光面爆破

光面爆破是一種爆出的新壁面保持平整而不受明顯破壞的控制爆破技術。其特點是在設計開挖輪廓線上鑽鑿一排孔距與最小抵抗線相匹配的光爆孔，並採用不耦合裝葯或其他特殊的裝葯結構，在開挖主體爆破后，光爆孔內的裝葯同時起爆，從而形成一個貫穿光爆炮孔且光滑平整的開挖面。

光面爆破技術除了在露天開挖中應用外，在我國許多地下工程(如礦山開拓巷道、地下工廠、水力發電站、油庫、隧道和國防構築物等永久性建築)施工中也取得了良好效果，特別在修建一些水工隧洞時，不但可以減少超挖欠爆的情況，並能使水力摩擦係數降低到用專門襯砌才達到的光滑表面的程度。由此可見，光面爆破是一項合理利用炸藥能量的爆破新技術。

光面爆破的基本原理是控制炸藥的爆破作用，使猛度做功形式更多地轉化為爆力做功形式，降低炸藥爆炸的初始衝量，從而減少對炮眼眼壁岩體的破壞，並控制爆破裂縫沿預計方向發展。通常是根據不同岩層情況，通過合理地選擇炸藥、裝葯結構，正確地選定周邊眼爆破參數(即眼間距、抵抗線、裝藥量)以及保證周邊眼同時起爆等幾項措施來實現的。

炸藥爆破是產生的衝擊波和高溫高壓氣體均作用在岩壁上，炮眼周圍的岩石因受到強烈的壓縮破碎，與此同時形成的壓縮應力波向四面八方傳播。衝擊波的傳播速度比壓縮波快得多，並很快衰減成聲波不再起到壓縮作用。粉碎圈以外的岩石在壓縮波作用下產生徑向裂縫，當壓縮波傳到自由面時，因彈性能的釋放又以拉伸波的形式向反方向傳播，此時中心部分。因空間加大和氣體壓力降低，彈性能於此處開始釋放，生成的拉伸波向離開炮眼中心方向傳播。此二拉伸波在其傳播過程中把岩塊從岩體中拋擲出去，最後形成相互作用的爆破漏斗。當爆破參數選取合理，將形成連續的光滑壁面。

光面爆破與普通爆破法比較，光面爆破有如下顯著特點：

(1)爆破后成型規整，符合設計斷面輪廓要求，特別在鬆軟岩層中更能顯示出光面爆破的作用。光面爆破后通常可在新形成的壁面上殘留清晰可見的半邊孔壁痕迹，超挖量大為減少，從而減少了排渣量，減輕了挖掘裝載運輸系統的負擔；對於噴錨支護的洞室還節省了噴射原材料，加快了掘進速度。

(2)岩體保持穩定，爆破后不產生或很少產生爆震裂隙，原有的構造裂隙不因爆破而有所擴展，增強了圍岩自身的承載力，特別是對於鬆軟破碎岩層其作用和效果尤為顯著。因而可有效地保證施工安全，為快速施工創造了有利條件。

(3)岩壁平整，通風阻力小，不產生瓦斯聚集；岩面上應力集中現象減少，在深部岩壁表面可以減少岩爆的危害，有利安全。

(4)水工隧洞將減少水力損失；澆注混凝土容易並且節省費用。

光面爆破掘進時有兩種施工方案，即全斷面一次爆破和預留光面爆破層分次爆破。

全斷面一次爆破時，按起爆順序分別裝入多段毫秒電雷管或非電塑料導爆管起爆系統起爆，起爆順序為掏槽孔→輔助孔→崩落孔→周邊孔，多用於掘進小斷面單線隧道和巷道。

在大斷面的隧道和硐室掘進時，可採用預留光面爆破層的分次爆破。採用超前掘進小斷面導硐，然後擴大至全斷面，這種方法又稱為修邊爆破。修邊爆破的優點是根據最後留下光面爆破層的具體情況調整爆破參數，這樣可以節約爆破材料，提高光面爆破效果和質量；其缺點是施工工藝複雜，增加了輔助時間。

為保證光面爆破的良好效果，除根據岩層條件、工程要求正確選擇光面爆破參數外，精確的鑽孔也極為重要，是保證光面爆破質量的前提。對鑽孔的要求是“平”、“直”、“齊”、“准”。

炮孔要按照以下要求施工：

(1)所有周邊孔應彼此平行，並且其深度一般不應比其他炮孔深。

(2)各炮孔均應垂直於工作面。實際施工時，周邊孔不可能完全與工作面垂直，必然有一個角度，根據炮孔深度一般此角度取3°～5°。

(3)如果工作面不齊，應按實際情況調整炮孔深度及裝藥量，力求所有炮孔底落在同一個橫斷面上。

(4)開孔位置要準確，偏差值不大於30mm。對於周邊孔開孔位置均應位於掘進斷面的輪廓線上，不允許有偏向輪廓線裡面的誤差。

光面爆破雖在地面和地下開挖工程中應用比較廣泛，但影響光面爆破效果的因素十分複雜，除地質條件、炮孔精度和爆破操作技術外，決定光面爆破效果的主要因素有最小抵抗線、光面眼間距、裝藥量、裝葯結構以及起爆技術等方面。

1．不耦合係數

合理的不耦合係數應使炮孔壓力低於岩壁動抗壓強度而高於動抗拉強度。通常採用1.1～3.0，其中1.5～2.5用得較多。

2．光面眼間距

一般取為炮眼直徑的10～20倍。在節理裂隙比較發育的岩石中應取小值，整體性好的岩石中可取大值。

3．最小抵抗線

光面層厚度或周邊眼到鄰近輔助眼間的距離，是光面眼起爆時的最小抵抗線，一般它應大於或等於光面眼間距。

4．炮孔鄰近係數

炮孔鄰近係數用m表示，即光面炮孔間距與其最小抵抗線之比。m值過大時，爆後有可能在光面眼間的岩壁表面留下岩埂，造成欠挖；m值過小時，則會在新壁面造成凹坑。實踐表明，當m=0.8～1.0時，爆破后的光面效果較好，硬岩中取大值，軟岩中取小值。

5．線裝葯密度

線裝葯密度又叫裝葯集中度，它是指單位長度炮眼中裝藥量的多少(g/m)。為了控制裂隙的發育以保持新壁面的完整穩固，在保證沿炮眼連心線破裂的前提下，應儘可能少裝葯。軟岩中一般可用70～120g/m，中硬岩石中為100～150g/m，硬岩中為150～250g/m。

6．起爆間隔時間

爆破試驗結果表明，齊發起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之，秒差延期起爆最差。齊發起爆時，炮眼間貫通裂隙較長，抑制了其他方向裂隙的發育，有利於減少炮眼周圍裂隙的產生，可形成平整的壁面。所以，在實施光面爆破時，間隔時間愈短，壁面平整的效果愈有保證。應儘可能減小周邊眼間的起爆時差。相鄰光面炮眼的起爆間隔時間不應大於100ms。

影響光面爆破效果的因素包括以下幾方面：

(1)地質條件

工程地質狀況對光面爆破效果的影響較大。採用光面爆破，在相同的爆破條件下，超欠挖量與岩石堅固性係數有較大的關係，它的值越大超欠挖量越小，值越小則超欠挖量越大；斷層、大而密的節理、裂隙、岩脈均易導致大的超挖。裂隙發育程度及傾角，對光面爆破后形成平滑壁面有很大影響。當裂隙方向與要求爆出的岩面方向重合、垂直或岩體完整無裂隙時，效果最好；裂隙與光面爆破面斜交或兒組裂隙相交，則易造成岩石沿節理面脫落。對裂隙少、整體性好、脆硬的岩體，光面爆破的參數可以適當加大，反之應適當減小。

不同的地質條件應採取不同的爆破方式及相應的鑽爆參數。在硬岩、中硬岩且節理不發育、岩體較為完整的岩層中應採用中深孔進行爆破；反之，則採取淺孔光面爆破。在地質構造複雜、裂隙發育的部位，可適當減小炮孔間距，減小線裝葯密度等周邊孔參數，以利於成型，減小爆破對圍岩的擾動。

(2)鑽孔精度

如何保證炮孔間距和最小抵抗線達到設計要求，保證爆破效果，鑽孔精度的影響很大。鑽孔精度與開孔的準確度、鑽進方向的準確性、鑽具的選取是否恰當以及測量放線的準確度等有很大的關係。

對於開孔產生的誤差，可採用在掌子面上標出炮孔位置，或者設置炮孔排間距標尺，以減小或排除開孔誤差。在同樣的鑽孔偏差角條件下，炮孔越深，孔底偏差越大，因此，炮孔越深越應注意控制鑽進方向。為保證鑽孔精度可對鑽孔工人進行專門的培訓，以達到人人能熟練操作。在鑽孔時可採取先鑽鑿一個標準孔，插入炮棍，其他孔與之平行鑽進的方法，或選用能控制鑽孔角度的鑿岩台車。其次，鑽機本身尺寸大小對鑽孔精度也有影響，掘進爆破時，鑽周邊孔必須有一個外插角度，以保證鑿岩機的操作凈空（即兩炮孔之間的銜接台階寬度），這與鑿岩機的型號及本身尺寸的大小有關。另外，還需要減少測量放線的誤差，採用儀器測量的正常誤差一般較小，可以滿足要求；若採用掛中線靠肉眼瞄準的目測方法，則可能產生較大的誤差；放線時間隔太長造成的誤差也很大。為減小或儘可能消除測量誤差，尤其是半斷面或全斷面開挖爆破，應堅持每個循環都用儀器測量放線，並用五寸台式坐標法認真放出開挖輪廓。

(3)爆破技術本身

1)炸藥品種和裝藥量的影響。光面爆破所採用的炸藥與主體爆破所用的炸藥相比，爆速要低一些，密度要小一些，爆力要大一些，這樣有利於實現光面爆破。炸藥葯卷的直徑應根據炮孔的直徑來選擇，如前面所述不耦合係數一般為1.25~2.0。若採用間隔裝葯，以裝葯長度的平均線裝葯密度計，對岩石掘進爆破一般為0.1～0.3kg/m。裝葯尺度應根據岩體性質、鑽孔參數、炸藥類別綜合考慮，過大容易破壞光面爆壁，過小則爆不下來。

2)起爆方法的影響。無論採用電雷管起爆還是非電雷管起爆都必須保證起爆成功。在不耦合係數較大的情況下，應綁紮一根導爆索，以免由於間隙效應引起爆轟中斷現象發生。若起爆時差大於0.1S，則可認為是逐個炮孔單獨起爆，所以，在光面爆破時應選用高精度的毫秒雷管。

3)裝葯結構與堵塞質量的影響。裝葯過於集中或者炸藥沿炮孔全長分佈不均勻都將影響光面爆破的質量。在有條件使用光面爆破專用炸藥的情況下應優先考慮選用光面爆破炸藥進行連續裝葯，孔底適當加大藥量。若沒有光面爆破專用炸藥，通常選用導爆索和自製小葯卷，綁紮在竹片上形成串狀裝葯結構（孔底間隔應小一些）。在軟岩中，還可以採用由導爆索束形成的裝葯結構。對光面爆破來說，炮孔的堵塞質量也很重要，應引起足夠重視。

為了減少超挖。減輕爆破對圍岩的擾動．獲得既符合設計要求又平整、穩定的圍岩，降低工程成本，掘進施工中應採用光面爆破。

為搞好光面爆破，應採取以下技術措施：

(1)合理布置周邊眼。周邊眼布置參數包括眼距E和最小抵抗線W，兩者既相互獨立又相互聯繫。E值與岩石的性質有關，一般為40～70cm，層節理髮育、不穩定的鬆軟岩層中應取較小值。W值與E值相關，兩者的比值m（m=E/W，稱周邊炮眼密集係數，隧道中稱相對距離）一般為0.8～1.0，軟岩時取小值，硬岩和斷面大時取大值。

(2)合理選擇裝葯參數。根據經驗，周邊眼的裝藥量約為普通裝藥量的1/73～2/3，並採用小直徑葯卷、低密度、低爆速炸藥。裝葯結構採用不耦合裝葯或空氣柱裝葯。小直徑葯卷在孔可連續裝填，也可用導爆索連接、分段裝葯。

(3)精心實施鑽爆作業。炮眼應相互平行且垂直於工作面，眼底要落在同一平面，開孔位置準確，都落在設計掘進斷面輪廓線上。炮眼偏斜角度不要超過5°。內圈眼與周邊眼應採用相同的斜率鑽眼。

(4)採取一些特殊的措施和新技術，如切槽法、聚能藥包法、縫管法等。

切槽法是利用專用工具在相鄰兩孔連線的孔壁上切割出V形對稱溝槽，炸藥爆炸后應力優先在溝槽尖端擴展，並與鄰孔貫穿，從而形成裂縫，達到光面爆破的目的。聚能藥包法是改變葯卷自身的結構，沿葯捲軸向壓制出V形聚能槽，利用聚能原理，使爆炸壓力匯聚於孔壁上並優先沿開挖面周邊發生貫穿裂縫。縫管法是將炸藥裝在塑料管中，管子兩側切割出縫隙，縫隙應在相鄰兩孔的連線上，炸藥能量首先從縫隙中釋出，在孔壁上產生預裂縫，然後在爆生氣體壓力下使裂縫擴展。

全斷面一次爆破時，應按起爆順序分別裝入間隔為25ms的毫秒延期電雷管。大斷面隧道採用分次開挖時，可採用預留光面層的方法，分次爆破。

在整個隧道施工作業中，爆破開挖方案的好壞對隧道爆破開挖速度起著決定性的作用。同時，爆破效果的好壞直接影響後期裝岩運輸和襯砌支護的速度和成本。鑽眼爆破開挖應達到以下要求：斷面形狀和尺寸符合設計要求；石渣塊大小適中，便於裝岩和運輸工作；掘進速度快，鑽孔工作量小，炸藥消耗量小；有較好的爆破效果，表面平整，超欠挖量符合設計要求，對圍岩的損傷破壞小。為了做到既降低爆破對圍岩的損傷，又能實現較大的進尺，在隧道開挖爆破中採用光面爆破技術。

爆破方法對圍岩穩定性有很大影響，研究結果表明，爆破影響總厚度與岩性有關，與爆破方法有關。在堅硬完整的岩層中與在軟弱破碎的岩層中爆破，前者爆破影響範圍小得多，無論在堅硬完整的岩層中，還是在軟弱破碎的岩層中，光面爆破對圍岩破壞最輕，而普通爆破法最嚴重，有時其圍岩破壞總厚度甚至達到控制爆破的2-3倍。

針對工程對海洋生態環境的保護及減少爆破震動對圍岩的影響，海底隧道爆破開挖時在軟弱破碎圍岩段宜採用台階分部法或CRD法開挖，在較完整硬岩段採用風鑽人工鑽爆，分上下斷面開挖支護。出碴運輸採用機械配套。

預裂爆破和光面爆破在壩基、邊坡開挖中較多的運用。光面爆破在隧道開挖中的運用尤其廣泛。