研究水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用

■丁國森 ■中國人民解放軍96531部隊，河南 洛陽 471031

在隧道掘進(jìn)工程中，水壓爆破技術(shù)可謂是極為先進(jìn)的綠色環(huán)保技術(shù)，促使掘進(jìn)工程施工技術(shù)完成了多次質(zhì)的超越。

1 水壓爆破技術(shù)概述

水壓爆破技術(shù)最先提出于上個世紀(jì)的九十年代，提出人為著名爆破專家何廣沂教授［1］。此項先進(jìn)技術(shù)的提出充分結(jié)合了當(dāng)時隧道工程施工現(xiàn)狀。何廣沂教授在觀察研究中發(fā)現(xiàn)，大部分的隧道工程在進(jìn)行掘進(jìn)施工時，所采取的爆破方式為不回填堵塞炮眼或是對炸藥箱紙進(jìn)行浸水應(yīng)用。諸如此類的技術(shù)在應(yīng)用中不僅是完全缺乏科學(xué)合理性，浪費資源，加大成本投入，同時在爆破中威震力極大，對施工環(huán)境保護(hù)極為不利。為了解決這一問題，何廣沂教授在1995年提出了一個露天深孔水壓爆破的研究課題，而在2002年又結(jié)合隧道掘進(jìn)工程提出了相關(guān)研究課題，對深、淺孔、隧道掘進(jìn)等水壓型爆破技術(shù)應(yīng)用的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為全面細(xì)致的分析研究。

2 水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

2．1 應(yīng)用施工流程及原理

2．1．1 水壓爆破技術(shù)應(yīng)用流程

在工程施工中，水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用流程主要如圖1所示。

圖1 水壓爆破應(yīng)用施工流程環(huán)節(jié)

2．1．2 水壓爆破技術(shù)應(yīng)用原理

水壓爆破原理:在水壓爆破技術(shù)應(yīng)用中，其設(shè)計方案與傳統(tǒng)方案并無什么不同，只是在裝藥及炮孔堵塞操作中進(jìn)行了科學(xué)調(diào)整。此項技術(shù)的主要應(yīng)用原理為:在炮眼內(nèi)部的具體位置加入定量水分，運(yùn)用所制作好的炮泥對炮眼進(jìn)行回填堵塞。對水中傳播具有的一定爆破沖擊力給予水的不可壓縮性充分利用，從而使得在爆炸力從水傳達(dá)至圍巖處時不會產(chǎn)生較大損失。與此同時，當(dāng)爆炸氣體在水中膨脹后，將會產(chǎn)生一定的“水楔”效應(yīng)，能夠為巖石粉碎提供加大助力。炮眼內(nèi)部水分還可對整個環(huán)境起到極佳的霧化降塵效能，避免造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

2．1．3 水壓爆破技術(shù)與普通爆破對比

(1)與普通爆破相比，水壓爆破技術(shù)應(yīng)用中在水中爆轟產(chǎn)物的膨脹速度較慢，其所產(chǎn)生的爆炸作用強(qiáng)度明顯比普通爆破強(qiáng)，其持續(xù)時間也要長于普通爆破。

(2)水壓爆破在炮孔周圍巖石周邊所產(chǎn)生的爆炸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通爆破，而衰減速度又要慢于普通爆破。水壓爆破的壓力峰值極大，破壞力極強(qiáng)。

(3)與普通爆破相比，水壓爆破技術(shù)應(yīng)用中能夠使得孔壁巖面的沖擊壓力得以減小，進(jìn)一步提升預(yù)裂爆破的成型質(zhì)量。

(4)普通爆破方式在空中的初始沖擊波壓力值范圍主要為80～130MPa，而水壓爆破技術(shù)在其應(yīng)用中主要的爆破區(qū)域為水中，初始沖擊波壓力至少在1萬MPa以上。

與普通爆破方式相比，水壓爆破技術(shù)的爆炸強(qiáng)度更大，持續(xù)時間更長，壓力峰值更大，破壞力更強(qiáng)，衰減力更小，初始爆破沖擊波壓力更大。

2．2 水袋的制作

水袋制作主要采用的是PSP-1型的炮孔水袋自動注水風(fēng)口設(shè)備加工而成，水袋的加入制作只需用到2～3名工作人員，1人負(fù)責(zé)進(jìn)行水袋自動注水設(shè)備的啟動關(guān)閉操作，1～2人負(fù)責(zé)進(jìn)行水袋的拿取操作。將水袋放置于鐵框或是木箱之中，注意水袋的袋口應(yīng)向上，豎直方向放置。傾斜角度為85℃。對水袋進(jìn)行焊縫時，需及時對其焊頭處的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常情況下的溫度應(yīng)為125℃左右。在水袋制作中應(yīng)注意這么幾點:(1)相關(guān)塑料袋制作材料為聚乙烯，厚度值為0．8mm，直徑則為35mm，具體長度值為200mm，通過相關(guān)加工單位加工制作而成，運(yùn)用封口機(jī)進(jìn)行水袋的制作，水袋制作中灌水、風(fēng)口均采用自動化。(2)水袋中必須灌滿水，確保水袋風(fēng)口密實，避免出現(xiàn)漏水、滲水等問題。真正符合標(biāo)準(zhǔn)的水袋應(yīng)能夠做到堅實挺拔，且能夠方便順利的放置于炮眼之中。(3)將封口設(shè)備的后門打開，將其泵連桿端頭處的螺母進(jìn)行松開處理，對蝶形螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)移位處理便可得到灌裝所需容量。通常情況下是順時針為逐漸減小，逆時針則為逐漸增大。(4)在進(jìn)行灌注封口操作時，需將主命令開關(guān)拔上，待機(jī)器運(yùn)作次數(shù)達(dá)到兩次時，促使計量泵中充滿水，待內(nèi)部空氣完全排空之后，再將開關(guān)作拔下處理。相關(guān)工作人員運(yùn)用兩手的拇指、食指將塑料袋固定于出料關(guān)口，按下開關(guān)開啟設(shè)備，便可進(jìn)行自動化的灌注及封口操作。

2．3 炮泥的制作

炮泥制作中所應(yīng)用到的原料主要有:砂粘土、黃粘土，在炮泥制作原料中應(yīng)避免出現(xiàn)石子、雜物等。采用專業(yè)炮泥機(jī)進(jìn)行炮泥制作，制作中所需用到的人力數(shù)量為2～3人，具體操作:一名工作人員將相關(guān)原料放置于制作機(jī)械中，一至兩名工作人員將制作好的物品取出。取出后的炮泥應(yīng)放置于專屬的炮泥箱或框中。炮泥制作示意圖如圖2所示。

圖2 炮泥制作示意圖

在炮泥的制作中應(yīng)著重注意的是這么幾點:第一，炮泥的主要原料應(yīng)為黏土及細(xì)砂。在將原料與水進(jìn)行混合攪動之前，如存在石塊等雜物，則應(yīng)及時將其取出。如存在大量的小石子則應(yīng)進(jìn)行篩檢操作，篩眼的大小應(yīng)為5mm×5mm左右為宜。真正符合標(biāo)準(zhǔn)的炮泥其表面應(yīng)較為光滑，用手指進(jìn)行觸摸、輕捏時應(yīng)能夠留下痕跡。這樣的炮泥才能在具有充分水量的同時又能在搗固中便于操作。

第二，在炮泥的制作中，應(yīng)注意對相關(guān)比例進(jìn)行有效控制。如果在制作中存在用砂過多的情況，那么對于整個成品的成型將會產(chǎn)生極為不利的影響;而如果存在用砂過少的問題，那么成品的比重將會較小。用水量也應(yīng)科學(xué)控制，過多或過少都會出現(xiàn)問題，如粘合性較差或是過于柔軟等，極不利于后期的搗固。相關(guān)的土砂水比例應(yīng)為0．75∶0．1∶0．15，只有這樣才能夠保證制作出的成品具有較好的塑性及強(qiáng)度，能夠便于進(jìn)行回填堵塞施工。

第三，制作完成后的成品應(yīng)避免充分暴露于陽光之下或是放置極長的一段時間，避免其內(nèi)部水分逐漸流失，致使炮泥極硬。通常對于炮泥的制作應(yīng)為使用前的2～3小時。

2．4 科學(xué)的裝藥操作

在進(jìn)行裝藥施工時，需運(yùn)用人工木制炮棍。相關(guān)工作人員在炮孔中一一放入藥卷，運(yùn)用炮棍進(jìn)行搗實處理。從而達(dá)到有效縮短各藥卷之間距離，確保傳爆效果的目的［2］。裝藥操作中應(yīng)注意對搗實力道進(jìn)行控制，不宜過大，避免用力過猛造成水袋完全破裂或是密度偏大等問題的出現(xiàn)，致使炸藥無法成功爆破。

裝藥的組成結(jié)構(gòu)由底至口應(yīng)為水袋—藥卷—水袋—炮泥，(示意圖如圖3所示)。確保各結(jié)構(gòu)的連接緊密度。在裝藥之前，應(yīng)準(zhǔn)確測量整個炮孔的具體深度，依照其數(shù)據(jù)值進(jìn)行藥量及水袋、炮泥長度的準(zhǔn)確計算。依照順序?qū)⑺形锲贩胖糜谂诳字?。注意在水袋的放置時，應(yīng)運(yùn)用炮棍將水袋一一捅入炮眼中。在進(jìn)行炮泥的回填時，除卻與水袋完全接觸的炮泥之外，其余炮泥應(yīng)全部堅實搗固。

圖3 裝藥組成結(jié)構(gòu)示意圖

3 水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用效果

3．1 技術(shù)效果

在對某個隧道掘進(jìn)工程進(jìn)行施工時，分別采用常規(guī)型及水壓爆破技術(shù)時相關(guān)指標(biāo)值對比如表1所示。

表1 兩種爆破技術(shù)技術(shù)指標(biāo)對比

3．2 經(jīng)濟(jì)效益

在此工程中，水壓爆破技術(shù)應(yīng)用中節(jié)省人工費用約為119100元，節(jié)省炸藥費用約為89920元，節(jié)省材料費約為137820元，節(jié)省機(jī)械費用約為66256元，節(jié)省電費約為61986元，應(yīng)用促使此工程施工工期得以有效縮短，縮短時長為15d，共計節(jié)省施工費用475082元。由此能夠充分表明，在此項先進(jìn)環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用中，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會效益均能夠得到有效提升［3］。

4 結(jié)語

水壓爆破技術(shù)在施工應(yīng)用中能夠有效提升增強(qiáng)施工質(zhì)量與效率，幫助企業(yè)獲取到最大化的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時，在技術(shù)應(yīng)用中對于周邊環(huán)境的保護(hù)也極為全面優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會的雙贏。

［1］張衛(wèi)國．水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2013，26(2):46-100．

［2］于兆學(xué)．淺談水壓爆破在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用［J］．中華民居，2013，(6):100-101．

［3］歐然．水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用［J］．山西建筑，2014，40(6):184-186．