隧道工程中的掏槽技术解析及应用

隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术。掏槽的成功与否直接影响爆破效果，掏槽的深度直接影响隧道掘进的循环进尺。

一般情况下，掏槽眼应布置在开挖面的中下部。在岩质软硬不均的岩层中，应布置在软岩层中。掏槽眼本身只有一个临空面，且受周围岩体的挟制作用，故常采用较大的炸药单耗量q值、较大的炮眼密度M值和较大的装药系数α值，保证使槽口内的岩体形成粉碎性破坏；并利用爆炸冲击波及爆炸产物做功，将石渣抛出槽口，保证槽口形成有效的临空面。为保证掏槽眼能有效地将石渣抛出槽口，掏槽眼深度应比设计掘进进尺加深10～20 cm，才能为辅助眼创造出足够深度的临空面，保证循环掘进进尺。

根据掏槽眼与开挖面的关系、掏槽眼的布置方式、掏槽深度以及装药起爆顺序的不同，掏槽方式可分为斜眼掏槽和直眼掏槽两大类，实际使用又有多种形式和组合应用。

1．斜眼掏槽

斜眼掏槽的特点是掏槽眼与开挖断面斜交。它的种类很多，如锥形掏槽、垂直和水平楔形掏槽（图8-3-1），以及爬眼掏槽、侧向掏槽、插眼掏槽等单斜式掏槽等。目前，隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽和锥形掏槽。

（1）垂直楔形掏槽。

这种掏槽方式的掏槽眼水平成对对称相向倾斜布置（图8-2-20），掏槽爆力比较集中，爆破效果较好，掏出的槽口体积较大，可以适应各种不同坚固程度的岩层。

炮眼与开挖面间的夹角α、上下两对炮眼的间距a和同一平面上一对掏槽眼眼底的距离b（图8-2-20），是影响此种掏槽爆破效果的重要因素，这些参数随围岩类别的不同而有所不同。表8-3-1列出一些经验数据供参考。

图8-3-1　锥形掏槽与楔形掏槽

表8-3-1　垂直楔形掏槽爆破参数

（2）锥形掏槽。

这种炮眼呈角锥形布置，各掏槽眼以相等或近似相等的角度向工作面中心轴线倾斜，眼底趋于集中，但互相并不贯通，爆破后形成锥形槽。根据掏槽炮眼数目的不同，锥形掏槽分为三角锥、四角锥（四门斗）、五角锥等。图8-3-2所示为四角锥形掏槽，它常用于受岩层层理、节理、裂隙影响较大的围岩。其有关参数见表8-3-2。

表8-3-2　锥形掏槽爆破参数

图8-3-2　四角锥形掏槽

斜眼掏槽主要适用于一次开挖断面较大的隧道爆破掏槽。

其优点是：① 操作简单、精度要求较直眼掏槽低；② 斜眼掏槽炮充分利用了第一临空面（掌子面）的临空作用，很容易就把石渣抛出；③ 由于楔形掏槽比直眼掏槽形成槽口临空面的效果要好，且掏槽眼的个数较少，炸药单耗较低，爆破效果也好；④ 还可以按岩层的实际情况，较灵活地选择掏槽斜眼的布置形式和调整掏槽斜眼的倾斜角度；⑤ 上一循环掏槽在掌子面上形成凹陷破碎区位于下一循环槽口中部，而下一循环掏槽斜眼的孔口位于其外侧，基本不影响下一循环掏槽斜眼的开眼和钻进。

其缺点是：在一次开挖断面较小时，炮眼深度易受开挖断面尺寸的限制，不易提高循环进尺，不便于使用大型液压凿岩台车钻眼，只宜选用小型凿岩机；也不便于多台凿岩机同时作业；在采用人工风钻打眼时，开眼位置和钻眼方向不易控制。所以在一次开挖断面较大，单掘进进尺也较大时，斜眼掏槽深孔爆破最能显示其适宜性和优势。

2．直眼掏槽

直眼由若干个彼此距离很近的、垂直于开挖面的、互相平行的炮眼组成。直眼掏槽方式是利用炮眼内药包所产生的巨大爆炸力，爆破处于掏槽内部的岩石，并使之抛出槽外，从而形成一个设定的槽腔。其中有一个或几个炮眼是不装药的空眼，作用是给装药炮眼创造临空面，保证掏槽眼范围内的岩石被破碎。

（1）直眼掏槽的优缺点。

直眼掏槽在各种硬度的岩层中都可以使用，一般用于中硬岩层或坚硬岩层；炮眼深度不受开挖断面宽度和高度的限制，适宜钻凿较深的炮眼而提高每循环的进尺；炮眼容易控制，钻眼时干扰少，便于多台凿岩机同时作业，提高凿眼效率；容易控制眼底深度，使眼底在同一垂直面上；炮眼利用率高，可达90%～100%；石渣抛掷距离较近，不易打坏支护及机具设备；等等。

直眼掏槽的缺点：炮眼数目较多，需要炸药数量也较多；钻眼要求精确。

（2）直眼掏槽的形式。

传统的小断面浅眼直眼掏槽的典型形式有：龟裂直眼掏槽、五梅花小直径中空直眼掏槽、螺旋形掏槽、菱形掏槽、无空直眼掏槽、小直径中空直眼掏槽等。

随着重型凿岩机械的使用，尤其是大直径（大于100 mm）炮孔的液压钻机投入施工以后，采用大直径空眼作为临空孔成为直眼掏槽的特点，直眼掏槽的布置形式有了新发展，目前常用的形式有：

① 柱状掏槽（图8-3-3）。它是充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空间，使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。作为临空孔的空眼数目，视炮眼深度而定。一般当孔眼深度小于3.0 m时，采用1个；当孔眼深度为3.0～3.5 m时，采用双临空孔；当孔眼深度为3.5～5.15 m时，采用3～4个。试验表明：第一个起爆装药孔离开临空孔的距离应不大于1.5倍的临空孔直径。

图8-3-3　柱状掏槽

② 螺旋形掏槽。螺旋形掏槽由柱状掏槽发展而来，其特点是中心眼为空眼，邻近空眼的各装药眼至空眼之间的距离逐渐加大，其连线呈螺旋形状，如图8-3-4（a）所示，爆破由近及远顺序起爆，以充分利用自由面，扩大掏槽效果。

（3）直眼掏槽的参数。

① 中等断面中深眼直眼掏槽形式。

中等断面是指断面积在10～50 m²范围内的隧道开挖断面，如单线铁路隧道分上下台阶开挖或全断面开挖，双线隧道分上下台阶开挖等。此处中深眼炮眼指深度为1.5～3.5 m的炮眼。隧道中深眼、深眼爆破，如果掏槽不成功，处理起来既麻烦，又影响施工进度与效益。因此，隧道中深眼爆破更要重视掏槽技术，常用的有单螺旋掏槽、双螺旋掏槽、对称掏槽等形式，如图8-3-4所示。

图8-3-4　大直径中空直眼掏槽

采用大直径中空直眼掏槽时，要求钻眼方向精确，尽量减少眼位偏差值；按设计的起爆顺序起爆，最好使用毫秒雷管；控制掏槽眼间距；适用于中硬岩、硬岩整体性好的岩体中，以防止殉爆；控制掏槽眼的炸药用量，以防止“压死”而拒爆。大直径中空直眼掏槽的主要参数见表8-3-3～表8-3-5。

表8-3-3　单螺旋掏槽中空孔直径D、各掏槽眼与中空孔的中心距以及掏槽眼单位长度装药量q之间的关系

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表8-3-4　双螺旋掏槽中空孔直径D、各掏槽眼与中空孔的中心距以及掏槽眼单位长度装药量q之间的关系

表8-3-5　对称掏槽中空孔直径D、各掏槽眼与中空孔的中心距以及掏槽眼单位长度装药量q之间的关系

② 大（全）断面深眼直眼掏槽形式。

大直径中空直眼掏槽的基本类型一般有菱形、螺旋形及对称形，如图8-3-5所示。

图8-3-5　大直径中空直眼掏槽的基本类型

在菱形掏槽中，L1=(1～1.5)D ，L2=(1.5～1.8)D ；

在螺旋形掏槽中，L1=(1～1.5)D ，L2=(1.5～2.0)D ，L3=(2.5～3.0)D ，L4=(3.5～4.5)D ；

在对称形掏槽中，W=1.2D（一个空眼），W=1.2 ×2D（两个空眼），b=0.7a。

以上各式中D为大直径空眼的直径，装药量一般取眼深的85%～90%。起爆顺序如图8-3-5所示。上述三种类型适用于中硬岩石，图中大直径空眼可以是一个，也可以是两个，还可以是三个，根据具体情况设定。空眼直径，一般不小于100 mm，也可用φ60～φ70 mm的钻头钻成8字形双空。

（4）影响直眼掏槽效果的因素。

直眼掏槽以空眼作为增加的临空面，利用炸药爆炸的能量将槽内岩石破碎，并借助爆破产生气体的余能将已破碎的岩石从槽腔内抛出。在直眼掏槽中，应注意以下几点：

① 眼距，即空眼与装药眼之间的距离。当用等直径炮孔时，此距离一般随岩性不同而变动，变动范围为炮眼直径的2～4倍。在硬岩爆破中，当空眼与装药眼间距W大于空眼直径D的2倍时，爆破后岩体仅产生塑性变形，而不能产生真正的破碎；W=(1.0～1.5)D时，效果最好，为破碎抛掷掏槽；当采用大直径空眼时，眼距不宜超过空眼直径的2倍。由于掏槽效果对眼距变化很敏感，往往眼距稍大就会造成掏槽失败或效果降低，而眼距过小不仅钻眼困难，爆炸作用有时还会将相邻炮眼中的炸药（主要指粉状硝铵炸药）挤实，使之因密实度过高而发生拒爆。为了保证掏槽炮爆炸后岩渣有足够的膨胀空间，一般要求空眼体积宜为掏槽槽口体积的2%～10%。

② 空眼。空眼不仅起着自由面和破碎岩石发展的导向作用，同时为槽内岩石破碎提供了一个膨胀的空间，所以增加空眼数目能获得良好的效果，一般随眼深加大空眼数也相应增多。

③ 装药。直眼掏槽一般都是过量装药，装药长度占全眼长的70%～90%，如果装药长度不够，易发生“挂门帘”和“留门槛”现象。当眼深大于2.5 m时，易产生沟槽效应，应采取相应措施防止爆轰中断。

④ 辅助抛掷。直眼掏槽的关键是把槽内已破碎岩石抛出槽腔，当炮眼较深时仅利用爆炸产生气体的余能抛出岩石是很难达到预计的掏槽效果的，所以当眼深在2.0 m以上时，可采用辅助抛掷措施。一般是将空眼加深100～200 mm，并在眼底放一卷炸药，在掏槽眼全部起爆后接着起爆。

⑤ 钻眼质量。要保证钻眼的准确性，使各炮眼之间保持等距、平行是极为重要的。如果两眼钻穿，易造成爆生气体过早损失，降低槽内岩石抛出率或使岩石再生。如果距离过大或钻眼偏斜，易发生单个炮眼直径扩大或单个炮眼爆炸，炮眼间的岩石不易崩落。

3．混合掏槽

混合掏槽是指两种以上的掏槽方式的混合使用，一般在岩石特别坚硬或隧道开挖断面较大时使用。

（1）复式掏槽。

严格地说，复式掏槽也属于斜眼掏槽，它是在浅眼楔形掏槽的基础上发展起来的。在大断面隧道掘进中，为加大掏槽深度，可采用两层、三层或四层楔形掏槽眼，每对掏槽眼呈完全对称或近似对称，深度由浅到深，与工作面的夹角由小到大。复式掏槽也叫多重楔形掏槽或V形掏槽。复式掏槽的爆破角（掏槽眼与工作面的夹角）与掏槽眼深度的相互关系，应使从每个眼底所作的垂线恰好落在开挖断面两壁与开挖面相交的临空面上，最深掏槽眼眼底的垂线也必须落在隧道内，即与已爆出的工作面相交；在每一掏槽眼眼底所作的垂线必须与隧道壁面相交。复式掏槽根据开挖断面的大小及进尺常分为两级复式掏槽和三级复式掏槽，如图8-3-6所示。复式掏槽在一般情况下，上、下排距为50～90 cm，硬岩取小值，软岩取大值。在硬岩中爆破时，最好使用高威力炸药，一般布置上、下两排即可；岩石十分坚硬时，可用三排或四排。炮眼深度小于2.5 m时，一般用两级复式掏槽。

图8-3-6　三级复式楔形掏槽

（2）升级掏槽和扇形掏槽。

升级掏槽系采用逐级加深的炮眼布置，按掘进方向平行钻孔，把全部掏槽深度分阶段布置以达到爆破的目的，如图8-3-7所示。升级掏槽将常用掏槽方法在爆破技术上的优点和直眼掏槽在钻眼技术上的优点结合起来，因此，其适应能力强，可对各种不同的条件和岩石状况采用不同的方法加以处理，掏进深度可以根据炮眼的级数来确定。实践表明，用这种方法进行爆破是很有成效的。

（3）分段掏槽。

为克服深眼爆破中装药底部仅产生挤压破碎作用和弱抛掷，可将掏槽炮眼分次起爆，这样有利于槽腔形成，提高掏槽腔的有效深度，便于机械化作业。图8-3-8为南昆线米花岭隧道采用的直眼二次掏槽的示意图，炮眼利用率在90% 以上。实践表明，对于斜眼分段掏槽，循环进尺可达隧道开挖宽度的76%，炮眼利用率可在95% 以上。

除此之外，其他掏槽形式还有扇形掏槽（图8-3-9），角锥与直眼、楔形与直眼（图8-3-10）等形式组合的掏槽。这些混合掏槽形式一般用在比较坚硬的岩石中。

图8-3-7　升级掏槽

4．掏槽形式的选择

上述掏槽形式与槽口尺寸的选定，由开挖断面的大小及宽度、地质条件、机具器材条件、钻眼爆破技术水平、循环进尺等开挖技术要求等几方面条件考虑决定，并根据实际掏槽的效果进行改进，以期取得更好的技术经济效果。在实际工程中，小断面掏槽可选用斜眼掏槽、直眼掏槽，中等断面和大断面常采用单级、复式楔形掏槽和大直径中空眼掏槽。

图8-3-8　直眼二次掏槽

图8-3-9　扇形掏槽

图8-3-10　混合掏槽