淺談水壓爆破技術在隧道施工中的應用

宋雙江，劉京增（中鐵十四局集團第五工程有限公司，重慶400700）

淺談水壓爆破技術在隧道施工中的應用

宋雙江，劉京增
（中鐵十四局集團第五工程有限公司，重慶400700）

水壓爆破是一種新型環(huán)保節(jié)能爆破技術，在節(jié)約成本、提高工效、保護環(huán)境和緩解工期壓力等方面有相對顯著的效果，論文介紹水壓爆破的基本原理和工藝，結(jié)合在各個隧道挖掘施工中的實際應用，檢驗了水壓爆破的優(yōu)越性，為水壓爆破的全面推廣提供參考。

水壓爆破;節(jié)能環(huán)保;隧道

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.170

1 引言

中鐵十四局集團在六盤山隧道施工、寶蘭客專2標段和歇馬隧道施工中使用了水壓爆破技術，并取得了不錯的成效。其中運用的原理是將容器式的結(jié)構物注滿水,起爆懸掛在水中一定位置的藥包,利用水作為中間介質(zhì)，傳遞爆炸壓力，從而達到破壞結(jié)構物的目的，并使爆破振動和碎塊飛石得到有效控制。

2 概述

2.1 隧道掘進水壓爆破的起源

在20世紀末，我國著名的爆破專家何廣沂教授結(jié)合當前國內(nèi)隧道工程爆破的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)了隧道的挖掘都是采取炸藥箱紙殼浸水堵塞，或不回填堵塞炮眼的裝藥結(jié)構，不僅違背了科學，還浪費了炸藥，造成粉塵污染，而且在爆破時山崩地裂，爆破后效果十分差，對施工人員的身心健康造成了傷害。何廣沂教授為了解決工程爆破中不能充分利用炸彈能量和粉塵污染的這兩大難題，于1995年提出了“露天深孔水壓爆破”這一課題，并且在21世紀初（2002年）提出了“隧道掘進水壓爆破新技術是在全系統(tǒng)內(nèi)大力推廣使用的隧道掘進施工新技術”。該施工技術在國內(nèi)的設備、技術、施工方法與施工組織等方面總結(jié)出了十分可觀的經(jīng)驗，并面向全國進行大力推廣，深受施工單位的青睞。

2.2 工程概況

歇馬隧道為重慶市“五橫、六縱、一環(huán)、七聯(lián)絡”快速路系統(tǒng)中“一橫線”的重要組成部分。是兩江新區(qū)東西向的重要交通要道，也是主城區(qū)與北部區(qū)域的東西通道。歇馬隧道左線4187.46m，右線4150m，左線樁號：ZK6+085—ZK10+272.46；右線樁號：YK6+105—YK10+255。

隧道標準段限界寬度=限界凈寬為13.75m（檢修道0.75m+路緣帶0.5m+物流園專用車道3.75m+震蕩分隔帶0.25m+小車道3.5m+大車道3.75m+路緣帶0.5m+檢修道0.75m），限界高度為5.0m。

截止2016年3月初，隧道已掘進5759m，剩余2578m。工期十分緊張，為了解決這一問題公司領導決定應用水壓爆破技術，這一技術不僅可以提高工效，還可緩解工期時間緊而帶來的壓力；不但提高了隧道挖掘施工中的勞動生產(chǎn)效率，還節(jié)省了成本。

3 水壓爆破的施工原理

水壓爆破正是利用水是不可壓縮的介質(zhì)、密度大、可壓縮性小的這3個特點,破壞容器式的結(jié)構物，從而達到破壞以及有效控制破壞結(jié)構物。

水壓爆破原理的其中的一個特點是利用水對波的傳播快、消耗能量少的特點。將炸藥爆炸時的爆轟波快速、高效、充分地傳遞到結(jié)構物表面，從而達到對結(jié)構物表面的沖擊。而在這個傳遞的過程中，炸藥的能量不但沒有消耗而且爆炸能得到充分地利用。

水壓爆破原理的第二特點是利用水壓縮性能差,把炸藥爆轟時產(chǎn)生氣體的膨脹壓力均勻地傳遞給結(jié)構物的表面。爆炸的產(chǎn)物在水中以氣泡的形式繼續(xù)膨脹，從而形成氣泡漲縮脈動（氣泡脈動）。氣泡的脈動作用和其所形成的高速水流作用于結(jié)構表面，這是繼爆炸沖擊波之后的又一次對結(jié)構物的突躍加載，加劇了對結(jié)構物的破壞。

以上的陳述可以總結(jié)出水壓爆破主要存在2種荷載的形式是：(1)高壓氣團的膨脹功;(2)沖擊波作用。

4 水壓爆破工藝

4.1 技術要點及優(yōu)勢

水壓爆破的爆破設計是在炮孔堵塞和裝藥結(jié)構上進行了恰當?shù)恼{(diào)整。其水壓爆破的原理為：（1）用專用的炮泥回填堵塞炮眼，并在炮眼中注入一定量的水；（2）利用水的不可壓縮性傳播爆破沖擊波,使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到圍巖中幾乎無損失；（3）水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應，加速了巖石的粉碎，在炮眼中注入的水霧化，從而起到降塵作用，大大降低了粉塵污染。

水壓爆破的成功，順利解決了工程爆破中存在的2大難題即“不能充分利用炸藥能量”和“爆破中產(chǎn)生的粉塵污染”。同時我國隧道掘進用“濕法”鉆孔代替“干法”鉆孔、非電起爆代替火爆,使爆破工程產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。水壓爆破最明顯的優(yōu)勢是“三提高一保護”，其中“三提高”是提高施工效率，炸藥能量利用率，經(jīng)濟效益,“一保護”是保護環(huán)境和人身的健康。

4.2 水壓爆破工藝流程

水壓爆破工藝流程除了以前普通爆破的流程外還要事先準備好加工爆破所需的水袋，泡泥，在裝藥時按設計的裝藥結(jié)構依次裝入水袋、炸藥。水袋放入后要用炮泥堵塞。水壓爆破工藝流程見圖1。

4.3 水壓爆破設備

實施隧道掘進水壓爆破的基本保障設備是加工制作炮泥的“炮泥機”和自動注水、封口生產(chǎn)水袋的“水袋機”。炮泥的制作使用PNHA型炮泥機，單口機可生產(chǎn)炮泥約500根/h，雙口機可生產(chǎn)炮泥約900根/h。水袋的制作是采用KPS60型塑袋灌裝封口機，單臺封口機生產(chǎn)水袋是500/h。

4.4 炮泥加工工藝

4.4.1 原材料準備

炮泥的原材料主要是黏土、砂以及水。黏土采用是含水量≤8%的普通黏土。超大顆粒需要人工粉碎，最大的顆粒是不能超過10 mm,不得有任何雜物。砂最好使用河砂，細沙也可以，但必須是干凈的（≤3%的含水量）。水采用普通生產(chǎn)或生活用水即可。

圖1 水壓爆破工藝流程圖

4.4.2 炮泥制作

制作時先將黏土、砂、水（配合比為0.75∶0.11∶0.14）人工拌合,然后將黏土、砂、水的混合物裝入料斗中，經(jīng)炮泥機的擠壓，讓混合物成為泡泥，生產(chǎn)出的炮泥切割為20～30cm的長條。圖2為炮泥制作工藝流程。

圖2 炮泥制作工藝流程圖

4.5 水袋加工工藝

1）準備材料。水袋為長0.2m,直徑為0.035m,袋厚約為0.8mm,袋頭優(yōu)化為圓頭。水和塑料袋是水袋的原材料。其中水采用生活用水即可，塑料袋為普通塑料袋（聚乙烯塑料）。

2）水袋制作。制作時,先預熱封口機,將水管內(nèi)的空氣排出,接著在噴嘴上分別套上袋子,水袋灌滿后自動熱熔封口（封口溫度為240℃）。圖3為水袋制作工藝流程。

圖3 水袋制作工藝流程圖

4.6 裝藥形式及水壓爆破設計實例

歇馬隧道出口C標段是最早使用水壓爆破技術的，就以現(xiàn)在施工的III級圍巖為例，巖層主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，施工分上下臺階開挖，常規(guī)鉆爆設計采用中空直眼掏槽形式，爆破炮眼無回填堵塞,如圖4所示。水壓爆破在掏槽形式、炮眼的深度、數(shù)量、布設、時間間隔和起爆順序等設計上沒有太大的改變與常規(guī)普通爆破是一樣的，如圖5所示。爆破參數(shù)見表1。

經(jīng)過試驗確定，歇馬隧道蔡家段C標段在III級圍巖水壓爆破的裝藥結(jié)構與常規(guī)爆破相比，每循環(huán)總共節(jié)省炸藥22.3kg。

5 實施效果分析

圖4 常規(guī)爆破裝藥結(jié)構

設計掘進尺度為3m,常規(guī)爆破平均進深尺度為2.70m，水壓爆破平均進深尺度2.95m。平均每循環(huán)比之前提高了進深尺度為0.25m。

圖5 水壓爆破藥裝結(jié)構圖

水壓爆破在施工當中的炮眼利用率達到了96%，而常規(guī)爆破在施工當中的炮眼利用率僅為84%，大大提高了12%，通風排煙的時間為10min比過去整整短了30min。由此可得出，水壓爆破最明顯優(yōu)勢是“三提高”。

根據(jù)常規(guī)爆破和水壓爆破的現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，在相同開挖斷面面積、炮眼布置和鉆孔深度的采用水壓爆破節(jié)省了人工費232.6元，電費35.82元，火工品303元/m，制作炮泥還要另行支付水袋的費用為70.38元/m。通過計算分析，應用水壓爆破每延米可節(jié)省費用303+232.6+35.82-70.38=5001.04元，隧道剩余2500m可以節(jié)省費用125.10萬元。

6 水壓爆破的應用體會

隧道掘進水壓爆破經(jīng)過試點、試驗和推廣,證明了水壓爆破“三提高一保護”這一優(yōu)勢，是真正的“綠色爆破”，很適合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，應用前景也十分可觀。由此可根據(jù)以往應用和經(jīng)驗得出以下需要注意的內(nèi)容。

6.1 炮泥加工問題以及解決方法

6.1.1 料斗口的拌料下不去

拌料干結(jié)造成下料口的堵塞，其原因是在很長的時間內(nèi)沒有使用料斗口。解決以及預防的方法為：加入少量水使拌料機濕潤，反轉(zhuǎn)立式攪拌輸送器再加入較稀的拌料攪拌。采用保濕這一方法和經(jīng)常使用機器運轉(zhuǎn)即可預防拌料的干結(jié)。

表1 III級圍巖臺階法分部常規(guī)/水壓爆破參數(shù)表

6.1.2 成形器形成不了炮泥

其中拌料干結(jié)使之成型器堵住形不成泡泥為主要原因。解決以及預防的方法為：摘下成形器的端頭，將內(nèi)部的拌料清除，用清水沖洗成形器內(nèi)的表面，然后重新安裝。

6.2 水袋制作常見的問題

水袋制作常見的問題有以下幾項。

1）間歇不停。其原因是下側(cè)倒蓋板調(diào)整行程開關變位或損壞。

2）封口漏水滲水。其原因是溫度調(diào)控器被損壞，電熱線斷開，上下封座的耐高溫膠布損壞。

3）供水時大時小或供水不足。其原因是進排水口處的單向閥內(nèi)有異物；進水管中密封度不夠有大量的空氣；還有就是連桿螺母的松動；曲柄滑動凸墊壓得不緊實；水桶中水位超過標準水位。

6.3 炮泥及水袋安裝

為了保證水袋和炮泥安裝質(zhì)量，減小孔壁的摩擦力，炮眼的清孔至關重要。前期進行水壓爆破試驗時，炮眼清孔采用的是風壓清孔，水袋安裝和搗入時，容易出現(xiàn)被孔壁上粘連的石屑劃破的現(xiàn)象，且水袋和炸藥不易塞入孔底，造成掏槽效果差，需重新補炮，不僅浪費了炸藥，而且極大地影響了操作工人對水壓爆破的信心。出現(xiàn)狀況后，及時、積極與開挖工班進行溝通、查找分析原因，積極采取措施，在清孔管上接上水管，用水壓進行清孔試驗。實施后，清孔質(zhì)量得到提升，水袋安裝變得更加輕便，炮眼利用率也有所提高。

7 結(jié)語

關于水壓爆破，實踐總是走在理論的前面。在實際工程中的長時間推廣，水壓爆破在隧道施工中的作用已經(jīng)十分顯著。但是其中的一個缺點是由于施工人員已經(jīng)習慣并熟練掌握普通爆破方法，對采用水袋和炮泥的水壓爆破的方法并沒有深入了解，接受程度不是很好。因此，水壓爆破的新工藝推廣成了重中之重的問題。水壓爆破這一系統(tǒng)工程不僅僅是要克服技術上的這一大難題，還要解決施工人員的思想意識問題。只有解決了這些問題，才能使水壓爆破技術在施工中盡情地發(fā)揮它的優(yōu)勢，解決一些常規(guī)遺留的問題，并能發(fā)揮節(jié)省炸藥量、加快速度、降低通風時間、節(jié)能環(huán)保等作用。

【1】何廣沂，徐鳳奎，荊山，等.節(jié)能環(huán)保工程爆破[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

【2】何廣沂.工程爆破新技術[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

【3】吳曉亮，路杰心，李賀.水壓爆破技術的應用[J].山西焦煤科技，2011 (5):77-78.

【4】李兵，劉祖彬.隧道掘進節(jié)能環(huán)保水壓爆破施工技術[J].鐵道標準設計，2005(10):91-95.

【5】張衛(wèi)國.水壓爆破技術在隧道掘進施工中的應用[J].石家莊鐵道大學學報，2013(6):46-48.

Discussion on the Application of Water Pressure Blasting Technique in Tunnel Excavation Contruction

SONG Shuang-jiang,LIU Jing-zeng
（The5th Engineering Co.Ltd.,China Railway14thBureau Group,Chongqing400700,China）

Water pressure blasting is a new type of energy saving and environmental protecting blasting technique.It has a remarkable effect onsaving costs,improving efficiency,protecting the environment and reducing duration pressure.This paper describes the rational and process ofwater pressure blasting combined with its application in some tunnel excavation construction,which demonstrates the superiority of this blastingtechnique，and provides reference for promoting the use of hydraulic blasting.

water pressure blasting;environment protecting;tunnel

U455.4

B

1007-9467（2016）12-0168-05

2016-11-09

宋雙江（1990～），男，重慶渝北人，助理工程師，從事土木工程研究。