高地應(yīng)力隧道中水壓爆破的研究和使用

吳小鵬 鞏亞定

【摘要】高地應(yīng)力隧道開挖施工中易發(fā)生巖爆，極大地威脅著現(xiàn)場施工人員和設(shè)備的安全，通過對隧道施工中采用的水壓爆破技術(shù)進行研究和改進，從實踐中總結(jié)出在高地應(yīng)力隧道中預(yù)防和治理巖爆的方法，減少了隧道開挖中的安全隱患并提高了開挖效果。

【關(guān)鍵詞】高地應(yīng)力隧道 巖爆 水壓爆破

隨著國家高速鐵路客運專線的發(fā)展，鐵路隧道其"長、大、深、群"的特點日趨明顯，而它們所處的地質(zhì)條件等易于形成高地應(yīng)力現(xiàn)象，并經(jīng)常引發(fā)巖爆、大變形等嚴重的相關(guān)施工地質(zhì)災(zāi)害問題，所以高地應(yīng)力與巖爆以及大變形對地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響問題，已引起廣泛重視。

巖爆是在高地應(yīng)力隧道開挖過程或完畢后，圍巖因開挖卸荷發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，它直接威脅人員、設(shè)備安全，影響工程安全和進度。巖爆的復(fù)雜性增加了其防治工作的困難，根據(jù)以往防治巖爆的經(jīng)驗，深埋長大隧道開挖中常用的防治巖爆的措施，主要有光面爆破，噴灑或注高壓水，做好圍巖量測，加強初期支護，增設(shè)臨時防護設(shè)施等，而采用光面水壓爆破，可以提高光面爆破效果，濕潤巖面，對巖爆進行有效防范。

本文以京福鐵路客運專線古田隧道為背景，對在隧道開挖中采用的水壓爆破技術(shù)進行研究改進，并采取其他措施，對高地應(yīng)力隧道中巖爆的預(yù)防和治理有一定的借簽和指導(dǎo)作用

1 高地應(yīng)力隧道中水壓爆破的使用原理及特點

目前大部分隧道掘進爆破采用炮眼無回填堵塞，如圖1所示。因炮眼無回填堵塞而被空氣充滿，一旦炸藥爆炸，壓縮空氣大大損失了擊波的能量，這就相應(yīng)地削弱了在圍巖中傳播的應(yīng)力波能量，降低了應(yīng)力波的強度，從而造成炸藥能量利用率不高，且在控制炸藥用量方面很難把握，極易造成大面積超欠挖。

隧道水壓爆破原理是利用在水中傳播的爆破應(yīng)力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到炮眼圍巖中幾乎無損失，在高地應(yīng)力隧道使用的特點主要有：一是由于采用了炮泥加水袋堵塞，避免了炸藥能量的外泄，炸藥能量充分利用在爆破巖石上，使得爆破效率提高，減少了炸藥的消耗，提高了隧道開挖的經(jīng)濟效益；二是炸藥在爆炸時產(chǎn)生的沖擊波，在水中的衰減速度要遠遠小于在空氣中衰減的速度。所以在炮孔底部加入一定量的水袋，使炸藥產(chǎn)生的沖擊波通過水袋直接作用在巖石上，大大的減少了炸藥能量的消耗，提高了炮眼利用率和圍巖的光面效果；三是炮眼中的水袋，在炸藥爆炸的作用下，會產(chǎn)生"水楔"效應(yīng)，有利于圍巖的進一步破碎，減少爆破產(chǎn)生的大塊率。堵塞水袋在爆炸的作用下會產(chǎn)生霧化作用，可以吸收粉塵，降低爆破后的粉塵濃度，減少了爆后對環(huán)境的污染，并增加巖面濕潤。

2 工程實例

2.1 工程及地質(zhì)概況

京福鐵路客運專線古田隧道為雙線隧道，隧道全長10632米，最大埋深約611m，采用鉆爆法施工，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，全斷面開挖。隧道在DK734+000～DK734+955段圍巖巖體應(yīng)力量級為高地應(yīng)力區(qū)；在DK734+955～DK735+150段圍巖巖體應(yīng)力量級為極高地應(yīng)力區(qū)。

2.2水壓爆破方案

根據(jù)本隧道圍巖情況，為了能有效地減小對圍巖擾動，避免出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，減少巖爆的發(fā)生造成安全隱患，在施工至高地應(yīng)力區(qū)時對爆破方案進行調(diào)整，由普通掘進常規(guī)爆破改為水壓光面爆破。

2.2.1 爆破器材的選擇

根據(jù)施工中常用的爆破器材、現(xiàn)場設(shè)備的選用，以及水壓爆破的特殊要求，爆破器材選用直徑為32的防水乳化炸藥，并采用電雷管和導(dǎo)爆管雷管作為起爆器材。炮孔內(nèi)依設(shè)計裝填水袋和炮泥。

水袋加工：水袋的原材料即水和塑料袋。水袋長200mm，直徑為35mm，袋厚約為0.8mm，采用KPS-60塑袋灌裝封口機進行自動灌裝封口。

炮泥加工：炮泥采用PNJ-A型炮泥機制作而成，炮泥主要采用黏土、砂和飲用水三種材料，三種成分的重量比例為黏土：砂：水=0.75：0.09：0.16，按照配合比例人工拌勻，生產(chǎn)出的炮泥按照20cm～30cm的長度切割。

2.2.2爆破參數(shù)的確定

（1）孔距

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，炮眼直徑為d=40mm，所以周邊孔間距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系數(shù)與光爆層厚度

光面爆破的不耦合系數(shù)λ=d0/d（d0為裝藥直徑）在0.8～1之間變化，當λ變小時，孔壁上的最大切向應(yīng)力減小，爆炸波作用時間延長，有利于應(yīng)力疊加和應(yīng)力集中，產(chǎn)生拉伸裂隙， 而不宜產(chǎn)生粉碎。根據(jù)最小抵抗線與炮孔間距的關(guān)系：光爆層厚度w=a/λ。

（3）周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系數(shù)，在通常情況下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）鉆爆設(shè)計同普通爆破

2.2.3裝藥方法、裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔堵塞

（1） 裝藥方法

采用人工用木制炮棍裝藥，由施工人員將藥卷逐個裝入炮孔，并用炮棍輕輕搗實，避免藥卷之間間隔較大，影響傳爆。在裝藥過程中嚴禁大力用炮棍搗實炸藥，防止用力過猛后使水袋破裂或使裝藥密度過大，造成炸藥壓死拒爆。炮眼底部裝的水袋一定要到位，必須裝在炮眼的最底部，不得有間隙。水袋與藥卷、藥卷與水袋、水袋與炮泥必須緊密連接，也不得有間隙。

（2）裝藥結(jié)構(gòu)

周邊眼采用空氣間隔、不耦合裝藥，采用導(dǎo)爆索起爆，將導(dǎo)爆索插入空底藥卷內(nèi)，炸藥均勻分布裝入炮孔內(nèi)。為克服底部炮眼的阻力，一般將底部藥量稍微加大。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節(jié)水帶，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，再進行堵塞。

掏槽眼、輔助眼、底邊眼等采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷，聚能穴朝孔口方向。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節(jié)水帶，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，再進行堵塞。

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及起爆方法

起爆網(wǎng)絡(luò)采取孔內(nèi)延期微差、孔外簇聯(lián)的起爆方式，各引爆雷管之間采取并聯(lián)的方式，以保證起爆網(wǎng)絡(luò)的可靠性和準確性。網(wǎng)絡(luò)聯(lián)好后，要有專人負責(zé)檢查，確認無誤后，方準起爆。

（4） 起爆順序

為滿足光面爆破的要求，先起爆掏槽眼，為其他炮孔提供臨空面，再起爆輔助眼、內(nèi)圈眼，最后起爆周邊眼、底眼。為了保證各類炮眼之間的起爆時差，增強起爆效果，在選用毫秒雷管時一般隔段使用。

2.2.4其它巖爆預(yù)防控制措施

（1）地質(zhì)預(yù)報

根據(jù)隧道地質(zhì)情況，在該段隧道可能發(fā)生巖爆時，遵循預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則，對開挖面前方的圍巖特性、地質(zhì)狀況以及水文地質(zhì)情況等進行地質(zhì)雷達、超前鉆孔進行預(yù)測、預(yù)報，及時研究施工對策措施，作好施工前得必要準備。

（2）提前注水

除利用水袋爆破后濕潤巖壁外，在爆破前通過炮孔和錨桿孔向巖體深處注水以降低巖體的強度，增加塑性，減少巖體的脆性，降低巖爆的強烈程度，同時可以起到降溫除塵的作用。

（3）淺孔爆破

將深孔爆破改為淺孔爆破，減少一次裝藥量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減輕爆破對圍巖的影響，減小爆破震動應(yīng)力場的疊加，從而減低巖爆的頻率和強度。

2.2.5 爆破安全注意事項

（1）防止設(shè)備漏電

炮泥機和水袋封口機都是用電設(shè)備，為防止因水出現(xiàn)漏電，在開機前要用儀表檢查設(shè)備是否漏電，以便采取相關(guān)措施。

（2）正確操作炮泥機

炮泥機上料倉中有螺旋攪拌翅，工作時不能用任何工具或棍棒撥弄料倉中的物料，防止出現(xiàn)事故?？纱C后用棍棒清除料壁或攪拌翅上的泥土。

（3）嚴格控制炮泥回填堵塞長度

炮泥可抑制膨脹氣體從炮眼口沖出，有利于巖石進一步破碎，而且還能起到抑制飛石飛的過遠的作用。為充分發(fā)揮這種雙重作用，炮泥堵塞長度應(yīng)大于或等于水袋的長度。

2.3 巖爆的處理效果分析及改進

該隧道于2012年8月進入高地應(yīng)力區(qū)隧道開挖施工，在采用水壓光面爆破技術(shù)后，從開挖爆破效果來看，一方面水壓爆破單孔裝藥量相對常規(guī)裝藥量少，但由于堵塞密實，降低了爆破振動，保護了圍巖穩(wěn)定性，從而增加了成孔率，使得拱部炮眼孔痕保存率達到80%，邊墻達到70%以上，整個隧道斷面開挖輪廓面平整圓順，另外爆破后水袋中的水被炸藥能量拋撒空中，達到了降溫除塵和濕潤巖面效果，一定程度提高了圍巖塑性，雖然在該段施工過程中發(fā)生輕微巖爆，但經(jīng)及時采取對洞壁及掌子面進行危巖清撬后，及時噴3cm厚混凝土進行封閉圍巖的措施，未對施工造成安全隱患。

3 結(jié)語

通過對古田隧道高地應(yīng)力隧道中水壓爆破技術(shù)的研究和使用，較好地通過巖爆段，沒有發(fā)生人員傷亡事故。經(jīng)施工過后對巖爆段進行的觀察，洞壁未再產(chǎn)生各種類型的巖爆，所噴的混凝土未發(fā)生開裂、剝落，鋼拱架也未產(chǎn)生明顯的變形，圍巖收斂變形基本穩(wěn)定，對巖爆段的處理是比較成功的。

參考文獻：

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[2] 劉正雄、 張儒林等， 隧道爆破現(xiàn)代技術(shù) 北京，中國鐵道出版社

[3]趙崇科， 洞室法松動控制爆破技術(shù)，鐵道標準設(shè)計， 2004（12）

作者簡介格式：

吳小鵬（1979年11月），性別 男，民族 漢族，籍貫 河南省洛陽市，職務(wù)/現(xiàn)職稱 工程師 。研究方向：城市軌道交通。