[科普中国]-光面爆破

光面爆破是指通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后轮廓线符合设计要求，临空面平整规则的一种控制爆破技术。

定义光面爆破是一种爆出的新壁面保持平整而不受明显破坏的控制爆破技术。其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与最小抵抗线相匹配的光爆孔，并采用不耦合装药或其他特殊的装药结构，在开挖主体爆破后，光爆孔内的装药同时起爆，从而形成一个贯穿光爆炮孔且光滑平整的开挖面。

光面爆破技术除了在露天开挖中应用外，在我国许多地下工程(如矿山开拓巷道、地下工厂、水力发电站、油库、隧道和国防构筑物等永久性建筑)施工中也取得了良好效果，特别在修建一些水工隧洞时，不但可以减少超挖欠爆的情况，并能使水力摩擦系数降低到用专门衬砌才达到的光滑表面的程度。由此可见，光面爆破是一项合理利用炸药能量的爆破新技术。

光面爆破的基本原理是控制炸药的爆破作用，使猛度做功形式更多地转化为爆力做功形式，降低炸药爆炸的初始冲量，从而减少对炮眼眼壁岩体的破坏，并控制爆破裂缝沿预计方向发展。通常是根据不同岩层情况，通过合理地选择炸药、装药结构，正确地选定周边眼爆破参数(即眼间距、抵抗线、装药量)以及保证周边眼同时起爆等几项措施来实现的。1

作用机理炸药爆破是产生的冲击波和高温高压气体均作用在眼壁上，炮眼周围的岩石因受到强烈的压缩破碎，与此同时形成的压缩应力波向四面八方传播。冲击波的传播速度比压缩波快得多，并很快衰减成声波不再起到压缩作用。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，此时中心部分。因空间加大和气体压力降低，弹性能于此处山开始释放，生成的拉伸波向离开炮眼中心方向传播。此二拉伸波在其传播过程中把岩块从岩体中抛掷出去，最后形成相互作用的爆破漏斗。当爆破参数选取合理，将形成连续的光滑壁面。2

特点光面爆破与普通爆破法比较，光面爆破有如下显著特点：

(1)爆破后成型规整，符合设计断面轮廓要求，特别在松软岩层中更能显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残留清晰可见的半边孔壁痕迹，超挖量大为减少，从而减少了排渣量，减轻了挖掘装载运输系统的负担；对于喷锚支护的洞室还节省了喷射原材料，加快了掘进速度。

(2)岩体保持稳定，爆破后不产生或很少产生爆震裂隙，原有的构造裂隙不因爆破而有所扩展，增强了围岩自身的承载力，特别是对于松软破碎岩层其作用和效果尤为显著。因而可有效地保证施工安全，为快速施工创造了有利条件。

(3)新岩壁平整，通风阻力小，不产生瓦斯聚集；岩面上应力集中现象减少，在深部岩壁表面可以减少岩爆的危害，有利安全。

(4)水工隧洞将减少水力损失；浇注混凝土容易并且节省费用。1

施工光面爆破掘进时有两种施工方案，即全断面一次爆破和预留光面爆破层分次爆破。

全断面一次爆破时，按起爆顺序分别装入多段毫秒电雷管或非电塑料导爆管起爆系统起爆，起爆顺序为掏槽孔→辅助孔→崩落孔→周边孔，多用于掘进小断面单线隧道和巷道。

在大断面的隧道和硐室掘进时，可采用预留光面爆破层的分次爆破。采用超前掘进小断面导硐，然后扩大至全断面，这种方法又称为修边爆破。修边爆破的优点是根据最后留下光面爆破层的具体情况调整爆破参数，这样可以节约爆破材料，提高光面爆破效果和质量；其缺点是施工工艺复杂，增加了辅助时间。

为保证光面爆破的良好效果，除根据岩层条件、工程要求正确选择光面爆破参数外，精确的钻孔也极为重要，是保证光面爆破质量的前提。对钻孔的要求是“平”、“直”、“齐”、“准”。

炮孔要按照以下要求施工：

(1)所有周边孔应彼此平行，并且其深度一般不应比其他炮孔深。

(2)各炮孔均应垂直于工作面。实际施工时，周边孔不可能完全与工作面垂直，必然有一个角度，根据炮孔深度一般此角度取3°～5°。

(3)如果工作面不齐，应按实际情况调整炮孔深度及装药量，力求所有炮孔底落在同一个横断面上。

(4)开孔位置要准确，偏差值不大于30mm。对于周边孔开孔位置均应位于掘进断面的轮廓线上，不允许有偏向轮廓线里面的误差。3

参数光面爆破虽在地面和地下开挖工程中应用比较广泛，但影响光面爆破效果的因素十分复杂，除地质条件、炮孔精度和爆破操作技术外，决定光面爆破效果的主要因素有最小抵抗线、光面眼间距、装药量、装药结构以及起爆技术等方面。

1．不耦合系数

合理的不耦合系数应使炮孔压力低于岩壁动抗压强度而高于动抗拉强度。通常采用1.1～3.0，其中1.5～2.5用得较多。

2．光面眼间距

一般取为炮眼直径的10～20倍。在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石中可取大值。

3．最小抵抗线

光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离，是光面眼起爆时的最小抵抗线，一般它应大于或等于光面眼间距。

4．炮孔邻近系数

炮孔邻近系数用m表示，即光面炮孔间距与其最小抵抗线之比。m值过大时，爆后有可能在光面眼间的岩壁表面留下岩埂，造成欠挖；m值过小时，则会在新壁面造成凹坑。实践表明，当m=0.8～1.0时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩中取小值。

5．线装药密度

线装药密度又叫装药集中度，它是指单位长度炮眼中装药量的多少(g/m)。为了控制裂隙的发育以保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮眼连心线破裂的前提下，应尽可能少装药。软岩中一般可用70～120 g/m，中硬岩石中为100～150 g/m，硬岩中为150～250 g/m。

6．起爆间隔时间

爆破试验结果表明，齐发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。齐发起爆时，炮眼间贯通裂隙较长，抑制了其他方向裂隙的发育，有利于减少炮眼周围裂隙的产生，可形成平整的壁面。所以，在实施光面爆破时，间隔时间愈短，壁面平整的效果愈有保证。应尽可能减小周边眼间的起爆时差。相邻光面炮眼的起爆间隔时间不应大于100ms。1

影响因素影响光面爆破效果的因素包括以下几方面：

(1)地质条件

工程地质状况对光面爆破效果的影响较大。采用光面爆破，在相同的爆破条件下，超欠挖量与岩石坚固性系数有较大的关系，它的值越大超欠挖量越小，值越小则超欠挖量越大；断层、大而密的节理、裂隙、岩脉均易导致大的超挖。裂隙发育程度及倾角，对光面爆破后形成平滑壁面有很大影响。当裂隙方向与要求爆出的岩面方向重合、垂直或岩体完整无裂隙时，效果最好；裂隙与光面爆破面斜交或儿组裂隙相交，则易造成岩石沿节理面脱落。对裂隙少、整体性好、脆硬的岩体，光面爆破的参数可以适当加大，反之应适当减小。

不同的地质条件应采取不同的爆破方式及相应的钻爆参数。在硬岩、中硬岩且节理不发育、岩体较为完整的岩层中应采用中深孔进行爆破；反之，则采取浅孔光面爆破。在地质构造复杂、裂隙发育的部位，可适当减小炮孔间距，减小线装药密度等周边孔参数，以利于成型，减小爆破对围岩的扰动。

(2)钻孔精度

如何保证炮孔间距和最小抵抗线达到设计要求，保证爆破效果，钻孔精度的影响很大。钻孔精度与开孔的准确度、钻进方向的准确性、钻具的选取是否恰当以及测量放线的准确度等有很大的关系。

对于开孔产生的误差，可采用在掌子面上标出炮孔位置，或者设置炮孔排间距标尺，以减小或排除开孔误差。在同样的钻孔偏差角条件下，炮孔越深，孔底偏差越大，因此，炮孔越深越应注意控制钻进方向。为保证钻孔精度可对钻孔工进行专门的培训，以达到人人能熟练操作。在钻孔时可采取先钻凿一个标准孔，插入炮棍，其他孔与之平行钻进的方法，或选用能控制钻孔角度的凿岩台车。其次，钻机本身尺寸大小对钻孔精度也有影响，掘进爆破时，钻周边孔必须有一个外插角度，以保证凿岩机的操作净空（即两炮孔之间的衔接台阶宽度），这与凿岩机的型号及本身尺寸的大小有关。另外，还需要减少测量放线的误差，采用仪器测量的正常误差一般较小，可以满足要求；若采用挂中线靠肉眼瞄准的目测方法，则可能产生较大的误差；放线时问间隔太长造成的误差也很大。为减小或尽可能消除测量误差，尤其是半断面或全断面开挖爆破，应坚持每个循环都用仪器测量放线，并用五寸台式坐标法认真放出开挖轮廓。

(3)爆破技术本身

1)炸药品种和装药量的影响。光面爆破所采用的炸药与主体爆破所用的炸药相比，爆速要低一些，密度要小一些，爆力要大一些，这样有利于实现光面爆破。炸药药卷的直径应根据炮孔的直径来选择，如前面所述不耦合系数一般为1.25~2.0。若采用间隔装药，以装药长度的平均线装药密度计，对岩石掘进爆破一般为0.1～0.3kg/m。装药尺度应根据岩体性质、钻孔参数、炸药类别综合考虑，过大容易破坏光面爆壁，过小则爆不下来。

2)起爆方法的影响。无论采用电雷管起爆还是非电雷管起爆都必须保证起爆成功。在不耦合系数较大的情况下，应绑扎一根导爆索，以免由于间隙效应引起爆轰中断现象发生。若起爆时差大于0.1 S，则可认为是逐个炮孔单独起爆，所以，在光面爆破时应选用高精度的毫秒雷管。

3)装药结构与堵塞质量的影响。装药过于集中或者炸药沿炮孔全长分布不均匀都将影响光面爆破的质量。在有条件使用光面爆破专用炸药的情况下应优先考虑选用光面爆破炸药进行连续装药，孔底适当加大药量。若没有光面爆破专用炸药，通常选用导爆索和自制小药卷，绑扎在竹片上形成串状装药结构（孔底间隔应小一些）。在软岩中，还可以采用由导爆索束形成的装药结构。对光面爆破来说，炮孔的堵塞质量也很重要，应引起足够重视。3

注意事项为了减少超挖。减轻爆破对围岩的扰动．获得既符合没计要求又平整、稳定的围岩，降低工程成本，掘进施工中应采用光面爆破。

为搞好光面爆破，应采取以下技术措施：

(1)合理布置周边眼。周边眼布置参数包括眼距E和最小抵抗线W，两者既相互独立又相互联系。E值与岩石的性质有关，一般为40～70cm，层节理发育、不稳定的松软岩层中应取较小值。W值与E值相关，两者的比值m（m=E/W，称周边炮眼密集系数，隧道中称相对距离）一般为0.8～1.0，软岩时取小值，硬岩和断面大时取大值。

(2)合理选择装药参数。根据经验，周边眼的装药量约为普通装药蹙的1/73～2/3，并采用小直径药卷、低密度、低爆速炸药。装药结构采用不耦合装药或空气柱装药。小直径药卷在孔可连续装填，也可用导爆索连接、分段装药。

(3)精心实施钻爆作业。炮眼应相互平行且垂直于工作面，眼底要落在同一平面，开孔位置准确，都落在设计掘进断面轮廓线上。炮眼偏斜角度不要超过5°。内圈眼与周边眼应采用相同的斜率钻眼。

(4)采取一些特殊的措施和新技术，如切槽法、聚能药包法、缝管法等。

切槽法是利用专用工具在相邻两孔连线的孔壁上切割出V形对称沟槽，炸药爆炸后应力优先在沟槽尖端扩展，并与邻孔贯穿，从而形成裂缝，达到光面爆破的目的。聚能药包法是改变药卷自身的结构，沿药卷轴向压制出V形聚能槽，利用聚能原理，使爆炸压力汇聚于孔壁上并优先沿开挖面周边发生贯穿裂缝。缝管法是将炸药装在塑料管中，管子两侧切割出缝隙，缝隙应在相邻两孔的连线上，炸药能量首先从缝隙中释出，在孔壁上产生预裂缝，然后在爆生气体压力下使裂缝扩展。

全断面一次爆破时，应按起爆顺序分别装入间隔为25ms的毫秒延期电雷管。大断面隧道采用分次开挖时，可采用预留光面层的方法，分次爆破。3

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所