隧道掘進(jìn)水壓爆破施工技術(shù)

喬樹偉

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000）

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隧道掘進(jìn)水壓爆破施工技術(shù)

喬樹偉

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000）

摘要：對常規(guī)爆破和掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)的爆破參數(shù)以及兩種爆破方法的技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，并對掘進(jìn)水壓爆破的工藝流程、爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、材料用量以及三種爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，總結(jié)得出掘進(jìn)水壓爆破施工技術(shù)的注意事項(xiàng)，以利此技術(shù)地應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：隧道 掘進(jìn) 水壓爆破 技術(shù)

1　工程概述

北武夷山隧道全長14646m，是京福鐵路客專閩贛段重點(diǎn)控制工程之一，工期緊任務(wù)重。該隧道進(jìn)口段設(shè)金奧和嵐谷兩條斜井，金奧斜井長733.38m，“S型”曲線，與正線交角90°；嵐谷斜井全長1848.39m，與正線交角60°。隧道內(nèi)不良地質(zhì)情況復(fù)雜，有2670m屬于極高地應(yīng)力區(qū)，有1315m屬于高地應(yīng)力區(qū)；有4055m屬于高地溫危害區(qū)域，最高溫度達(dá)50.3℃。施工中采用了掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)，解決了隧道工程爆破存在多年已久的未能充分利用炸藥能量和改善洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境等兩大難題。

2　隧道掘進(jìn)水壓爆破

2.1鉆爆設(shè)計(jì)

水壓爆破在炮眼數(shù)量、炮眼深度、炮眼分布以及起爆順序等設(shè)計(jì)與常規(guī)爆破一模一樣，僅在每個(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，往炮眼中裝入水袋，最后用炮泥回填堵塞。水壓爆破炮眼參數(shù)見表1。

2.2炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

炮眼均在眼底設(shè)置水袋，從炮孔底部至炮孔口依次為水袋、藥卷、水袋和炮泥封堵，見圖1。裝藥前，先用尺量出炮孔深度，根據(jù)實(shí)測的炮孔深度計(jì)算出裝藥量及水袋、炮泥的長度后，將炸藥、水袋和炮泥按順序裝填入炮孔中。需要說明的是，僅需在試驗(yàn)階段準(zhǔn)確測量每個(gè)炮孔的深度，在實(shí)際施工時(shí)，裝填結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，就不需要重復(fù)此項(xiàng)工作了。水袋、炮泥在炮孔中的長度比例為3∶4。

圖1　炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

2.3 爆破基本情況

自2010年6月進(jìn)場以來，以連續(xù)采取水壓爆破施工整整300個(gè)循環(huán)進(jìn)行總結(jié)，共計(jì)掘進(jìn)了1 140 m，在Ⅲ級圍巖（凝灰?guī)r）地段，設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度4.0 m，每循環(huán)實(shí)際進(jìn)尺3.6～4.0 m，平均每循環(huán)進(jìn)尺為3.8m，平均炮眼利用率達(dá)93.4 %。

表1　北武夷山隧道b型斷面水壓爆破參數(shù)表

3　施工方法

3.1隧道掘進(jìn)光面水壓爆破

3.1.1北武夷山隧道掘進(jìn)水壓爆破光面炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

該隧道掘進(jìn)實(shí)際光爆炮眼常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)與水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4。

圖2　常規(guī)光面爆破周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）

圖3　水壓光面爆破拱部周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）

圖4　水壓光面爆破邊墻周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)（單位：cm）

光面炮眼水壓爆破后，整體開挖斷面圓順平整，拱部線性超挖6.2 cm，邊墻為5.4 cm，全斷面無欠挖，半眼痕保留率達(dá)到91 %（常規(guī)爆破為78.2 %）。光面炮眼水壓爆破最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省爆破材料費(fèi)，常規(guī)光面爆破由于采用導(dǎo)爆索起爆成本高，每循環(huán)發(fā)生的材料費(fèi)為1113元，而水壓光面爆破由于取消了導(dǎo)爆索，成本大大降低，每循環(huán)材料費(fèi)僅815元，節(jié)省26.8 %。除此之外，還能起到進(jìn)一步降低粉塵濃度和防止巖爆的作用。

光面水壓爆破與常規(guī)光面爆破的爆破材料用量對比見表2。

表2　爆破材料用量表

從表中可看出，光面水壓爆破與常規(guī)光面爆破相比每循環(huán)可節(jié)省爆破材料費(fèi)26.8 %。

根據(jù)北武夷山隧道（進(jìn)口段）多個(gè)循環(huán)所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)濃縮為三種不同裝藥結(jié)構(gòu)：①炮眼無回填堵塞；②炮眼用水袋炮泥回填堵塞；③炮眼底水袋與水袋炮泥回填堵塞。

這三種不同裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　炮眼三種不同裝藥結(jié)構(gòu)

炮眼底部裝水袋，是我們大膽嘗試，其爆破效果通過一些循環(huán)還不能充分說明問題，還需要進(jìn)一步比較，所以以后施工內(nèi)容中還保留了炮眼水袋炮泥回填堵塞，其目的是為了與實(shí)際爆破效果對比。

圖6　常規(guī)爆破炮眼分布（單位：cm）

在與常規(guī)爆破同樣條件下，及仍按原炮眼布置分布，見圖6，每循環(huán)設(shè)計(jì)進(jìn)尺仍為3.8 m，炮眼數(shù)量、炮眼深度、起爆順序及間隔時(shí)間等不變。

上述炮眼三種不同裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)際爆破效果見表3。

表3　炮眼三種不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果對比表

3.1.2爆破效果分析

從表3可以看出，炮眼眼底水袋與水袋炮泥回填堵塞，其爆破效果略好于炮眼水袋炮泥回填堵塞，其實(shí)前者最大的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在降塵和防巖爆方面：由于炮眼最底部有水袋，可以視為爆破最后一剎那給爆堆“噴水”，其霧化降塵作用效果更好；炮眼底有水袋，其“水楔”作用不但更進(jìn)一步破碎巖石，而且水滲入到掌子面的巖石中，對防止巖爆起了很好的作用。

3.2隧道掘進(jìn)水壓爆破施工工藝

3.2.1工藝原理

（1）隧道爆破掘進(jìn)，圍巖能夠達(dá)到破碎是炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)用波和爆炸氣體膨脹共同作用的結(jié)果。炮眼中的炸藥，從爆炸開始到炸藥爆炸完畢，在炸藥中傳播的是爆轟波，爆轟波沿炮眼方向傳到炮眼的空間稱為擊波，而擊波傳到炮眼圍巖中稱為應(yīng)力波，炮孔填塞水袋隧道爆破法是最大可能的降低了擊波的能量損失，阻止了爆炸氣體從炮眼口沖出。炮孔填塞水袋隧道爆破法與目前全國普遍采用的隧道爆破掘進(jìn)無回填堵塞相比顯著提高了炸藥能量利用率，即炸藥爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆炸高壓氣體利用率提高，非常有利于圍巖破碎。

（2）隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破即炮眼無回填堵塞，如圖7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沖擊波的能量，這就相應(yīng)的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(qiáng)度，不利于巖石的破碎；同時(shí)，由于炮眼無回填堵塞，爆炸氣體膨脹從炮眼口沖出，因而損失了膨脹氣體大部分的能量，從而削弱了膨脹氣體進(jìn)一步破碎巖石的作用。

圖7　隧道掘進(jìn)爆破眼無回填堵塞示意圖

圖8　炮眼堵塞水袋炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

（3）將圖8中炮眼無回填堵塞部位改為圖8中的應(yīng)用水袋與炮眼回填堵塞，這樣在水中傳播的沖擊波對水不可壓縮，爆破能量沒有損失的經(jīng)過水傳遞到炮眼圍巖中，十分有利于圍巖破碎，由于用專門設(shè)備制成的炮泥回填堵塞炮眼，抑制膨脹氣體沖出炮眼口，提高了爆炸能量使用效率。

3.2.2工藝流程

炮孔填塞水袋爆破與隧道掘進(jìn)常規(guī)爆破相比主要區(qū)別在于增加了以下兩道工序：

（1）炮眼注水工藝

往炮眼中注水的工藝是先把水灌入到塑料袋中密封，然后把水帶填入炮眼底部和中部。水袋是由2004年研制成功的PSP-1型炮孔水袋自動(dòng)封裝機(jī)生產(chǎn)而成，水袋機(jī)為普通設(shè)備，外形尺寸1000×600×400 （mm），整機(jī)功率0.85KW，電源AC220V，50HZ，一臺水袋機(jī)一小時(shí)可以制作700袋，可供兩三個(gè)循環(huán)使用。塑料袋為常用的聚乙烯塑料，袋厚為0.8mm左右。隧道爆破一般為水平眼，為便于裝填，水袋長200mm～300mm，直徑為35mm～40mm為宜。

（2）炮泥制作工藝

炮泥是由近幾年研制成功的PNJ-1型炮泥機(jī)生產(chǎn)而成，炮泥機(jī)為普通設(shè)備，外型尺寸1712×590×1293（mm），兩個(gè)人一小時(shí)可制作200～400個(gè)，可足夠一個(gè)爆破循環(huán)所需的數(shù)量。制作炮泥材料為普通粘土。制好的炮泥以表面光滑。用手略微一捏可以變形為宜。為了保證制作質(zhì)量，粘土含砂率控制在10%左右，含水率控制在15%左右。拌合均勻，待混合均勻以后，裝入炮泥機(jī)的進(jìn)料倉，開動(dòng)電鈕，這時(shí)按200mm～300mm的長度切割。

（3）施工工藝流程圖（見圖9）

圖9　施工工藝流程圖

（4）炮孔填塞水袋隧道爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10　炮眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

說明：L1—眼底水袋長；L2—炸藥長；L3—炮眼中間水袋；L4—炮泥回填堵塞長

其關(guān)系為L=L1+L2+L3+L4

L1一般為一節(jié)水袋的長度，L2為水壓爆破所需的炮眼裝藥量的藥卷長度。如果L3過小，L4過大，則水的作用不大，如果L3過大，L4過小，則抑制爆炸氣體膨脹作用不大。

3.2.2.5水袋、炸藥藥卷、炮泥填裝

從炮眼底到炮眼口依次裝填水袋、炸藥藥卷、水袋、炮泥，它們之間的連接必須緊密。裝填水袋時(shí)，用炮棍輕輕推到炮眼一定位置：回填堵塞炮泥時(shí)，除與水袋接觸的炮泥之外，其余回填堵塞的炮泥要用炮棍搗固堅(jiān)實(shí)。

4　施工注意事項(xiàng)

嚴(yán)格認(rèn)真的清洗炮眼，防止有棱角的碎石在填塞水袋時(shí)劃破水袋而引起水袋漏水，達(dá)不到水壓爆破效果；水袋要充滿水，封口密實(shí)，不漏水，合格的水袋堅(jiān)實(shí)挺拔，方便裝填炮眼中；在使用前2h～3h制作炮泥，以避免時(shí)間過長，炮泥失水變硬，造成爆破后產(chǎn)生灰塵。

5　結(jié)語

（1）水壓爆破應(yīng)用后，對炮眼中水袋長與炮泥長的不同比例進(jìn)行了試驗(yàn)，其最佳比例，即爆破效果最好時(shí)為3/4左右。改變以往炮孔無回填堵塞或僅用紙殼塞入炮孔（周邊眼常用紙殼塞入炮孔口）。

（2）炮眼水袋、藥卷間隔充填，炮泥堵塞，應(yīng)變測試結(jié)果解釋了炮眼水壓爆破較常規(guī)爆破提高了炮眼利用率，使巖石破碎均勻并降低了大塊率。

（3）采用水壓爆破很大程度縮減了隧道出碴時(shí)間，加快了作業(yè)循環(huán)。

（4）采用水壓爆破，掌子面粉塵濃度比常規(guī)爆破明顯降低，極大地改善了洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，有效地加快了施工進(jìn)度。

Water Pressure Blasting Technology for Tunnel Excavation

QIAO Shu-wei
（China railway 19th bureau group first engineering co., LTD Liaoyang Liaoning 111000 China）

Abstract：In this paper, first, the technical and economic index of the conventional blasting technology and water pressure blasting technology are compared and analyzed. Then, the process flow, the blasting parameters, the charging structure, the material dosage and the charging structure of three different blasting perforations are analyzed. Finally the precautions of water pressure blasting technology are introduced.

Key words：tunnel tunneling water pressure blasting technology

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：中國分類號：TD235A

文章編號：1673-1816（2016）01-0025-06

收稿日期：2015-11-14

作者簡介：喬樹偉（1970-），男，遼寧朝陽人，學(xué)士，工程師，研究方向交通土建。