隧道光面爆破超挖控制的关键技术研究

引言

光面爆破通过控制隧道周边一圈炮眼（称为周边眼或轮廓眼）的爆破作用，使其形成贯穿裂缝并沿设计轮廓面整齐崩落，从而最大程度保护设计轮廓线以外的围岩不受破坏。隧道光面爆破超挖控制是通过精确测量、密集布孔、小直径药卷不耦合装药、严格控制装药量、确保周边眼最后同时起爆、预留光爆层等一系列精细化的技术和管理措施，利用炸药能量在周边眼间形成贯穿裂缝，引导岩石沿设计轮廓面精确崩落，从而将实际开挖轮廓与设计轮廓的偏差（超挖和欠挖）降到最低限度。

1 工程概况

本文以某隧道工程举例，隧道类型为分离式双向四车道高速公路隧道，左线为 2850m，右线为2890m，开挖断面净宽14.5m，净高 7.2m，围岩等级II～IV 级，以花岗岩、凝灰岩为主，局部节理发育。为了提高隧道成型质量、降低支护成本、保障施工安全，该工程采取光面爆破超挖控制技术。

2 隧道光面爆破超欠挖原因

2.1 钻孔精度不足

首先，孔位偏差。测量放样误差、台车定位不准、钻机就位偏差、钻杆晃动等因素会造成周围孔实际位置偏离设计位置。其次，钻孔角度偏差。钻机操作手技术不熟练、钻杆导向差、钻孔平台不平整、岩面不平整等因素造成开孔困难，使得钻孔方向不符合设计要求，外插角过大则会造成超挖问题形成，过小或内插则容易发生欠挖。最后，孔深偏差。钻孔深度控制不严，影响爆破效果以及轮廓面的形成。

2.2 装药结构与参数不合理

首先，装药量过大，周围孔装药量过大或炸药单耗过高，爆破能量过强，破坏围岩范围超出设计轮廓线，从而会引发超挖问题。其次，装药量不足，装药量过小或装药不连续，能量不足以完全破碎岩石到设计轮廓线，从而会引发欠挖问题。最后，装药结构 药卷 接近炮孔直径，爆炸冲击波直接作用于孔壁，粉碎区大，易超挖。光面爆破要求不 （药卷直径小于炮孔直径）；药卷未置于炮孔中心或未按要求间隔布置（如空气间隔装药），导致能量分布不均；孔口堵塞长度不足或堵塞材料（如炮泥）不密实，爆炸气体过早逸出，能量利用率低，影响轮廓面形成效果，可能导致欠挖或局部超挖。

2.3 爆破参数设计不合理

比如周边孔间距过大，孔间距超过岩石的破碎能力，炮孔间的岩石无法有效贯通，形成“岩埂”导致欠挖；周边孔间距过小，虽能保证贯通，但可能造成能量过于集中，导致超挖，且增加钻孔成本。再有就是最小抵抗线过大， 周边孔到邻近辅助孔的距离过大，辅助孔爆破后形成的临空面距离周边孔过远，周边孔爆破时岩石夹制作用大，容易出现欠挖；最小抵抗线过小，辅助孔爆破后形成的临空面距离周边孔过近，周边孔爆破时岩石容易被“震松”抛出，容易引发超挖。

3 隧道光面爆破超挖控制关键技术的应用

3.1“新奥法”技术的应用

新奥法（NATM）的核心思想是“保护围岩、发挥围岩自承能力、监控量测、动态设计”。首先，“保护围岩”与“减少扰动”。新奥法强调开挖过程需要尽可能减少对围岩的破坏，超挖本身就是对围岩的过度破坏，削弱了其自承能力。该技术应用中，要严格控制周边孔爆破能量，要求周边孔采用低威力炸药、小直径药卷、不耦合装药，保证爆炸能量刚好能够沿着炮孔连线形成贯通裂缝，而不产生过大的粉碎区和破坏区；强调应用轮廓爆破技术，光面爆破本身为新奥法推荐的开挖技术之一，可形成光滑、规则的开挖面，最大限度的减少超欠挖，有效保护围岩。其次，新奥法要求及时施作初期支护，良好的光爆效果为初期支护提供了良好基础，减少了因为超挖过大导致的空洞和不密实喷射，反之，及时支护也稳定了因为爆破略微松动的围岩，避免后续掉块形成事实上的超挖。

3.2 提高炮眼钻孔技术

该技术是最直接、最关键的环节。首先，采用高精度钻孔设备。优先采用配置三维定位系统、自动钻孔臂和钻孔管理软件的电脑台车。操作手输入设计孔位和角度后，系统自动精确定位钻臂和钻杆，减少人为误差。在简易台车和人工钻孔的时候，采用激光指向仪或投影仪，在掌握子面清晰投射出设计开挖轮廓线和周围孔位，作为钻孔的基础，然后采用性能稳定、导线性好、钻杆刚性强的钻机，做好钻机的定期维护与保养，提高设备精度。其次，精细化钻孔操作与管理。每次台车移动到位后，需要采用全站仪等精密仪器进行精准定位与调平，确保其基准准确。根据测量放线的结果，在掌子面清晰、准确的标注出每个周边孔的开孔位置，用红油漆标注。最关键的在于精准控制钻孔角度，通过角度仪或台车自带角度显示系统严格控制钻杆的外插角度 (1～3^∘ ），外插角过大是造成超挖的主要原因，而且开孔位置要准确且钻杆方向稳定，在破碎岩层或节理发育处开孔时，使用短钻杆或导向套辅助开孔，避免“跑偏”。

3.3 提高测量放线的精度

首先，采用高精度测量设备与技术。利用高精度全站仪/激光扫描仪进行隧道中线、高程控制测量以及开挖轮廓线的放线。采用自由设站法提高测量精度和测量的效率，并且通过专业测量软件进行超欠挖量计算以及断面设计。其次，优化测量流程。定期复测隧洞中的控制点，保证精准可靠；将设计轮廓线精准放样到掌子面上，保持线条清晰，曲线段或变截面段需要加密放样点。按照设计图在掌子面上对每个周边孔的中心位置进行定位，放样后需要不同测量人员对孔位进行复核，确保位置、参数等无误后方可进行钻孔。最后，采用先进的放样方法与技术。三维坐标放样法是主流技术，利用全站仪直接放样设计好的周边眼孔位三维坐标（X,Y,Z）。在控制器软件中选择要放样的炮孔点，软件实时计算该点相对于测站的水平角、垂直角和斜距，全站仪引导测量员将棱镜移动到目标方向，当控制器屏幕上显示的偏差值均在允许误差内时，则该点位置可被确定。

3.4 选择合适的爆破技术

合适的爆破技术是超挖控制的关键。首先，优化装药结构与参数。严格不耦合装药是光面爆破的关键，确保药卷直径（通常为 Φ20～25mm, ）显著小于炮孔直径（通常为 Φ35～40mm^⋅ ），形成空气环，降低爆炸冲击波峰值压力，减少粉碎区。精准控制线装药密度也是控制爆破能量的关键，根据岩石性质、孔径等计算，控制装药量，特别是孔口段的药量。采用定位装置例如PVC 管保证药卷位于炮孔中心，使爆炸能量均匀。其次，精细化设计爆破参数。周边孔间距与最小抵抗线的比值控制非常关键，通常在 0.8～1 之间，通过试验和效果反馈不断优化具体参数，坚硬完整岩石的比值可稍大，软弱破碎的比值可减少。周边孔要同时起爆，从而能够使炮孔间产生应力波叠加，形成平整的断裂面。当然，明确科学的起爆顺序也至关重要，确保内圈辅助孔先于周边孔起爆，为周边孔创造良好的临空面，减少其爆破时的夹制作用。

4 结束语

光面爆破超挖控制是一个系统工程，该技术应用中需要以新奥法为基础，确保钻孔以及测量放线的精准度，同时选择合适的爆破技术，各技术协同应用才可有效避免超挖问题，实现“开挖即支护”的理想效果，保障隧道工程的安全、优质、高效建设。

参考文献：

[1]王玮.沙特 NEOM 隧道项目支洞光面爆破关键技术研究[J].施工技术（中英文）,2024,53(7):24-28+34.

[2]黄灿.基于光面爆破法的隧道超挖欠挖控制[J].中国科技信息,2024(17):88-90.