聚能水壓爆破控制技術(shù)在城市地鐵中的應(yīng)用

鄒瑾

摘要：聚能水壓爆破技術(shù)經(jīng)實際應(yīng)用，突破常規(guī)光面爆破炮眼間距40-50cm的界限，可達100cm，光爆炮眼數(shù)量可以減少50%，縮短打眼時間，加快施工進度。本文對聚能水壓爆破控制技術(shù)進行了概述，并通過列舉工程實例對該技術(shù)在城市地鐵施工中的運用情況展開了分析，以期為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

Abstract： After practical application， shaped hydraulic blasting technology breaks through the limit of 40-50cm interval of conventional blasting， reaching 100cm， and it can reduce the number of blasting holes by 50%， shorten the drilling time and speed up the construction progress. In this paper， the shaped hydraulic blasting control technology is introduced， and the application of the technology in urban metro construction is analyzed by enumerating the engineering examples， with a view to provide a reference for people concerned with this topic.

關(guān)鍵詞：城市地鐵；聚能爆破；水壓爆破；控制技術(shù)

Key words： urban subway；shaped blasting；hydraulic blasting；control technology

中圖分類號：TU751.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0134-03

0 引言

在城市地鐵工程施工的過程中，經(jīng)常面對區(qū)間隧道上方存在各種管線，周邊環(huán)境復(fù)雜，爆破難度及風險巨大的情況。常規(guī)爆破振速、噪音、開挖效果等指標難以滿足綠色施工要求，水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用基本解決了上述問題。針對華南地區(qū)花崗巖強度高，圍巖性質(zhì)變化快的特性研究應(yīng)用聚能管水壓爆破技術(shù)，取得了理想效果，具有較高的參考價值。

1 聚能水壓爆破控制技術(shù)概述

同常規(guī)光面爆破藥卷的間隔裝藥不同，該項新技術(shù)采用“聚能管裝置”和水袋，并在炮眼中一定部位放置水袋，最后用炮泥回填的新型裝填結(jié)構(gòu)。這種新型裝填結(jié)構(gòu)，除具有常規(guī)光面爆破所具有的應(yīng)力波和氣體準靜態(tài)作用外，還增添了高溫高壓聚能效應(yīng)和“水楔效應(yīng)”作用，從而解決了常規(guī)光爆存在周邊眼布設(shè)過密的難題。采用這項新技術(shù)，周邊眼炮眼間距可達100cm，突破了常規(guī)光面爆破炮眼間距40-50cm的界限，光爆炮眼數(shù)量減少50%，同時，減少了對圍巖的擾動。聚能管裝置中的裝藥直徑相對標準直徑32mm藥卷小，炮眼不耦合系數(shù)大，對圍巖破壞作用小，較好的控制了超挖。

2 聚能水壓爆破控制技術(shù)在城市地鐵施工中的運用情況

2.1 工程概況

廣州地鐵十三號線施工五標土建工程為夏園站～南崗站盾構(gòu)區(qū)間工程，區(qū)間中部共計約1320m隧道穿越混合花崗巖強、中、微風化帶，該段地層受瘦狗嶺斷裂和蘿崗斷裂對沖影響，區(qū)域地層節(jié)理發(fā)育清晰，局部巖層強度差別大。地下水平均埋深2.4m，具有一定的承壓性。礦山法隧道周邊分布有商場、八十七中學、人行天橋等眾多建、構(gòu)筑物，區(qū)間隧道上方有燃氣、供水等管線，周邊環(huán)境復(fù)雜，施工難度及施工風險巨大。

2.2 聚能水壓爆破施工

2.2.1 研究背景

①現(xiàn)有城市地鐵爆破工藝分析。

現(xiàn)有常規(guī)和水壓爆破原理采用的光爆參數(shù)：孔距為a=8-18D，D為鉆孔直徑，預(yù)裂爆破參數(shù)：a=8-12D，鉆孔密度大，采用不耦合裝藥。

光爆、水壓爆破，爆炸產(chǎn)物對巖石的沖擊波和應(yīng)力波，沖擊波在孔壁附近形成細小裂縫，應(yīng)力波在距離較近炮孔連線兩側(cè)應(yīng)力疊加，拉力超過巖石強度形成裂縫。隨后爆破氣體、水氣混合物的膨脹產(chǎn)生準靜態(tài)應(yīng)力，在炮孔連線兩側(cè)都是拉應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生足以拉斷巖石強度的拉力；高壓氣體、水氣混合物深入縫隙，尖端產(chǎn)生氣刃效應(yīng)和水壓效應(yīng)，爆炸氣體和水氣混合物不僅能形成貫通縫，還可以使裂縫有一定寬度。僅有爆破氣體和水氣混合物也能使巖石斷裂，所以爆破氣體和水氣混合物在光面預(yù)裂爆破和水壓光面爆破中起主導作用。

②目前城市地鐵爆破工藝的缺陷。

在目前的城市地鐵爆破施工中，掏槽孔一般采用楔形掏槽，掏槽孔有三排，分別：第一排是掏槽、二、三排為擴槽孔，孔距根據(jù)巖石強度及結(jié)構(gòu)面，孔距取值20-60cm，排距30cm，鉆孔密集度大，造孔工作量大。

周邊光面孔、預(yù)裂孔及掏槽孔，鉆孔量大，側(cè)墻及仰拱光爆預(yù)裂效果差，火工品材料及噴射混凝土量損耗多，爆破震動大。

2.2.2 聚能水壓光面爆破技術(shù)原理

①聚能裝藥和聚能爆破原理。

聚能裝藥和聚能爆破，又稱成型裝藥，是一種利用一端裝配有凹金屬罩（或PVC罩）的裝藥結(jié)構(gòu)，在另一端引爆主裝藥后，爆轟波從藥型罩頂部掠至尾部時將藥型罩以很大速度向軸向擠壓，使罩金屬變形并在軸線處形成一股連續(xù)高速金屬射流的裝藥方式。目前利用該原理的裝藥技術(shù)是雙極線性聚能爆破裝藥裝置，該種雙極聚能光面（預(yù)裂）爆破孔距一般采用a=18-30D，較現(xiàn)有光面預(yù)裂爆破可節(jié)省鉆孔50%，但這種聚能角為180度的雙極線性聚能爆破裝藥裝置，通常只能在邊坡和直線輪廓上使用的，且該裝置采用的是封閉管，裝藥程序復(fù)雜，需要專用機械，且連接管件和定位件較多，成本較高。

②聚能水壓光面爆破技術(shù)。

針對目前城市地鐵爆破工藝的缺陷和聚能裝藥裝置和材料的不足，本工程開展了對聚能水壓光面爆破技術(shù)的研究，融合聚能裝藥原理和水壓爆破技術(shù)原理，采用柔性材料連接、便于入孔和孔內(nèi)定位的新型PVC專利聚能管材料，以保證側(cè)墻及仰拱光面孔的徑向不耦合裝藥，同時利用水袋進行軸向的耦合裝藥爆破，利用水的不可壓縮性傳遞爆轟波，同時調(diào)整的PVC塑料射流雖沒有金屬材料速度高、切割能力強，但PVC射流足以在巖石上切割出裂縫，PVC聚能管還能多產(chǎn)生60%以上爆破氣體，在炮孔內(nèi)的高壓爆破氣體準應(yīng)力及氣體和水分子的壓力作用下，根據(jù)爆破應(yīng)力集中現(xiàn)象，在聚能角中心線方向上的巖石被拉斷，相鄰炮孔連線上形成貫通縫隙，實現(xiàn)能量的高效利用。聚能管裝藥實物圖見圖1。

2.2.3 聚能水壓光面爆破研發(fā)情況

經(jīng)過幾次局部試驗后，在2015年5月30日，本工程在2#臨時豎井的礦山法隧道中進行了第一次的全斷面聚能水壓光面爆破試驗，在本次試驗中采用的是雙W型利用柔性材料綁扎的半壁PVC管來作為乳化炸藥的裝藥裝置，炸藥通過膠槍進行人工填充，單次上臺階爆破所需炸藥用時2個小時在地面填充完成。

①聚能水壓爆破參數(shù)。

在本工程經(jīng)過局部試爆調(diào)整后的全斷面聚能水壓爆破研發(fā)試驗中，采用的爆破炮孔孔徑、孔深與后期水壓爆破參數(shù)相同，即掏槽孔深2.5m，周邊孔深2.2m，炮孔孔徑42mm，但周邊孔間距由500mm調(diào)整為800mm，底板一排孔間距800mm。掏槽孔共布置兩排共計6孔，水平間距1200mm。掏槽孔兩側(cè)布置三排共11個輔助孔。上臺階炮孔布置圖見圖2。

結(jié)合本工程水壓爆破實踐和該地區(qū)實際<9z>混合花崗巖特性，考慮到施工安全性和便利性，本工程將爆破周邊孔深維持2.2m，掏槽孔深度2.5m。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，兩種孔深炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。

B型斷面礦山法隧道聚能管水壓爆破平均用藥量為1.13kg/m3。

②水袋制作。

水壓爆破所使用的水袋加工質(zhì)量要求標準是單個水袋重量不得低于192g，實際加工的水袋重量平均約202g，電源調(diào)節(jié)溫度到210℃左右。

③炮泥加工制作。

炮泥原料采用土、砂和水。土以粘土為宜，砂為細砂，以河砂為好，對水無特殊要求。

炮泥宜在使用前2h-3h制作炮泥，以免時間過長，炮泥失水變硬。加工時按照土：砂：水=0.75：0.10：0.15攪和均勻（華南地區(qū)可選用<2-4>粉質(zhì)粘土以5：1比例與水混合），放入炮泥機料斗，加工的炮泥應(yīng)軟硬適中（炮泥過軟，搗固時容易把炮泥擠出炮眼口；炮泥過硬，搗固時不易搗固實，影響爆破效果）。

④爆破效果。

采用聚能水壓爆破以后，爆破進尺較常規(guī)爆破提高了9.8%，單位用藥量比常規(guī)爆破平均節(jié)省炸藥24.5%，炮眼利用率提高8.6%，粉塵濃度降低明顯，平均塊度降低46.2%，炮泥封堵較好時渣堆縮短20%，通風時間縮短36分鐘，振動速度降低9.3%。爆破效果對比見表1。

開挖輪廓方面：

在減少炮孔數(shù)量、加大炮孔間距后，總體效果接近水壓爆破效果，噪音和振速均較為可控；掌子面爆破完成后洞室成形規(guī)整、光滑，開挖輪廓線接近設(shè)計輪廓線，總體超欠挖情況較好；但在隧道腰線60°局部位置存在炮孔殘留、底板部分局部未完全爆開現(xiàn)象，欠挖量約15cm，經(jīng)過幾次調(diào)整增加聚能管角度后，可充分爆破。

其后考慮到存在拒爆和欠挖情況，又進行了多次試驗，調(diào)整了聚能管開口角度和安裝角度，增加固定貼片和調(diào)整柔性材料，但最后總體來說，試驗用藥槍裝藥要先將乳化炸藥藥卷內(nèi)炸藥取出裝入藥筒內(nèi)，藥筒裝填完畢后再固定在膠槍上，人工手持膠槍將炸藥填入聚能管內(nèi)。該工藝各環(huán)節(jié)全部采用人員操作，整個裝藥充填過程較繁瑣，效率較低但可與洞內(nèi)施工同步作業(yè)；炸藥卷內(nèi)炸藥存在不能完全取出的情況；人工裝填聚能管炸藥填充不均勻，裝填效果差別較大，伴隨拒爆情況發(fā)生。調(diào)整聚能管角度及連接固定方式照片見圖4。

對比常規(guī)爆破、水壓爆破和本工程研發(fā)試驗過程中的爆破平均振速情況，聚能水壓爆破由于單位用藥量略大于水壓爆破，振速情況也略大于水壓爆破情況，而小于常規(guī)爆破平均水平。爆破振速對比見圖5。

2.2.4 聚能水壓爆破設(shè)備改良情況

①不可移動小藥筒裝藥情況。

在經(jīng)過人工利用膠槍將炸藥手動壓入聚能管存在第性能不穩(wěn)定和拒爆情況后，裝藥裝置進行了進一步改良，在本工程1#臨時井試驗時改良為利用不可移動的小藥筒對移動半壁管注入裝藥，并已實現(xiàn)采用氣壓裝藥容納炸藥，并采用移動膠槍裝藥充填的放肆，提高了聚能管的炸藥充填質(zhì)量。

②改良型可移動藥筒和膠槍復(fù)合式裝填。

現(xiàn)改良后裝藥設(shè)備旨在將裝藥過程實現(xiàn)自動化，主要是，采用啟動裝置將密封藥筒內(nèi)炸藥填入藥槍，藥槍尾部密封裝置與儲氣罐連接，采用氣壓將膠槍內(nèi)炸藥壓至聚能管內(nèi)。該過程人員主要在控制加壓壓力和聚能管裝填兩個環(huán)節(jié)進行控制。聚能管裝填炸藥速度較均勻，效果較好。改良后裝藥裝置照片見圖6。

3 結(jié)論

總的來說，從聚能水壓光面爆破在本工程的試驗情況來看，由于廣州地鐵導爆索使用率較低，考慮到PVC聚能管線裝藥密度500-550克/米，聚能裝藥斷面面積不小于等效22-25cm乳化圓形炸藥截面積，大于乳化炸藥的臨界直徑，傳爆效果也比傳統(tǒng)爆破要好，因此該技術(shù)在本工程應(yīng)用時周邊孔未采用導爆索，導致試驗時存在個別孔未完全爆破的情況。但根據(jù)本工程地鐵施工特點總結(jié)了以下工藝要點：在實施過程中，聚能槽方向一定要沿著輪廓線方向放置，同時與此處的圓心半徑垂直。在側(cè)墻及仰拱，孔底加強藥在靠近保留巖石處采用一條水袋，確保保留巖石面不耦合裝藥，中部掏槽孔聚能管與水袋配合使用，提高裝藥高度，能降低大塊率，降低振動?？偟膩碚f，采用聚能水壓光面爆破技術(shù)，能提高炸藥的能量利用率，改善巖石爆破效果，較好地控制爆破振速，和光爆效果。顯著地降低爆破煙塵，節(jié)能環(huán)保，能產(chǎn)生巨大的社會效益，在復(fù)雜地面環(huán)境下的城市地鐵工程中具有非常重要和深遠的應(yīng)用和推廣前景。

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