技术,（四）掏槽形式的选定 1、掏槽选定的条件 由以下几方面条件考虑决定：（1）开挖断面的大小及宽度；（2）地质条件；（3）机具器材条件；（4）钻眼爆破技术水平；（5）开挖之技术要求等。2、直眼掏槽与斜眼掏槽的选用条件 根据以上条件把两大类掏槽适用条件加以对比，如下表。,7.3,隧道掏槽爆破技术,直眼掏槽与斜眼掏槽的适用条件,7.3,隧道掏槽爆破技术,二、大断面中深眼掏槽爆破技术所谓大断面，目前尚没有确切的定义，本节所指的大断面是铁路隧道分上下台阶开挖、全断面开挖；（其断面积约在2050m2的范围内）。中深眼也没有统一的规定，一般将炮眼深度1.53.5m定为中深眼。大断面中深眼隧道爆破有以下几种掏槽类型：,7.3,隧道掏槽爆破技术,三、全断面深眼掏槽爆破技术 依赖于钻大直径空眼钻机，主要应用的是大直径中空孔掏槽，（直眼掏槽的一种）。该技术要求钻眼精确，按设计的装药量起爆顺序起爆。炮眼利用率比小直径炮眼掏槽高。一般适用于中硬岩、硬岩的大断面深眼爆破。,7.3,隧道掏槽爆破技术,掏槽设计应考虑以下问题：1、岩石的特性2、空眼的直径与数量 3、最先一段起爆的掏槽眼与空眼的距离 4、炸药性能与装药量5、瞎炮的发生可能6、钻眼爆破的管道效应问题7、钻眼偏差的允许值8、起爆顺序与段间隔时差9、顺向起爆与反向起爆,7.3,隧道掏槽爆破技术,四、竖井掏槽爆破技术 由于竖井是为隧道开挖增加工作面而设置的，故一般是从上往下开挖掘进。常用圆锥型掏槽与大直径空眼掏槽。,圆锥形掏槽,大直径空眼掏槽,7.4,隧道光面爆破技术,定义：光面爆破是一种控制岩体开挖轮廓的爆破技术，是通过一系列措施对开挖工程周边部位实行正确的钻孔和爆破，并使周边眼最后起爆的爆破方法。光面爆破（包括预裂爆破）区别于普通爆破的主要特点是：轮廓成型规整，符合设计断面的轮廓要求，围岩保持稳定，不产生或很少产生炮震裂隙。创造舒适安全的施工条件，能加快施工进度，节省隧道工程造价。,7.4,隧道光面爆破技术,（一）光面爆破作用机理爆破时产生的冲击波和高温高压气体作用在眼壁上，炮眼周围的岩石受到强烈的压缩而破碎，粉碎圈以外的岩石在压缩波作用下产生径向裂缝，当压缩波传到自由面时，因弹性能的释放又以拉伸波的形式向反方向传播，此二拉伸波在其传播过程中把岩石拉成切向裂缝，将岩体拉成岩块，剩余气体的压力把岩块从岩体中抛掷出去，形成相互作用的爆破漏斗。,7.4,隧道光面爆破技术,（二）预裂爆破成缝机理1、成缝机理 爆破时产生的应力波向眼壁四周传播。当应力超过岩石的抗拉强度时，便产生以眼轴为中心的放射短裂缝，其冲击的高温高压气体进入裂缝内，使它们扩展。由于眼与眼之间存在的空眼导向作用，使眼中心连线方向的裂缝得到进一步的扩展，最后形成贯通裂缝。炮眼直径、眼距、装药量及装药结构等选择适当，爆破后就能沿炮眼中心连线方向形成一定宽度的裂缝。这就是应力波和高温高压气综合作用的结果。预裂缝的形成过程如图所示。,7.4,隧道光面爆破技术,预裂缝形成过程,7.4,隧道光面爆破技术,2、基本技术要求（1）预裂缝应达到一定的宽度，通常不宜小于1cm，以便在立体爆破时能有效地削减应力波的强度，减少对保留区围岩产生的破坏。（2）预裂壁面要求比较平整，有效地做到避免欠挖，控制超挖。（3）预裂壁面上应完整地留下半个炮眼痕迹，炮眼壁上没有或很少出现爆破裂隙。炮眼痕迹保存率至少达到50%以上。,7.4,隧道光面爆破技术,光面、预裂爆破的主要参数 普通光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，成型规整轮廓壁面并尽可能多保留半边眼痕迹和减小对围岩的扰动。“爆下来”主要与装药集中度（q）和最小抵抗线（W）有关；“成型规整”主要与炮眼间距（E）炮眼密集系数（mE/W）、最小抵抗线有关；“保留半边眼痕迹和减少围岩扰动”主要与不偶合系数（D=d炮眼/d炸药）有关。影响光面爆破效果的主要参数应是：炮眼间距（E）、周边眼密集系数（m）、最小抵抗线（W）、不偶合系数（D）和装药集中度（q）。它们之间是相互有联系的。,7.4,隧道光面爆破技术,预裂爆破就是沿周边眼先炸开一个规整的裂缝面，主体爆破对减小对围岩的扰动，爆破后保留半边眼痕迹。“炸开一个规整的裂缝面”主要与装药集中度（q）和炮眼间距（E）有关；“保留半边眼痕迹和减小围岩松动”主要与不偶合系数（D）有关。这样，影响预裂爆破效果的主要参数应是：炮眼间距（E）、不偶合系数（D）和装药集中度（q）。,7.4,隧道光面爆破技术,光面、预裂爆破的设计方法光面、预裂爆破的设计，首先应该查阅工程图纸及资料，如隧道地质纵断面图，隧道施工设计文件，施工机具及爆破材料。而后根据现场条件、施工要求综合考虑，通过一两次的试爆，确定光爆参数。设计的内容有：周边眼的间距E、炮眼密集系数（或称相对距离）m、最小抵抗线W、不偶合系数D、装药集中度q、装药结构及起爆方式等。具体设计方法：工程类比法、理论计算方法、半经验半试验确定法等。,7.4,隧道光面爆破技术,工程类比法 参照类似工程的经验数据，根据其工程的具体条件，确定有关参数的方法。采用此法，应根据具体工程条件，对照综合考虑确定之。1、地质条件；2、炸药种类；3、开挖断面的大小及形状；4、钻眼机具设备；5、开挖方法（全断面一次爆破成型，预留光面层）。爆破参数选出后，经过两三次试炮确定之。,7.4,隧道光面爆破技术,理论计算方法 光面爆破参数的计算，各个系统有其自己的经验公式，但尚不够系统化。有的是建立在统计经验数据的基础上创立的，有的是在台阶爆破的基础上加以修正用于隧道爆破，但都有一些局限性。一般采用岩石爆炸力学计算方法。基本思想是：炸药在眼中爆炸时，使作用在眼壁的压力小于其岩石的抗压强度。,半经验、半试验确定法 现场试验发现，根据爆破漏斗理论，通过在现场进行有限次数的单孔及三孔爆破漏斗试验确定光面、预裂爆破参数，是目前比较科学的有实用价值的光面爆破和预裂爆破参数的设计方法，即半经验、半试验法。,7.5,隧道爆破设计,概 述 隧道开挖中，爆破包括有导坑爆破，分部开挖爆破、软岩隧道减轻地震动控制爆破、断层破碎带控制爆破、中硬岩和硬岩全断面深眼爆破等，它们的设计程序、设计文件的编制等是不尽相同的。,7.5,隧道爆破设计,一、导坑爆破设计1.炮眼布置（1）炮眼数目的确定 计算确定炮眼数目：N=KS/（nr）查表确定炮眼数目N。（2）炮眼布置 先布置掏槽眼。然后根据地质情况及开挖断面的大小均匀布置辅助眼和周边眼。导坑断面较大时，可根据上稀下密、周边适当加眼、中部均匀分布的原则布置辅助眼和周边眼。,7.5,隧道爆破设计,（3）炮眼直径与炮眼深度的确定 炮眼直径的确定 1）对大小直径炮眼进行试爆比较 2）对不同直径药卷与炮眼利用率及炮眼 装填系数进行试爆 3）确定炮眼直径 合理炮眼深度的确定 研究对炮眼深度影响的相关因素，如岩石、炸药、炮眼深度与炮眼利用率 的关系等，采 用经验统计值，试爆值和经验公式计算确定。,7.5,隧道爆破设计,2.装药量（1）单位炸药消耗量的确定 考虑炮眼深度对单位炸药消耗量的影响、单位炸药消耗量与炮眼利用率；参照国家统一规定的定额确定或根据单位耗药量的计算。（2）总装药量的计算 Q=KLS（kg）式中Q 一次（一个循环）爆破总装药量，kg；K 单位岩石爆破炸药消耗量，kg/m；L 炮眼深度或循环设计进尺，m；S 导坑断面积，m2。（3）炸药量的分配炸药量的分配根据有关规定的炮眼装药系数进行。当采用直眼掏槽时，掏槽眼可适当增加10%20%，以保证掏槽效果。分配完后，按装整卷药或半卷药的档次进行调正，以便于装药施工。,7.5,隧道爆破设计,3.起爆顺序只有起爆顺序正确才能达到理想的爆破效果，正确的起爆顺序是：先爆破的炮眼为后继爆破的炮眼减小岩石的夹制作用和增大自由面，创造更好的爆破条件。为了保证准确地按设计顺序起爆，应选用毫秒电雷管和非电毫秒雷管起爆。右图导坑炮眼布置中的数码既是炮眼号码也是火雷管起爆的点炮顺序即起爆顺序。,7.5,隧道爆破设计,二、分部开挖爆破设计1.分部开挖爆破的特点 我国钻爆法开挖隧道的施工方法中，应用最多的是分部开挖施工方法。包括下导坑漏斗棚架开挖法、下坑蘑菇形开挖法、正台阶和反台阶开挖法等。（属于小、中断面爆破）从开挖的顺序上，均为先开挖导坑，再进行隧道扩大开挖爆破，最后达到预定的轮廓线。特点具有与露天台阶爆破相类似的两个临空。所不同的是临空面比露天小，一次爆破（或同一段爆破）的规模及用药量应控制，设计考虑隧道爆破的特殊因素，可类比露天台阶爆破进行设计。,7.5,隧道爆破设计,2.分部开挖爆破设计 1、确定炮眼直径d 2、确定炮眼深度L 3、确定抵抗线WW=(1525)d 或 W=(0.30.6)L 4、确定炮眼间距a a=(1.11.8)W 5、计算单孔装药量QQ=rLn(按装药系数进行计算)Q=KLaW(按炸药单耗进行计算)6、计算堵塞长度L0 L0=(0.20.5)W 7、雷管与起爆顺序 8、周边轮廓炮眼的爆破设计,7.5,隧道爆破设计,三、软岩隧道减轻地震动控制爆破设计优点：工序简单、干扰少。工作面宽敞，通风排水条件好。生产效率高。减少了对围岩的扰动次数及地震动强度。降低爆破成本。最大限度减少了围岩暴露时间。有利于采用大型机械进洞。取消木支撑，节约木材。,7.5,隧道爆破设计,2.爆破开挖设计 1、开挖方案的确定 2、周边眼的爆破 3、最大一段允许用药量的确定 4、掏槽形式的选定 5、爆破器材的选择 6、选择合理的段间隔时差 7、循环进尺的选定 8、底板眼的爆破与起爆顺序 9、爆破参数的选定 工程类比法 计算法 现场试验法,7.5,隧道爆破设计,四、断层破碎带控制爆破设计概述：断层破碎带也属于软弱围岩，故断层破碎带控制爆破设计原则与软弱围岩相似，同时还应考虑到断层破碎带的一些特性。断层破碎带爆破技术：除常规的缩短循环进尺、控制装药量外，关键是合理设计周边部位的钻眼，装药参数及装药结构，保证良好的形成，尽可能避免对隧道围岩的扰动破坏作用。施工方法：通常采用上下半断面微台阶施工法,7.5,隧道爆破设计,五、中硬岩、硬岩全断面深眼爆破设计循环进尺的确定钻眼直径的选择炮眼布置(1)炮眼数量的确定 经验公式、曲线查取，如右图 工程类比法选定 经验公式计算确定,7.5,隧道爆破设计,(2)炮眼布置原则(3)炮眼布置图式：,楔形掏槽 环状布置,楔形掏槽 线形布置,直眼掏槽 环状布置,7.5,隧道爆破设计,直眼掏槽线形布置,有下导坑的炮眼布置,大孔距小抵抗线炮眼布置,7.5,隧道爆破设计,最大一般允许用药量的确定总装药量的计算与炸药的分配装药结构合理段间隔时间的选择起爆顺序的安排,7.5,隧道爆破设计,六、隧道爆破设计文件的编制（一）炮眼布置图 开挖断面的正面炮眼布置图，其内容有：炮眼间距、抵抗线、断面尺寸、起爆顺序、装药量。（二）装药参数表 装药参数表应包括以下内容：炮眼名称与编号、钻眼参数、单眼装药量、段装药量、雷管段与装药结构、必要的说明、合计栏。（三）技术经济指标 周边眼钻爆参数；工程量；材料消耗；有关统计数据。（四）设计说明 设计依据；本设计的适用条件；施工要求与注意的问题；机具与材料的有关说明；设计未尽问题说明；安全事项说明。（五）其它必要的补充附图 装药结构图、爆破网路图、钻眼分工顺序图、装药分工顺序图等。,