隧道钻爆法施工作业隧道钻爆法施工的主要工序有开挖、出碴、支护和衬砌。

它的施工过程是在地层中挖出土石，以形成符合设计的隧道断面轮廓，并进行必要的支护和衬砌，以控制围岩的变形，确保隧道长期安全使用。

为了保证主要工序的进行，尚需配备必要的动力和机械设备，以及其它必要的通风、照明、防排水、防尘等设施。

第一节钻爆开挖钻爆开挖作业是隧道钻爆法施工中首要的一项，它是在岩体上钻凿出一定孔径和深度的炮眼，并装上炸药进行爆破，从而达到开挖的目的。

开挖作业占整个隧道施工工程量的比重较大，造价约占20％～40％，是隧道施工中较关键的基本作业。

对于开挖作业应做到以下要求。

1．按设计要求开挖出断面（包括形状、尺寸、表面平整、超欠挖等要求）；2．石碴块度（石碴大小）适中，抛掷范围相对集中，便于装碴运输；3．钻眼工作量少，掘进速度快，少占作业循环时间，并尽量节省爆破器材；4．爆破在充分发挥其能力的前提下，减小对围岩的震动破坏，以保证围岩的稳定；5．减少对施工用机具设备及支护结构的破坏，减少对周围环境的破坏（特别是隧道洞口地段爆破时）。

一、爆破破岩作用机理及有关概念炸药的爆破反应是有机物的氧化还原反应，具有高温、高压和高速度的特点。

炸药的爆炸过程是爆轰波的传播过程，也是爆炸生成气体和初始做功的过程，当炸药在岩(土)体中爆炸时，爆轰波轰击岩面，以冲击波形式向岩体内部传播，形成动态应力场。

冲击波作用时间极短，能量密度极高，使炮孔周围岩石产生粉碎性破坏。

爆炸气体静压和膨胀做功，有使岩石质点作远离药包中心运动的倾向，岩体受切向拉力，其强度达到岩石抗拉强度时，则岩石破坏，产生径向裂隙。

在爆炸结束的瞬间，随着温度的下降，气体逸散，介质又为释放压缩能而回弹，从而又可能产生环向裂缝。

在爆破力作用下，在偏离径向450的方向上还可能产生剪切裂缝。

在这些裂缝的交错切割和剩余爆破力的作用下，岩石即被破碎和移位。

（一）无限介质中的爆破作用假定将药包埋置在无限介质中进行爆破，则在远离药包中心不同的位置上，其爆破作用是不相同的。

大致可以划分为四个区域，如图7—1所示。

图7—1无限介质中的爆破作用1．压缩粉碎区R范围的区域。

该区域内介质距离药包最近，受到的压力最大，故破坏最它是指半径为1大。

当介质为土壤或软岩时，压缩形成一个环形体孔腔；介质为硬岩时，则产生粉碎性破坏，故称为压缩粉碎区。

2．抛掷区1R 与2R 之间的范围叫抛掷区。

在这个区域内介质受到的爆破力虽然比压缩粉碎区小，但介质的结构仍然被破坏成碎块。

炸药爆炸能量除对介质产生破坏作用外，尚有多余能量使被破坏的碎块获得运动速度，在介质处于有临空面的空间时，则在临空面方向上被抛掷出去，产生抛掷运动。

3．破坏区该区又叫松动区，是指2R 与3R 之间的区域。

爆炸能量在此区域内只能使介质破裂松动，已没有能力使碎块产生抛掷运动。

4．震动区3R 与4R 之间的范围叫爆破震动区。

在此范围内，爆破能量只能使介质发生弹性变形，不能产生破坏作用。

（二）爆破基本概念1．临空面又叫自由面，是指暴露在大气中的开挖面。

在假定的无限介质中爆破，抛掷和松动是无法实现的，而在有临空面存在的情况下，足够的炸药爆破能量就会在靠近临空面一侧实现爆破抛掷。

2．爆破漏斗在有临空面的情况下，炸药爆破形成的一个圆锥形的爆破凹坑就叫爆破漏斗。

爆破抛起的岩块，一部分落在漏斗坑之外形成一个爆破堆积体或飞石，另一部分回落到漏斗坑之内，掩盖了真正的爆破漏斗，形成看得见的爆破坑，叫做可见爆破漏斗，如图7—2所示。

爆破漏斗由以下几何要素组成：药包中心到自由面的最短距离，称为最小抵抗线（W ）；最小抵抗线与自由面交点到爆破漏斗边沿的距离，叫爆破漏斗半径（r ）；药包中心到爆破漏斗边沿的距离叫破裂半径（R ）以及漏斗深度（p ）和压缩圈半径（1R ）等。

3．爆破作用指数爆破漏斗半径r 与最小抵抗线W 的比值n （W r n ）称为爆破作用指数，这是一个描述爆破漏斗大小，爆破性质，抛掷堆积情况等因素的重要相关系数。

通常把n =1的爆破称为标准抛掷爆破，其漏斗称为标准抛掷爆破漏斗；n ＞1的爆破称为加强抛掷爆破或扬弃爆破；0.75<n <1的爆破称为加强松动或减弱抛掷爆破；n ≤0.75的爆破称为松动爆破。

平坦地形的松动爆破结果，只能看到岩土破碎和隆起，并没有爆破漏斗可见。

临空面数目的多少对爆破效果有很大影响，增加临空面是改善爆破状况，提高爆破效果的重要途径。

（三）柱状药包爆破特点隧道炮孔法爆破的装药结构，形成圆柱状延长药包，简称柱状药包。

由炸药爆破特性可图7—2 爆破漏斗示意图知，球形药包爆炸应力波的传播方向，是以药包中心为圆心成球面状向四周辐射传播。

而柱状药包爆炸应力波的传播方向，则是以药包轴线为轴线，沿着垂直药包表面的平面向四周传播。

所以，当炮孔方向垂直于临空面，即最小抵抗线与炮孔装药轴线重合时，大多数爆炸作用力的作用方向是平行于临空面而指向岩体内部，使炮孔周围岩体压缩、变形和破碎，只有靠近孔口的少量炸药爆炸力将孔口附近部分石碴抛出。

这种情况对于只有一个临空面的隧道导坑爆破，是非常不利的。

二、钻孔机具目前在隧道开挖爆破中，广泛采用的钻孔机具为凿岩机和钻孔台车。

其工作原理都是利用镶嵌在钻头体前端的凿刃反复冲击并转动破碎岩石而成孔，有的可通过调节冲击功的大小和转动速度以适应不同硬度的石质，以达到最佳成孔效果。

（一）凿岩机凿岩机的种类很多，按使用动力可分为风动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机四种。

按钻进工作原理不同，则可分为冲击转动式、旋转式及旋转冲击式。

目前在隧道开挖中，广泛使用的是风动凿岩机和液压凿岩机。

1．风动凿岩机俗称风钻。

它以压缩空气为动力，具有结构简单，制造维修容易，操作方便，作业安全，不怕超负荷和反复起动，在多水、多尘等不良环境中仍能正常工作等优点，目前广泛使用于中小型隧道工程中。

其缺点在于压缩空气供应设备复杂，能量利用率低，成本高，噪音大等。

根据支承和向前推进方式的不同，风动凿岩机又分为手持式、伸缩式和导轨式三种。

手持式凿岩机一般支承在气腿上凿岩（见图7—3），气腿支承凿岩机的重量，同时对凿岩机产生向前的推力，其重量轻，就位转移方便，适用于隧道分部开挖施工中。

伸缩式凿岩机将气腿与凿岩机机体在同一条纵轴线上连成一体，气腿伸长时，凿岩机即向上推进，它专门用于打朝上的竖向炮眼。

导轨式凿岩机的重量多在45kg以上，安装在导轨上，由自动推进器向前推进，随导轨转向，可以在各个方向上钻孔眼，适用于安装在台车上使用。

图7—3 气腿式凿岩机风动凿岩机的凿孔过程是冲击转动凿岩。

它工作时，利用在汽缸内作往复运动的活塞，频繁的锤击钻杆末端，将钻头打入岩石；活塞后退时，能旋转并同时带动钻杆旋转一个角度，使炮眼凿成圆形。

凿岩机的凿岩速度与活塞的冲击频率有关，一般的风动凿岩机都是中低频的（2500次/min以下），欲提高凿岩速度，则要选用较高频率的凿岩机械。

2．液压凿岩机它是由液压马达驱动凿岩元件作冲击、回转运动，通过压力补偿泵，根据岩石坚硬程度调节油量、压力和冲击频率进行凿岩，具有广泛的适应性。

液压凿岩机与风动凿岩机相比有以下特点：（1）动力消耗少，能量利用率高。

液压凿岩机动力消耗一般仅为风动凿岩机的1/3～1/2；能量利用率，液压的可达30％～40％，风动的仅为15％左右。

（2）凿岩速度高。

液压凿岩机凿岩速度比风动凿岩机高50％～150％。

（3）能针对不同硬度岩石，自动调节在高频低能或低频高能状态下工作，以提高凿岩功效。

（4）结构设计比较合理，全部运动部件几乎都是在油液中工作，润滑条件好，使用寿命长，传递能量好。

（5）环境保护好。

排气少，噪音小，液压钻的噪音比风钻降低10～15dB，改善了开挖面的工作环境。

但是液压凿岩机也存在重量大，附属装置多，仅能在台车上使用，需要在有专门设施的车间以及专门技术人员进行维修保养，对液压油选择和密封管理要求严格，制造精度高，造价高等特点。

（二）凿岩台车将多台凿岩机安装在一个专门的移动设备上，实现多机同时作业，集中控制，称为凿岩台车。

它可以同时进行多孔凿岩，以缩短钻孔时间，加快掘进速度，适宜于在大断面或全断面隧道开挖中使用。

按结构形式的不同，凿岩台车可分为门架式、实腹式和液压钻臂式。

按行走方式不同则可分为轮胎式、履带式和轨道式。

当前我国较普遍采用的是实腹结构轮胎走行式的全液压凿岩台车，如图7—4所示，它可以安装1～4台凿岩机及一支工作平台臂。

其立定工作范围可达宽10～15m，高7～12m，分别可适用于不同断面的隧道中。

但实腹式凿岩台车占用隧道空间较大，需与出碴运输车辆交会避让，多用于断面较大的隧道中。

图7—4 实腹式凿岩台车门架式凿岩台车的腹部可以通行出碴车辆，大量减少了机械避让时间。

其通常为轨道走行，安装2～3台凿岩机，多用于中等断面的隧道开挖，开挖断面过大或过小则多不采用。

按其控制的自动化程度来分，凿岩台车又可以分为人工控制、电脑控制、电脑导向三种。

人工控制是由人工控制操纵杆来实现钻机的定位、定向和钻进的。

钻眼位置由工程师标出，钻眼方向则由操作手按经验目测确定。

电脑控制凿岩台车的所有动作都在电脑的控制下进行，必要时可由操作手进行干预。

电脑导向凿岩台车不仅具有电脑控制功能，而且可以在隧道定位（导向）激光束的帮助下进行自动定位和定向，因此进一步缩短作业时间，提高钻眼精度，减少超欠挖量。

三、爆破材料爆破材料是指炸药和起爆、传爆材料。

起爆传爆材料主要包括雷管、导火索、导爆管等能够提供和传递起爆能量，使炸药发生爆炸的材料。

（一）炸药1．炸药的性能炸药的性能取决于所含的化学成分。

掌握炸药等爆破材料的性能，对正确使用、储存、运输炸药，确保安全和提高爆破效果，具有重要的意义。

炸药的主要性能如下。

（1）敏感度。

炸药的敏感度简称感度，是指炸药在外界起爆能作用下发生爆炸反应的难易程度，也就是炸药爆炸对外能的需要程度。

根据外能形式的不同，炸药感度主要有：a．热敏感度。

也称爆发点，即使炸药爆炸的最低温度，它表示炸药对热的敏感度。

工程中几种常用炸药的爆发点见表7－1。

b．火焰感度。

表示炸药对火焰（明火星）的敏感度。

有些炸药虽然对温度比较钝感，但对火焰很敏感，如黑火药一接触明火星便易燃烧爆炸。

c．机械感度。

是指炸药对机械能（撞击、摩擦）作用的敏感程度。

一般来说，对于撞击比较敏感的炸药，对摩擦也比较敏感。

d．爆轰感度。

是指炸药对爆炸能的敏感程度。

通常在起爆作用下，炸药的爆炸是由冲击波、爆炸产物流或高速运动的介质颗粒的作用而激发的。

不同炸药所需的起爆能也不相同。

爆轰感度一般用极限起爆药量表示。

（2）爆速。

炸药爆炸时爆轰在炸药内部的传播速度称为爆速。

不同成分的炸药有不同的爆速，但一般来说密度越大的炸药其爆速也越高。