水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用

歐 然

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇蘇州 215000)

1 工程概況

杭長鐵路客專湖南段HCTJⅠ標(biāo)茶坡里隧道位于湖南省醴陵市東堡鄉(xiāng)和黃獺嘴鎮(zhèn)交界處，起訖里程DK844+523～DK847+533，隧道長度3 010 m，中心里程DK846+028，隧道洞最大埋深385 m，為單洞雙線隧道，時(shí)速350 km，線間距5.0 m，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。本隧道全部位于直線段，隧道內(nèi)縱坡采用單面下坡，坡度為11.6‰。隧址區(qū)屬丘陵低山地貌，自然坡度15°～50°，地勢起伏大，相對高差120 m～420 m，植被發(fā)育，坡上雜草灌木叢生。表層為粉質(zhì)粘土，褐黃色，硬塑，含少量碎石，厚0.5 m～1.5 m。進(jìn)口段下伏基巖為砂質(zhì)板巖、淺變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)絹云母板巖，黃褐色。全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為7 m～25 m，洞口部分厚達(dá)46 m。巖層產(chǎn)狀145°～340°∠40°～60°，地下水不發(fā)育。出口段下伏基巖為砂質(zhì)板巖，全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為7 m～15 m，出口仰坡順層。圍巖類別:Ⅲ級(jí)1 685 m;Ⅳ級(jí)880 m;Ⅴ級(jí)445 m。

2 工程特點(diǎn)及處理方案

茶坡里隧道是本標(biāo)段最長的隧道，也是本標(biāo)段工期控制隧道。主要特點(diǎn):工期緊;單口掘進(jìn)長(1 500 m);炸藥使用量大等。

針對上述特點(diǎn)，經(jīng)過施工實(shí)踐的實(shí)際對比，驗(yàn)證了水壓爆破施工技術(shù)的優(yōu)越性。

3 水壓爆破基本理論

隧道掘進(jìn)水壓爆破與光面爆破在炮眼設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、藥量計(jì)算和起爆方法等方面完全相同，無任何區(qū)別，而根本不同之處僅在炮眼的裝藥結(jié)構(gòu)。以往的普通爆破都怕水，而水壓爆破則是反其道行之，炮眼是“愛水”的，如若炮眼中無水還要向炮孔內(nèi)裝入一定量的水，除注水外，對炮眼還要用專用設(shè)備加工成的炮泥回填堵塞。由于炮眼最底部和前端裝有水袋，可以比喻為爆破后一剎那給爆堆“噴水”，起到霧化降塵的作用;因炮眼底部有水袋，其“水楔”作用不但進(jìn)一步破碎巖石，而且水滲入到掌子面的巖石中，對防止巖爆起到了很好的作用。所以說炮眼底部水袋和水袋炮泥回填堵塞這種裝藥結(jié)構(gòu)是比較理想的，這種裝藥結(jié)構(gòu)稱為“水壓爆破”。

往炮眼一定位置上注入一定量水并用炮泥回填堵塞與以往常規(guī)工程爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)相比，產(chǎn)生了極好地爆破效果，具體表現(xiàn)為具有顯著的“三提高一保護(hù)”的作用。

三提高:提高了炸藥利用率，即節(jié)省炸藥;提高了施工效率，即加快了施工進(jìn)度;提高了經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

一保護(hù):大大降低粉塵含量對環(huán)境的污染，保護(hù)了施工人員的身體健康。

4 常規(guī)爆破施工與水壓爆破施工

4.1 常規(guī)爆破鉆爆設(shè)計(jì)與效果

4.1.1 鉆爆設(shè)計(jì)

茶坡里隧道出口地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖工法多樣，所以開挖斷面形式不同，但圍巖整體情況較好，所以Ⅳ級(jí)圍巖地段已與設(shè)計(jì)院溝通，提前進(jìn)行工法或是圍巖級(jí)別的變更，現(xiàn)開挖工法基本全為兩臺(tái)階法。

Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階的常規(guī)光面爆破設(shè)計(jì)如下:

采用二級(jí)復(fù)合式掏槽，上臺(tái)階炮孔數(shù)為191個(gè)(含光爆周邊眼)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度為3.5 m，上臺(tái)階裝藥量為219.4 kg。各種炮眼的深度、裝藥量、線裝藥密度詳見表1，炮眼分部、起爆順序如圖1所示。

表1 茶坡里隧道出口上臺(tái)階光面爆破參數(shù)表

圖1 茶坡里隧道出口炮眼分布及起爆順序圖（單位：cm）

4.1.2 爆破器材的選用

起爆器材選用:電雷管、起爆器;

傳爆選用:1段～15段8號(hào)工業(yè)導(dǎo)爆管雷管;

炸藥選用:直徑32 mm×200 mm 2號(hào)巖石乳化炸藥，爆速不小于3 200 m/s;

傳爆線:導(dǎo)爆索，爆速6 000 m/s。

4.1.3 爆破效果

在Ⅳ級(jí)圍巖地段，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度3.5 m，實(shí)際進(jìn)尺3.0 m～3.1 m，平均進(jìn)尺3.05 m，平均炮眼利用率87.1%。

爆破效果見表2。

表2 茶坡里隧道出口光面爆破效果表

4.2 隧道掘進(jìn)水壓爆破設(shè)計(jì)與效果

4.2.1 鉆爆設(shè)計(jì)

正如水壓爆破理論所述，水壓爆破在炮眼數(shù)量、炮眼深度、炮眼分布以及起爆順序的設(shè)計(jì)與常規(guī)爆破一模一樣，僅是在每個(gè)炮眼的裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)上作了變化，即適當(dāng)?shù)販p少了各個(gè)炮眼的裝藥量，往炮眼底部裝入水袋，最后再用水袋和炮泥回填堵塞。水壓爆破炮眼參數(shù)見表3。

表3 茶坡里隧道出口上臺(tái)階水壓爆破參數(shù)表

4.2.2 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

炮眼的裝藥結(jié)構(gòu)從炮孔底部至炮眼口依次為水袋、藥卷、水袋、炮泥，詳見圖2。

圖2 水壓爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

4.2.3 爆破基本情況

自2012年6月25日～2012年8月30日，茶坡里隧道出口上臺(tái)階連續(xù)采用水壓爆破37個(gè)循環(huán)，共計(jì)掘進(jìn)了103.3 m(DK846+774.8 ～DK846+671.5)，在Ⅳ級(jí)圍巖地段，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度 3.5 m，每循環(huán)進(jìn)尺3.3 m～3.4 m，平均每循環(huán)進(jìn)尺3.35 m，平均炮眼利用率為95.7%。

爆破效果見表4。

表4 茶坡里隧道出口掘進(jìn)水壓爆破效果表

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析對比

5.1 技術(shù)指標(biāo)

茶坡里隧道出口采用常規(guī)爆破時(shí)和采用水壓爆破時(shí)技術(shù)指標(biāo)對比詳見表5。

表5 茶坡里隧道出口常規(guī)爆破與水壓爆破對比表

5.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

茶坡里隧道出口自2012年6月25日開始采用水壓爆破時(shí)，上臺(tái)階剩余開挖為747 m，其中Ⅲ級(jí)475 m，Ⅳ級(jí)272 m。Ⅲ級(jí)按3 m/每循環(huán)計(jì)算，Ⅳ級(jí)按2 m/每循環(huán)計(jì)算，共需294個(gè)循環(huán)。

節(jié)約人工費(fèi)用:每天每個(gè)隧道口人員8 h/人，費(fèi)用150元/d，上臺(tái)階鉆爆一般配置為18人，每循環(huán)節(jié)約時(shí)間1.2 h，每循環(huán)節(jié)約人工費(fèi)為405元。共節(jié)約人工費(fèi)119 070.00元。

節(jié)約炸藥費(fèi)用:每循環(huán)平均節(jié)約炸藥22 kg，每循環(huán)節(jié)約炸藥費(fèi)用為306.04元。共節(jié)約炸藥費(fèi)89 976.35元。

節(jié)約機(jī)械費(fèi)用:出渣時(shí)間每循環(huán)節(jié)約0.3 h，上臺(tái)階出渣需兩臺(tái)裝載機(jī)，裝載機(jī)一個(gè)臺(tái)班(8 h)費(fèi)用1 800元，則每循環(huán)節(jié)約機(jī)械費(fèi)225元。共節(jié)約機(jī)械費(fèi)66 150.00元。

節(jié)約電費(fèi):每循環(huán)三臺(tái)空壓機(jī)(每臺(tái)耗電132 kW/h)，每臺(tái)可節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 h，通風(fēng)機(jī)(中檔耗電80 kW/h)節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間0.2 h，電費(fèi)為1.2元/kW，則每循環(huán)節(jié)約電費(fèi)256.8元。共節(jié)約電費(fèi)61 888.80元。

節(jié)約噴射混凝土費(fèi)用:平均每循環(huán)比光面爆破節(jié)約噴射混凝土約1.2 m3，則每循環(huán)節(jié)約混凝土材料費(fèi)468元，共節(jié)約混凝土材料費(fèi)137 592.00元。

購置炮泥機(jī)和水袋及水袋封口機(jī)費(fèi)用:20 000.00元。

縮短工期:平均每循環(huán)節(jié)約1.2 h，按現(xiàn)有剩余工程量747 m計(jì)算，需294個(gè)循環(huán)，則節(jié)約工期15 d。

共計(jì)節(jié)省費(fèi)用454 677.15元，縮短工期15 d。

6 結(jié)語

通過茶坡里隧道普通鉆爆施工與水壓爆破技術(shù)的對比，不難看出隧道掘進(jìn)水壓爆破具有“三提高一保護(hù)”的顯著作用，即提高了炸藥利用率、提高了施工效率、提高了經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)了環(huán)境。從經(jīng)濟(jì)效益上雖然提高不多，但工期提前半個(gè)月卻是至關(guān)重要的收益。

［1］中國力學(xué)學(xué)會(huì)《土巖爆破文集》編委會(huì).土巖爆破文集［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980:1-2.

［2］汪旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［3］汪旭光.爆破手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［4］黃 寧.人工挖孔樁單樁承載力試驗(yàn)與位移模擬分析［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.