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【摘要】光面爆破是通过控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术，广泛应用于隧道开挖施工过程中。本文详细介绍了光面爆破的工作机理、参数选定及工艺方法。
【关键词】光面爆破；基本参数；炮眼布置
Study on Application of smooth blasting technology in tunnel construction
Guo Jie-rong,Ju Xin-chang
【Abstract】Smooth blasting is the scope and direction controlled blasting technology, that makes the rock surface smooth, prevents the rock cracking, reduces excess excavation and under excavation and support, increases the stability of rock blasting vibration on the surrounding rock, weakens the disturbance, and thencontrols the rock excavation outline, widely used in tunnel excavation process. This paper introduces the working mechanism of smooth blasting, parameter selection and processing method.
【Key words】Smooth blasting;Basic parameters;The blast hole layout
1. 前言
光面爆破简称光爆，是一种合理利用炸药能量的控制爆破技术。就是控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩光滑平整，防止岩面开裂，减少超、欠挖和支护工作量，增加岩壁的稳定性，减少爆破的振动作用，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。
2. 光面爆破的发展历史
（1）20世纪50年代初期，在瑞典由哈格卓普（Hagthorpe）、达尔伯格（Dahlborg）等人首次进行了光爆的研究，并在隧道的均质岩石爆破实验中获得了像刀切一样平整光滑的表面，称之为Smooth Blasting，译为“光面爆破”。接着这项技术很快传到挪威、加拿大、美国，并得到发展，先后创造了一些新的光爆方法，如预裂爆破法、缓冲爆破法等。
（2）20世纪60年代，光面爆破技术传到我国。光面爆破在我国的发展，是随着我国推广应用锚喷支护结构而相应发展起来的。近40年来，这项技术在我国已相当成熟，并取得了显著的技术经济效益。光爆是锚喷支护的重要前提和基础，光爆和锚喷的有机结合构成了目前广为推广使用的“光爆锚喷技术”。
3. 光面爆破的原理［1］
3.1应力波叠加作用理论。
当同时起爆的相邻炮孔间产生的应力波，在炮眼连心线的中点相
遇时，便产生波的叠加。于是在重叠连心线中心的方向上生成拉应力。如果合成拉应力值超过岩石极限抗拉强度时，两个炮眼中间首先产生裂隙，然后沿连心线向两个炮眼方向发展，最后形成断裂面。
3.2静压力作用理论。
由于空气间隙的缓冲作用，使作用于眼壁的冲击波波峰压力消
失，然后爆轰气体产物在眼中能较长时间地维持高压状态。在这种准静压力的作用下，在炮眼连心线上产生非常大的切向拉伸，应力，而且在连心线与眼壁相交处产生最大的应力集中，两个炮眼越接近，应力集中越显著。因此，在眼壁上应力集中处首先出现拉伸裂隙，然后这些裂隙沿炮眼连线向外延伸，而形成平整的断裂面。
3.3应力波和炮轰气体共同作用理论。
首先，在最先起爆装药眼应力波的作用下，不仅在装药孔的周围，
而且在相邻孔的壁面上，沿预裂面生成封闭裂隙。随后 在已形成裂隙的装药孔内起爆炸药，使封闭裂隙进一步扩展，沿预裂面形成很长的裂隙，而其他方向产生的裂隙则不多。同时，随着该装药孔的起爆，还使相邻装药孔周围生成新的裂缝。于是，在后继装药孔依次起爆的炮孔，使封闭裂隙越来越大。在应力波生成裂隙结束瞬间，还有相当大的爆破气体压力作用，使封闭裂隙沿着各孔的连线得到进一步扩大，结果使各封闭裂隙相互贯通，形成一条贯穿裂隙，岩石便沿这一裂隙裂开。
4. 光面爆破参数
爆破基本参数主要包括炮眼深度、炮眼直径和炮眼数目，应根据
地下工程施工的地质条件、岩石性质、施工机具和爆破材料等确定［2］。
4.1炮眼深度。
合理的炮眼深度应使爆破效率高、爆破质量好、辅助作用时间长、
掘进速度快和施工成本低，并有利于组织循环作业。在确定炮眼深度时主要考虑因素有：断面的大小及掏槽眼的类型；钻眼机具可能达到的最大钻眼深度；炸药的传爆距离；围岩的地质及水文地质情况等。
确定炮眼深度的方法主要有：
4.1.1按月进度计划估算炮眼深度。
其计算公式如下:
l=LNnη1η
式中l——炮眼平均深度，m。
L——月进度计划指标，m。
N——每月实际用于掘进的作业天数。
n——每月可能完成的掘进循环数。
η1 ——正循环率，一般取0.85～0.9。
η ——炮眼利用率，一般取0.8～0.85。
4.1.2根据循环作业时间计算炮眼深度。
其计算公式如下:
l=l1cosα=(T-t)cosαNmV+SηKcosαnP
式中 l1——炮眼长度，m。
α——炮眼平均倾角；
T——掘进一循环总时间，min。
t——装药、放炮、通风及工序转换损失时间之和，一般为20～60min。
N——炮眼数目。
m——同时工作的凿岩机台数。
V——每台凿岩机平均钻速，m/min。
S——掘金断面积，m2。
η ——炮眼利用率；
K——岩石松散系数，取1.8～2.0。
n——同时工作的装岩机台数。
P——每台装岩机实际生产率，m3/min。
——装岩与钻眼不平行作业系数，一般为0.4～0.5。
4.1.3取现有一般装备水平最优炮眼深度经验值
根据国内外经验，炮眼深度一般不超过4m。
4.2炮眼直径。
炮眼直径应保证药包能顺利地装入炮眼中，一般按下式确定，即:
=d+(4～6)
式中——炮眼直径，mm。
d——药包直径，各类炸药的药包外直径一般为：铵锑类炸药为25和35mm；水胶炸药为25、32、35、45和80mm；乳化炸药为32、35和45mm。
国内外掘进常用的炮眼直径为35～45mm。
4.3炮眼数目。
炮眼数目主要根据岩石性质、隧道断面大小和炮眼布置等因素综
合确定，其方法主要有两种。
4.3.1根据单位炸药消耗量估算炮眼数目。
其计算公式如下：
N=qsmη αp
q——单位炸药消耗量，Kg/m3。
s——隧道掘进断面积，m2。
m——每个药包长度，m。
η——炮眼利用率。
α——装药系数，即装药长度与炮眼长度之比，一般为0.5～0.7；
P——每个药包的重量，Kg。
4.3.2根据工程类比法确定。
根据以往的经验数据选取，并在施工中不断试验，不断总结，加
以修定以确定合理的炮眼数目。
5. 炮眼布置［1］
5.1掏槽眼。
掏槽眼的作用是在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创
造新的临空面。掏槽方式分为斜眼掏槽、直眼掏槽和混合掏槽三种。掏槽眼受周围岩石的夹制作用，故常采用较大的炸药单耗量k值和较大的装药系数 α值，以增大爆破粉碎区，并利用爆破冲击波及爆炸产物作功，将岩石抛出槽口，一般的，直眼掏槽k值在10～20Kg/m3之间，斜眼掏槽k值小一些。为保证掏槽眼能有效地将石渣抛出槽口，常将掏槽眼比设计掘进进尺加深10～20cm，并采用孔底反向装药和双雷管起爆。槽口尺寸常在1.0～2.5m2之间，要与循环进尺、断面大小和掏槽方式相协调。
5.2辅助眼。
在掏槽眼以外布置辅助眼进行扩槽，其主要参数有：
（1）抵抗线W1
辅助眼的抵抗线主要与岩石性质、炸药威力和药卷直径等因素有
关，一般取W1=550-600mm.辅助眼的眼口与眼底应均匀分布在掏槽眼与周边眼之间。紧邻周边眼的辅助眼要保证周边眼的抵抗线W符合光面爆破的要求，它的抵抗线W1对于松软破碎岩层可取W1= W+（100-150）mm；对于中硬以上较完整岩层可取W1= W。
（2）眼距E1
辅助眼的眼距一般为E1=500-600mm.对于紧邻周边眼的辅助眼应
为周边眼的光爆创造条件，所以应采取与隧道轮廓线相似的形状布置，使之与周边眼的间距大致相等以产生等厚的光面层，它的眼距E1值，对于松软破碎岩层可取E1= W；对于中硬以上较完整岩层可取E1= W+（100-150）mm。
（3）装药系数 α1
装药系数是指装药长度与炮眼长度之比值，对于辅助眼一般取
α1=0.45-0.6。
（4）辅助眼的布置。
首先将掏槽眼和周边眼布置完毕后，在剩余空间按选定的W1和
E1均匀布置即可。
5.3周边眼。
周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角度一般为3～5°。偏斜角度的大小，可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外约100mm处。
周边眼的布置及装药量对光爆效果起决定性作用，主要参数有:
（1）眼距E1
主要根据岩石性质和隧道轮廓线的曲率确定。一般为E1=400-500mm，对于节理发育的松软岩层取下限，反之取上限。在隧道交叉点和曲线部分施工时，眼距一般以300～400mm为宜。
（2）抵抗线W。
确定周边眼的抵抗线，要涉及周边孔密度系数的概念。所谓周边孔密度系数是指周边眼间距与最小抵抗线之比值，即：
M=E/W
式中M——周边孔密度系数；
E——周边眼间距，mm。
W——周边眼最小抵抗线，mm。
周边孔密度系数的大小，对光面爆破效果影响很大。大量的工程实践证明，周边孔密度系数一般取M=0.8-1.0比较合适，从而由上式便可确定周边眼抵抗线。
（3）装药集中度α 。
周边眼的装药量通常以单位炮眼长度（不包括充填炮泥段的
长度）的平均装药重量表示，称为装药集中度，单位为g/m。它与岩石性质、炸药管威力等因素有关，一般f<3时，取 α =100-150g/m；f=3-6时，取 α =150-200g/m；f>6时，取α=200-300g/m。上述数值只适用于2号岩石硝铵炸药，如用其他炸药时，则应按其爆力值进行折算。
（4）周边眼数及空孔作用。
一般情况下，周边眼可以在隧道断面图上按选取的眼距E直
接布置即可，亦可按下式计算并取整数值，即：
N=V/E
式中 V——隧道掘进轮廓线的周长，mm。
E——周边眼间距，mm。
N——周边眼数目，取整数。
当遇到软弱、破碎的岩层时，或者将眼间距E适当增加100mm左右；或者在原布置的周边眼间适当增加1～2个空眼，以便在两装药眼之间形成裂隙时起导向作用。根据实验测定，在炮眼连心线与空孔交点上的应变值，要比没有空孔时大2.2倍，所以在该点上会出现拉伸裂隙，从而提高了光爆效果。［3］
6. 结语
（1）采用光面爆破形成的周边轮廓线较精确地符合设计要求，爆破后岩面平整，消除了围岩凸凹处的应力集中，几乎看不到爆破裂隙，原有裂隙也不因爆破影响而有明显的扩展，从而最大限度的保持了围岩自身强度，增强了围岩的自撑能力。
（2）光面爆破大大减少了掘进超挖量（一般普通爆破的超挖量为20～30％，而光爆的超挖量只有4～6％）。因此，可减少材料的消耗，从而降低了成本，加快了施工速度。光爆可减少岩面的危石量，可保持围岩的整体性和稳定性，有利于施工安全。
（3）光面爆破与锚喷支护配合使用，成为目前地下工程施工中一套多快好省的施工方法。
参考文献
［1］张向东，张树光，刘松.锚杆支护配套技术设计与施工.北京：中国计划出版社，2003.
［2］于书翰，杜谟远.隧道施工.北京：人民交通出版社，2001.
［3］王毅才. 隧道工程.北京：人民交通出版社，1987.
［文章编号］1006-7619（2014）06-19-334
［作者简介］ 郭杰荣（1978.9-），男，学历：本科，职称：工程师，土木工程。
巨新昌（1972.2-），男，学历：硕士研究生，职称：工程师，岩土工程。
【关键词】光面爆破；基本参数；炮眼布置
Study on Application of smooth blasting technology in tunnel construction
Guo Jie-rong,Ju Xin-chang
【Abstract】Smooth blasting is the scope and direction controlled blasting technology, that makes the rock surface smooth, prevents the rock cracking, reduces excess excavation and under excavation and support, increases the stability of rock blasting vibration on the surrounding rock, weakens the disturbance, and thencontrols the rock excavation outline, widely used in tunnel excavation process. This paper introduces the working mechanism of smooth blasting, parameter selection and processing method.
【Key words】Smooth blasting;Basic parameters;The blast hole layout
1. 前言
光面爆破简称光爆，是一种合理利用炸药能量的控制爆破技术。就是控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩光滑平整，防止岩面开裂，减少超、欠挖和支护工作量，增加岩壁的稳定性，减少爆破的振动作用，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。
2. 光面爆破的发展历史
（1）20世纪50年代初期，在瑞典由哈格卓普（Hagthorpe）、达尔伯格（Dahlborg）等人首次进行了光爆的研究，并在隧道的均质岩石爆破实验中获得了像刀切一样平整光滑的表面，称之为Smooth Blasting，译为“光面爆破”。接着这项技术很快传到挪威、加拿大、美国，并得到发展，先后创造了一些新的光爆方法，如预裂爆破法、缓冲爆破法等。
（2）20世纪60年代，光面爆破技术传到我国。光面爆破在我国的发展，是随着我国推广应用锚喷支护结构而相应发展起来的。近40年来，这项技术在我国已相当成熟，并取得了显著的技术经济效益。光爆是锚喷支护的重要前提和基础，光爆和锚喷的有机结合构成了目前广为推广使用的“光爆锚喷技术”。
3. 光面爆破的原理［1］
3.1应力波叠加作用理论。
当同时起爆的相邻炮孔间产生的应力波，在炮眼连心线的中点相
遇时，便产生波的叠加。于是在重叠连心线中心的方向上生成拉应力。如果合成拉应力值超过岩石极限抗拉强度时，两个炮眼中间首先产生裂隙，然后沿连心线向两个炮眼方向发展，最后形成断裂面。
3.2静压力作用理论。
由于空气间隙的缓冲作用，使作用于眼壁的冲击波波峰压力消
失，然后爆轰气体产物在眼中能较长时间地维持高压状态。在这种准静压力的作用下，在炮眼连心线上产生非常大的切向拉伸，应力，而且在连心线与眼壁相交处产生最大的应力集中，两个炮眼越接近，应力集中越显著。因此，在眼壁上应力集中处首先出现拉伸裂隙，然后这些裂隙沿炮眼连线向外延伸，而形成平整的断裂面。
3.3应力波和炮轰气体共同作用理论。
首先，在最先起爆装药眼应力波的作用下，不仅在装药孔的周围，
而且在相邻孔的壁面上，沿预裂面生成封闭裂隙。随后 在已形成裂隙的装药孔内起爆炸药，使封闭裂隙进一步扩展，沿预裂面形成很长的裂隙，而其他方向产生的裂隙则不多。同时，随着该装药孔的起爆，还使相邻装药孔周围生成新的裂缝。于是，在后继装药孔依次起爆的炮孔，使封闭裂隙越来越大。在应力波生成裂隙结束瞬间，还有相当大的爆破气体压力作用，使封闭裂隙沿着各孔的连线得到进一步扩大，结果使各封闭裂隙相互贯通，形成一条贯穿裂隙，岩石便沿这一裂隙裂开。
4. 光面爆破参数
爆破基本参数主要包括炮眼深度、炮眼直径和炮眼数目，应根据
地下工程施工的地质条件、岩石性质、施工机具和爆破材料等确定［2］。
4.1炮眼深度。
合理的炮眼深度应使爆破效率高、爆破质量好、辅助作用时间长、
掘进速度快和施工成本低，并有利于组织循环作业。在确定炮眼深度时主要考虑因素有：断面的大小及掏槽眼的类型；钻眼机具可能达到的最大钻眼深度；炸药的传爆距离；围岩的地质及水文地质情况等。
确定炮眼深度的方法主要有：
4.1.1按月进度计划估算炮眼深度。
其计算公式如下:
l=LNnη1η
式中l——炮眼平均深度，m。
L——月进度计划指标，m。
N——每月实际用于掘进的作业天数。
n——每月可能完成的掘进循环数。
η1 ——正循环率，一般取0.85～0.9。
η ——炮眼利用率，一般取0.8～0.85。
4.1.2根据循环作业时间计算炮眼深度。
其计算公式如下:
l=l1cosα=(T-t)cosαNmV+SηKcosαnP
式中 l1——炮眼长度，m。
α——炮眼平均倾角；
T——掘进一循环总时间，min。
t——装药、放炮、通风及工序转换损失时间之和，一般为20～60min。
N——炮眼数目。
m——同时工作的凿岩机台数。
V——每台凿岩机平均钻速，m/min。
S——掘金断面积，m2。
η ——炮眼利用率；
K——岩石松散系数，取1.8～2.0。
n——同时工作的装岩机台数。
P——每台装岩机实际生产率，m3/min。
——装岩与钻眼不平行作业系数，一般为0.4～0.5。
4.1.3取现有一般装备水平最优炮眼深度经验值
根据国内外经验，炮眼深度一般不超过4m。
4.2炮眼直径。
炮眼直径应保证药包能顺利地装入炮眼中，一般按下式确定，即:
=d+(4～6)
式中——炮眼直径，mm。
d——药包直径，各类炸药的药包外直径一般为：铵锑类炸药为25和35mm；水胶炸药为25、32、35、45和80mm；乳化炸药为32、35和45mm。
国内外掘进常用的炮眼直径为35～45mm。
4.3炮眼数目。
炮眼数目主要根据岩石性质、隧道断面大小和炮眼布置等因素综
合确定，其方法主要有两种。
4.3.1根据单位炸药消耗量估算炮眼数目。
其计算公式如下：
N=qsmη αp
q——单位炸药消耗量，Kg/m3。
s——隧道掘进断面积，m2。
m——每个药包长度，m。
η——炮眼利用率。
α——装药系数，即装药长度与炮眼长度之比，一般为0.5～0.7；
P——每个药包的重量，Kg。
4.3.2根据工程类比法确定。
根据以往的经验数据选取，并在施工中不断试验，不断总结，加
以修定以确定合理的炮眼数目。
5. 炮眼布置［1］
5.1掏槽眼。
掏槽眼的作用是在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创
造新的临空面。掏槽方式分为斜眼掏槽、直眼掏槽和混合掏槽三种。掏槽眼受周围岩石的夹制作用，故常采用较大的炸药单耗量k值和较大的装药系数 α值，以增大爆破粉碎区，并利用爆破冲击波及爆炸产物作功，将岩石抛出槽口，一般的，直眼掏槽k值在10～20Kg/m3之间，斜眼掏槽k值小一些。为保证掏槽眼能有效地将石渣抛出槽口，常将掏槽眼比设计掘进进尺加深10～20cm，并采用孔底反向装药和双雷管起爆。槽口尺寸常在1.0～2.5m2之间，要与循环进尺、断面大小和掏槽方式相协调。
5.2辅助眼。
在掏槽眼以外布置辅助眼进行扩槽，其主要参数有：
（1）抵抗线W1
辅助眼的抵抗线主要与岩石性质、炸药威力和药卷直径等因素有
关，一般取W1=550-600mm.辅助眼的眼口与眼底应均匀分布在掏槽眼与周边眼之间。紧邻周边眼的辅助眼要保证周边眼的抵抗线W符合光面爆破的要求，它的抵抗线W1对于松软破碎岩层可取W1= W+（100-150）mm；对于中硬以上较完整岩层可取W1= W。
（2）眼距E1
辅助眼的眼距一般为E1=500-600mm.对于紧邻周边眼的辅助眼应
为周边眼的光爆创造条件，所以应采取与隧道轮廓线相似的形状布置，使之与周边眼的间距大致相等以产生等厚的光面层，它的眼距E1值，对于松软破碎岩层可取E1= W；对于中硬以上较完整岩层可取E1= W+（100-150）mm。
（3）装药系数 α1
装药系数是指装药长度与炮眼长度之比值，对于辅助眼一般取
α1=0.45-0.6。
（4）辅助眼的布置。
首先将掏槽眼和周边眼布置完毕后，在剩余空间按选定的W1和
E1均匀布置即可。
5.3周边眼。
周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角度一般为3～5°。偏斜角度的大小，可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外约100mm处。
周边眼的布置及装药量对光爆效果起决定性作用，主要参数有:
（1）眼距E1
主要根据岩石性质和隧道轮廓线的曲率确定。一般为E1=400-500mm，对于节理发育的松软岩层取下限，反之取上限。在隧道交叉点和曲线部分施工时，眼距一般以300～400mm为宜。
（2）抵抗线W。
确定周边眼的抵抗线，要涉及周边孔密度系数的概念。所谓周边孔密度系数是指周边眼间距与最小抵抗线之比值，即：
M=E/W
式中M——周边孔密度系数；
E——周边眼间距，mm。
W——周边眼最小抵抗线，mm。
周边孔密度系数的大小，对光面爆破效果影响很大。大量的工程实践证明，周边孔密度系数一般取M=0.8-1.0比较合适，从而由上式便可确定周边眼抵抗线。
（3）装药集中度α 。
周边眼的装药量通常以单位炮眼长度（不包括充填炮泥段的
长度）的平均装药重量表示，称为装药集中度，单位为g/m。它与岩石性质、炸药管威力等因素有关，一般f<3时，取 α =100-150g/m；f=3-6时，取 α =150-200g/m；f>6时，取α=200-300g/m。上述数值只适用于2号岩石硝铵炸药，如用其他炸药时，则应按其爆力值进行折算。
（4）周边眼数及空孔作用。
一般情况下，周边眼可以在隧道断面图上按选取的眼距E直
接布置即可，亦可按下式计算并取整数值，即：
N=V/E
式中 V——隧道掘进轮廓线的周长，mm。
E——周边眼间距，mm。
N——周边眼数目，取整数。
当遇到软弱、破碎的岩层时，或者将眼间距E适当增加100mm左右；或者在原布置的周边眼间适当增加1～2个空眼，以便在两装药眼之间形成裂隙时起导向作用。根据实验测定，在炮眼连心线与空孔交点上的应变值，要比没有空孔时大2.2倍，所以在该点上会出现拉伸裂隙，从而提高了光爆效果。［3］
6. 结语
（1）采用光面爆破形成的周边轮廓线较精确地符合设计要求，爆破后岩面平整，消除了围岩凸凹处的应力集中，几乎看不到爆破裂隙，原有裂隙也不因爆破影响而有明显的扩展，从而最大限度的保持了围岩自身强度，增强了围岩的自撑能力。
（2）光面爆破大大减少了掘进超挖量（一般普通爆破的超挖量为20～30％，而光爆的超挖量只有4～6％）。因此，可减少材料的消耗，从而降低了成本，加快了施工速度。光爆可减少岩面的危石量，可保持围岩的整体性和稳定性，有利于施工安全。
（3）光面爆破与锚喷支护配合使用，成为目前地下工程施工中一套多快好省的施工方法。
参考文献
［1］张向东，张树光，刘松.锚杆支护配套技术设计与施工.北京：中国计划出版社，2003.
［2］于书翰，杜谟远.隧道施工.北京：人民交通出版社，2001.
［3］王毅才. 隧道工程.北京：人民交通出版社，1987.
［文章编号］1006-7619（2014）06-19-334
［作者简介］ 郭杰荣（1978.9-），男，学历：本科，职称：工程师，土木工程。
巨新昌（1972.2-），男，学历：硕士研究生，职称：工程师，岩土工程。