隧道掘進爆破水填塞技術(shù)研究

胡文柱，湯超程，崔家磊，周明安

(1.中交一公局萬利萬達項目總部萬利六分部，重慶 404100；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長沙 410072)

隧道掘進爆破水填塞技術(shù)研究

胡文柱1，湯超程2，崔家磊2，周明安2

(1.中交一公局萬利萬達項目總部萬利六分部，重慶 404100；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長沙 410072)

隧道水填塞爆破是在傳統(tǒng)的隧道爆破中加入水袋作為填塞的施工方法。加入水袋后，能使爆炸沖擊波更好地傳播，減少爆炸能量損失，節(jié)約炸藥用量，提高經(jīng)濟效益，且爆破形成的水霧明顯降低了有害粉塵濃度，保護了環(huán)境。針對隧道空氣介質(zhì)和水介質(zhì)不耦合裝藥爆破對孔壁巖石的初始壓力，進行了計算和比較。在劉家?guī)r隧道掘進爆破中，采用水填塞爆破與普通爆破進行了試驗對比，實踐證明，水填塞技術(shù)在減少超挖、提高炮孔利用率、保護保留圍巖的穩(wěn)定及降低成本等方面優(yōu)勢明顯。

隧道爆破；水填塞；爆破作用；試驗對比

0 前 言

目前隧道掘進爆破大多采用無填塞的爆破方法，致使炸藥爆炸時能量不能夠被充分利用，能量利用率較低，且在爆破過程中產(chǎn)生大量粉塵，對環(huán)境和人體產(chǎn)生一定傷害。水填塞爆破，也稱“水壓爆破”，是指在炮孔內(nèi)一定位置填塞預(yù)制水袋，炮孔口部利用炮泥填塞的一種爆破方法。由于水具有不可壓縮性，可以將爆炸產(chǎn)生的壓力與能量均勻地傳遞給巖石，提高了炮孔利用率。同時，通過引入水介質(zhì)的緩沖作用，減少了對保留圍巖的擾動，提高了光面爆破效果。爆炸時產(chǎn)生的“水霧”對能夠有效降低爆破后有害粉塵濃度，有利于環(huán)保施工。

隧道掘進爆破水填塞技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)被應(yīng)用并證明其具有較好的爆破效果。中鐵五局在梅花山隧道的爆破施工過程中采用了在炮孔底部和口部填塞水袋的爆破方法，爆破效果好。本文主要分析水填塞爆破過程中，水對巖石介質(zhì)的作用原理，在劉家?guī)r隧道進行水填塞爆破與普通爆破試驗對比的情況。

1 水填塞爆破作用原理

常規(guī)爆破中，空氣不耦合裝藥爆破時，可以計算出孔壁所受初始壓力。在水填塞不耦合裝藥爆破中，由于水介質(zhì)的影響，改變了孔壁所受到的爆炸沖擊壓力。

1.1 空氣不耦合裝藥時孔壁所受的初始壓力計算

常規(guī)工程爆破所用炸藥的爆壓隨著爆轟氣體的膨脹而下降，因此在計算作用于孔壁上的爆轟氣體壓力時，根據(jù)臨界壓力的不同可將膨脹過程分階段考慮，狀態(tài)方程為：

式中，Pk為臨界壓力，取200 MPa。

當P≥Pk時，空氣不耦合裝藥孔壁初始壓力計算為：

當P＜Pk時，空氣不耦合裝藥孔壁初始壓力計算為：

式中，γ為空氣絕熱膨脹指數(shù)，取1.4；n為炸藥的等熵指數(shù)，取3；r0為裝藥半徑；rb為炮孔半徑；不耦合裝藥時，μ＝0。

1.2 水不耦合裝藥時孔壁所受的初始壓力計算

水填塞不耦合裝藥爆破時，沖擊波沿徑向傳播，壓縮水介質(zhì)，當沖擊波傳播到孔壁時其波陣面上的壓力為：

當裝藥半徑為r0，炸藥密度為ρe時，炮孔的線裝藥密度為：

式中，QC為給定炸藥的爆炸熱；QT為TNT的爆炸熱。

由上式可見，孔壁處沖擊波壓力隨不耦合系數(shù)的增大而降低。當水中沖擊波到達孔壁時，沖擊波撞擊孔壁巖石時，并非所有巖石中都能激發(fā)沖擊波，這同巖石本身的性質(zhì)和裝藥條件有關(guān)，因此可以忽略巖石中沖擊波的影響，認為在沖擊波的沖擊壓縮下，孔壁巖石內(nèi)直接產(chǎn)生應(yīng)力波，即認為沖擊波與孔壁巖石的碰撞是彈性的，將發(fā)生反射和透射。用彈性理論求解出孔壁上的初始沖擊壓力為：

式中，ρ1CP為巖石的波阻抗；ρ0V1為傳播沖擊波波速為V1時水介質(zhì)的波阻抗。

從上述結(jié)果可以看出，當存在水介質(zhì)時，爆破后沖擊波對孔壁的初始壓力明顯增大，對巖石的破碎效果更明顯。

2 水填塞技術(shù)在劉家?guī)r隧道的試驗研究

劉家?guī)r隧道位于重慶萬州區(qū)龍駒鎮(zhèn)，端墻式明洞洞口，隧道凈空(寬×高)：9.94 m×8.47 m。左線長970 m；右線長833 m，雙線間距21.9～31.6 m，屬一般小凈距＋分離式隧道。隧道最大埋深160 m，最小埋深為17 m，IV、Ⅴ級圍巖，巖性主要為砂巖及灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀328°∠49°，灰?guī)r段深部有發(fā)育巖溶現(xiàn)象，砂巖段常伴有寬10～50 cm的橫向夾泥破碎夾層，裂隙水豐富，涌水量平均107.57 m3/h。

采用水填塞技術(shù)和普通爆破在劉家?guī)r隧道掘進爆破中進行了實驗對比。

該實驗段圍巖級別為IV級，隧道穿越三迭系上統(tǒng)須家河組地層，主要為砂巖夾有頁巖，巖層層間結(jié)合一般，節(jié)理較為發(fā)育，圍巖為厚層狀結(jié)構(gòu)，夾層含1～2 cm厚的黃泥。掌子面滲水，拱頂有滴水現(xiàn)象。

炮孔徑均為Φ42 mm，采用八字斜式掏槽，采用直徑32 mm乳化炸藥，按不同的裝藥結(jié)構(gòu)和填塞進行了對比試驗。

2.1 普通爆破實驗參數(shù)

采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔口不填塞，爆破參數(shù)如表1所示。

表1 普通爆破實驗參數(shù)

2.2 水填塞爆破試驗參數(shù)

水填塞爆破試驗段圍巖基本情況與普通爆破試驗段基本一致。與普通爆破不同的是周邊孔采用導(dǎo)爆索引爆炸藥。采用直徑32 mm，長20 cm水袋，炮泥直徑32 mm。周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，其他炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水填塞爆破參數(shù)如表2所示。

炮孔中增加了水袋，除周邊孔外，其余每個炮孔減少1卷炸藥0.2 kg。

裝藥方法：周邊孔底部先裝1個水袋，然后按照爆破設(shè)計裝藥，炮孔口裝入2個水袋，堵塞炮泥20 cm。其它部位炮孔先在底部裝1個水袋，然后按照爆破設(shè)計裝藥，孔口裝入1～2個水袋再填塞炮泥。所有炮孔裝藥完畢后，連線起爆。

圖1 周邊炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

表2 水填塞爆破參數(shù)

2.3 試驗結(jié)果比較

采用普通爆破、水填塞爆破進行了4次平行對比試驗，對超挖、炮孔利用率、光面爆破半孔率、炸藥消耗等進行了測量對比，平均結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果對比

3 結(jié) 論

隧道掘進爆破，因現(xiàn)場無炮泥或認為填塞影響作業(yè)時間，多不填塞。實踐證明，炮孔用炮泥填塞，可減少炸藥單耗，減少空氣沖擊波。而利用水袋和炮泥填塞，炸藥爆炸后通過水介質(zhì)傳遞能量，不僅提高了炸藥能量的利用率，對保留圍巖又起到緩沖的作用。試驗結(jié)果表明，水填塞與普通爆破相比，爆破效果提高顯著。超挖量減少37%，降低超挖就可減少襯砌的噴砼量，節(jié)約材料，降低工程造價；炮孔利用率提高14%，提高了循環(huán)進尺，加快工程進度；炸藥量消耗可減少10%，節(jié)約成本；保留圍巖半孔率提高125%，提高了圍巖的穩(wěn)定性，減少了排險時間；水填塞爆破形成的水霧，明顯降低了有害粉塵濃度，明顯改善了爆破后的環(huán)境情況。盡管水袋和炮泥填塞需購買制炮泥機及制水袋機，作業(yè)工序多了，但是總體爆破效果提高明顯，值得推廣采用。

[1] 吳志剛.水介質(zhì)耦合鉆孔爆破及其在隧道工程中的應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[2] 汪旭光.爆破設(shè)計與施工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016.

[3] 傅光明，周明安.軍事爆破工程[M].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2007.

2016-09-11)

胡文柱(1984-)，男，工程師，主要從事道路橋梁工程方面的工作，Email：1976009004＠qq.com。