水壓爆破技術在七峰山隧道開挖中的應用

牛 昊，張春生

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

水壓爆破技術在七峰山隧道開挖中的應用

牛 昊，張春生

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

結合鄭萬鐵路南陽段七峰山隧道爆破開挖工程，采用現(xiàn)場測試方法，對水壓爆破和常規(guī)爆破的循環(huán)進尺及粉塵濃度等數(shù)據(jù)進行了對比分析研究。研究結果表明：在水壓爆破相比常規(guī)爆破減少23.6 kg藥量的條件下，采用水壓爆破每循環(huán)進尺比常規(guī)爆破多0.3 m，且水壓爆破相比常規(guī)爆破平均粉塵濃度降低了67.6%，改善了洞內(nèi)環(huán)境。另外，通過成本與效益分析計算，凸顯出水壓爆破技術在隧道爆破開挖過程中對施工成本控制起到較大作用?，F(xiàn)場試驗結論充分體現(xiàn)出水壓爆破的優(yōu)勢及良好經(jīng)濟效益，為今后類似的隧道爆破施工提供借鑒。

水壓爆破；隧道開挖；粉塵濃度；爆破參數(shù)

隨著山嶺隧道施工技術的發(fā)展，采用無堵塞炮孔裝藥爆破結構是最有效的施工方法之一。然而在爆破施工過程中，這種裝藥結構爆破炮孔無回填堵塞炮眼，爆破后產(chǎn)生的粉塵較大[1]，污染洞內(nèi)環(huán)境[2]，同時爆生氣體逸出時溫度很高，能量沒有得到充分利用[3]。因此，不回填堵塞炮眼裝藥結構存在著粉塵濃度高，能量利用率低等問題。

水介質裝藥爆破作為一種新的爆破方法[4]，主要依靠水作為爆炸能量的傳遞介質[5]，利用水作為炮眼填充介質，水在爆生氣體膨脹做功情況下逐漸展現(xiàn)為“水楔”[6]，其對巖石造成更多的破碎[7]。爆破后產(chǎn)生應力波把水沖成散霧狀，粘結粉塵快速降落，能夠降低空氣中的粉塵濃度[8]，提高隧道內(nèi)的空氣質量[9]。

本文依托鄭萬鐵路南陽段七峰山隧道爆破工程進行了水壓爆破現(xiàn)場試驗。在依據(jù)爆破參數(shù)進行水壓爆破試驗的基礎上，對水壓爆破和常規(guī)爆破的爆破參數(shù)及粉塵濃度進行了對比分析研究。

1 工程概況

七峰山隧道由中鐵五局承建，處于河南省南陽市方城縣楊集和拐河鎮(zhèn)交匯處，為單洞雙線鐵路隧道。起止里程：DK205+883—DK211+040，隧道全長5 157 m，隧道圍巖級別為Ⅱ級—Ⅴ級。Ⅱ級圍巖長度910 m，占隧道總長度18.0%，Ⅲ級圍巖長度2 795 m，占隧道總長度54.0%，Ⅳ級圍巖長度745 m，占隧道總長度14.0%，Ⅴ級圍巖長度707 m，占隧道總長度14.0%。

本次試驗段位于七峰山隧道進口段。Ⅲ級圍巖是365 m，Ⅳ級圍巖長度160 m和Ⅴ級圍巖長度為60 m。洞身圍巖為花崗巖，弱風化，巖體較完整，質地堅硬。隧道地表水發(fā)育不充分，地下水大部分為基巖裂隙水，發(fā)育不強，重要補給來源是大氣降水，隧道進口采取上下臺階開挖，開挖面積125.7 m2。

2 隧道水壓爆破設計與施工

2.1 水壓爆破設計原則

水壓爆破和光面爆破設計方法通常是基本吻合，只是相對調(diào)整裝藥方式和炮眼填堵[10]，才能減小巖石表面的初始沖擊壓力[11]。以七峰山隧道施工為例，施工采用兩臺階開挖法，上臺階開挖斷面為102.1 m2，巖石節(jié)理較發(fā)育[12]。鉆孔爆破參數(shù)的確定在一定程度上決定了隧道掌子面爆破的質量。除鉆孔方式及其參數(shù)外，重要爆破參數(shù)還有：單位炸藥消耗量、孔深、孔直徑、藥卷直徑、孔數(shù)等。恰當?shù)倪\用爆破參數(shù)時，不但要思考開挖巖石地質及斷裂帶等條件，并且還要考慮到爆破參數(shù)互相聯(lián)系及爆破效果的干擾(如炮孔利用率、巖石破碎程度等)。

2.2 爆破設計參數(shù)

(1) 周邊孔間距E。炮孔直徑D為40 mm時，周邊孔每兩個孔之間的距離E是(10～16)D，Ⅲ級圍巖周邊孔之間的間距為400 mm～600 mm比較符合，隧道Ⅲ級圍巖周邊眼間距取500 mm。

(2) 光爆層厚度w。光爆層厚度和隧道爆破掘進掌子面有關。斷面越大，光爆孔受到夾制力越小，巖石容易崩開，光爆層厚度可適當變大；斷面越小，夾持力越大，光爆層厚度就會小些。隧道光爆層厚度w為500 mm。

(3) 周邊眼密集系數(shù)K。周邊眼密集系數(shù)K為光爆層厚度w和周邊孔間距E比值的倒數(shù)，是爆破效果的關鍵因素。K=E/w，取值為0.8左右。

(4) 孔深L。掏槽孔和角眼取值為4.5 m～5.0 m，其他炮眼深度取4.0 m～4.3 m。在現(xiàn)場實際掌子面爆破開挖過程中，應根據(jù)爆破完掌子面的破碎程度，適當調(diào)整炮孔打鉆深度，讓炮孔孔眼眼底在一個垂直面處。

(5) 炮孔數(shù)量N。炮孔數(shù)量和開挖掌子面面積、炸藥類型等有很大聯(lián)系。炮眼數(shù)太少將造成局部大石塊增多，周壁不順滑，甚至會出現(xiàn)爆破不開裂情況；炮孔數(shù)過多會使打鉆工作時間增長。炮孔數(shù)量計算公式如式(1)所示：

N=0.0012qS/(ad2)

(1)

式中：N為炮孔數(shù)量；q為炸藥單耗量，1.0 kg/m3；S為開挖斷面面積(上斷面S=102.1 m2)；a為炮眼裝填系數(shù)，取0.62；d為藥卷直徑,d=32 mm?？汕蟮萌珨嗝媾诳讛?shù)量N=192(現(xiàn)場實際鉆孔201個)。

(6) 炸藥類型。2號乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，長度20 cm。

(7) 炮孔布置圖?；咀裾漳壳鞍嘟M熟悉的既有鉆孔方案，上臺階炮孔布置圖及A-A截面段位示意圖如圖1所示，后續(xù)視情況進行優(yōu)化調(diào)整。

圖1上臺階炮孔布置及段位示意圖

2.3 裝藥

(1) 單眼裝藥量的計算。掌子面爆破開挖，炮孔所分布在掌子面位置不同，發(fā)揮的作用也不一樣。掏槽孔需要拋出；掘進孔僅要求松動，而在掏槽孔部位四周的炮眼分布要求又不一樣。周邊孔需預裂爆破，底板孔要求炸藥藥量。否則，該底板爆破效果不理想。所以掌子面各部位炮孔裝藥量都是不一樣的。除了周邊孔外，爆炸藥量公式為：

Q=kawLλ

(2)

式中：Q單眼裝藥量，kg；k平均炸藥單耗，kg/m3，取值1.0 kg/m3；a炮孔間距，m；w光爆層厚度，m；L炮眼深度，m；λ炮孔部位系數(shù)(見表1)。

表1 隧道炮孔部位系數(shù)

七峰山隧道上臺階水壓爆破不同部位炮孔裝藥量與原來的爆破方案相比，降低了常規(guī)爆破中掘進眼、輔助眼、內(nèi)圈眼和底板眼裝藥量，每個炮眼裝藥量平均減少約0.2 kg，周邊眼藥量不變。爆破參數(shù)改變量見表2。

表2 參數(shù)改進 單位：kg

(2) 裝藥結構?；旌涎b藥結構采用藥卷與水袋[13]。按爆破設計裝藥量和裝藥結構進行，孔內(nèi)使用非電導爆管雷管制作起爆藥包。裝藥前應認真排查有無堵孔等現(xiàn)象，及時調(diào)整光爆層厚度發(fā)生改變的炮孔裝藥量。裝藥過程中應注意炮孔深度，防止炸藥超過預計裝藥量或裝不到位產(chǎn)生相鄰段隔爆。如果已裝過量，用塑料柔性工具或高壓水沖洗多余的孔。

水袋由水袋自動包裝機加工而成，具體裝藥結構如圖2所示。

(3) 填塞。堵塞作用使炸藥在爆破作用下作充足爆炸應力提高能量使用率，因此堵塞距離不小于50 cm，以炮泥封堵材料組成(黏土∶砂∶水=13∶1∶2.7)[14]。每節(jié)炮泥塞入后，應立即用微力輕輕振動，要求致密，不應有空隙和間斷[15]。為防止炮泥搬運拿捏過程中脆斷，炮泥制作時長度不宜過長，建議炮泥長度為(18 cm～22 cm)。

圖2裝藥結構示意圖

2.4 起爆

光面爆破分區(qū)起爆順序與常規(guī)光面爆破相同：掏槽眼—輔助眼—底板眼—周邊眼。爆炸由非毫秒導爆管引發(fā)。網(wǎng)路設計思路清晰，一般不使用孔內(nèi)推遲引爆方式。僅要求每一捆粘結牢固，簇聯(lián)時一捆導爆管數(shù)量不大于25根。起爆網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3起爆網(wǎng)絡示意圖

2.5 爆破實施注意事項

(1) 施工必須注意周邊眼和周邊輔助眼的施工質量。

(2) 炮孔應采用炮泥填塞，填塞長度一般不少于50 cm。

(3) 水袋制作過程中，應保證裝水量占水袋容積90%左右，同時水袋內(nèi)不應有氣泡出現(xiàn)，在用水袋制作設備裝水過程中應用手捏緊水袋頭部以保證水袋充分鼓起。封口處要再次檢查，以免出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，造成爆破效果不佳。

(4) 炮泥制備應選用適度濕潤的黏土，在爆破前2 h～3 h制作炮泥為宜， 加工好的炮泥應水平放在塑料筐內(nèi)。

(5) 本設計適用于圍巖等級為Ⅲ級的圍巖段。

3 成本與效益分析

在該測試段Ⅲ級圍巖地段，設計掘進深度4 m。常規(guī)爆破實際進尺3.5 m，水壓爆破實際進尺3.8 m。每循環(huán)上臺階爆破炸藥量節(jié)省約23.4 kg。爆破后隧道粉塵濃度顯著下降，降低了通風除塵的成本和時間?？傮w而言，水壓爆破應用于隧道施工中在增加開挖進尺、降塵、節(jié)省藥量等方面，具有一定工程實用價值。

3.1 技術指標分析

常規(guī)與水壓爆破技術指標分析結果見表3。

表3 兩種爆破平均指標對比

3.2 經(jīng)濟指標分析

根據(jù)常規(guī)爆破與水壓爆破實際數(shù)據(jù)對比情況，在相同爆破掌子面面積、炮孔分布及炮眼深度條件下，每爆破一立方巖石節(jié)約藥卷0.06 kg，通風降塵時間縮短了16 min。使用水壓爆破每延米所節(jié)省的費用如下：

(1) 火工品節(jié)省費用。七峰山隧道上臺階開挖面積102.1 m2，藥卷單價是12 元/kg，雷管單價6元/發(fā)。隧道每掘進一米節(jié)省藥卷費172元。

(2) 人工費節(jié)省費用。每循環(huán)增加進尺0.3 m，開挖面積102.1 m2，每循環(huán)進尺3.8 m，開挖班隊工資20 元/m3。節(jié)省費用161.2元。

(3) 節(jié)約電費。隧道每開挖1 m節(jié)省電費14.4元。

(4) 其他費。

① 制作炮泥、水袋人工費：

現(xiàn)場制作的炮泥和水袋需要3人，每人100元/d，按每天2個周期計算，折合每米費用39.4元。

② 水袋費用：每周期水袋使用773個，每個0.1元。每延米費用20.34元。

③ 制作炮泥土砂費用：40元/m3，1 m3做1 000 m，5 000 根，可以做10個周期，每延米成本1.05元。

④ 電費1.78元。

使用水壓爆破每米額外費用的使用量為62.57元。

合計節(jié)省費用為：

172+161.2+14.4-62.57=285.03元

3.3 粉塵濃度測試

粉塵檢測采用JCF-1000直讀式粉塵濃度測量儀，在爆破后10 min未通風情況下，監(jiān)測距掌子面50 m位置處粉塵濃度。常規(guī)爆破與水壓爆破對粉塵濃度影響統(tǒng)計表如表4所示。

表4 常規(guī)爆破和水封爆破對粉塵濃度的影響統(tǒng)計對比表

表4的結果顯示，通過對3個循環(huán)常規(guī)與水壓爆破進行現(xiàn)場粉塵濃度監(jiān)測得出：常規(guī)爆破后平均粉塵濃度55.2 mg/m3；水壓爆破，平均粉塵濃度17.9 mg/m3。水壓爆破對比常規(guī)爆破平均粉塵濃度降低了67.6%，說明水壓爆破具有良好降塵作用。

4 結 論

依托七峰山隧道水壓爆破試驗得到以下結論：

(1) 通過與常規(guī)爆破的指標對比，認為水壓爆破相比常規(guī)爆破在減少23.4 kg藥量的條件下，每循環(huán)提高進尺0.3 m。

(2) 通過爆破后對粉塵濃度的采集，水壓爆破相比常規(guī)爆破爆破后平均粉塵濃度降低了67.6%，改善工作環(huán)境等方面具有明顯的實用價值。

(3) 通過對水壓爆破和常規(guī)爆破各項指標的對比計算和分析，發(fā)現(xiàn)水壓爆破在加快進度和降低成本具有顯著效果，對水壓爆破具有良好的推廣意義。

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ApplicationofHydraulicBlastingTechnologyinQifengshanTunnelExcavation

NIU Hao, ZHANG Chunsheng

(CivilEngineeringofHe'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

Based on the blasting excavation construction of Qifengshan tunnel in Nanyang section of Zhengwan railway, round and dust concentration data of water pressure blasting and controlled blasting was analyzed with the field test method. The results showed that hydraulic blasting compared to conventional blasting under the reduce 23.6 kilograms explosive charge conditions, the hydraulic blasting each blasting footage more than 0.3 meters compared to conventional blasting, and the average dust concentration of hydraulic blasting decreased by 67.6% as well, which is very helpful in terms of improving the environment in tunnel. In addition, through analysis calculation costs and benefits, it is shown that hydraulic blasting technology plays an important role in the construction cost control during the tunnel blasting excavation. The results of field test fully reflected the superiority of hydraulic blasting, and obtained good economic benefits, thus can provid reference for similar tunnel blasting construction in the future.

hydraulicblasting;tunnelexcavation;dustconcentration;blastingparameters

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.022

2017-07-21

2017-08-19

國家自然科學基金項目(53178505)

牛 昊(1990—)，男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向為隧道與地下工程。 E-mail：hhnsun@qq.com

張春生(1974—)，男，河南臨潁人，副教授，主要從事結構工程、施工技術與現(xiàn)代管理研究。E-mail:420355950@qq.com

U455.6

A

1672—1144(2017)06—0112—04