水壓爆破技術(shù)在地鐵隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用分析

鄭建嶺

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶400039）

水壓爆破技術(shù)在地鐵隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用分析

鄭建嶺

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶400039）

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在城市地鐵隧道掘進(jìn)工程項(xiàng)目中，傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用水平不能完全滿足和順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展?；诖耍镁G色環(huán)保的水壓爆破技術(shù)，能有效為掘進(jìn)工程項(xiàng)目創(chuàng)造更大的價(jià)值，為人們提供出行便利。結(jié)合陳家坪站安全專項(xiàng)施工方案，對(duì)水壓爆破技術(shù)的內(nèi)涵、原理以及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，并著重闡釋了水壓爆破技術(shù)在城市地鐵隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用路徑，旨在為相關(guān)技術(shù)部門提供更加有價(jià)值的技術(shù)建議，以供參考。

水壓爆破技術(shù)；隧道掘進(jìn)；優(yōu)勢(shì)；作用

1 工程案例

重慶軌道環(huán)線二期土建五標(biāo)位于重慶市九龍坡區(qū)，工程項(xiàng)目包括兩座車站和兩個(gè)區(qū)間。標(biāo)段全長(zhǎng)共計(jì)約2950米，其中，奧陳區(qū)間長(zhǎng)約751米、陳家坪站長(zhǎng)約209米、陳鳳區(qū)間長(zhǎng)約1771米，鳳凰站長(zhǎng)約220米，以上區(qū)間均為地下暗挖。工程項(xiàng)目中，施工單位主要采用鉆爆法開挖配以復(fù)合襯砌施工。標(biāo)段內(nèi)一共設(shè)置了三處施工通道，主要包括327米的鳳凰站施工通道、420米的陳家坪施工通道以及209米的陳鳳區(qū)間施工通道。

奧陳區(qū)間主要采取的是土建四標(biāo)明挖段拉坡道施工措施，區(qū)間段內(nèi)兩車站均為地下兩層12米的島式站臺(tái)，寬度為23.44米，高度為21.14米，基本工藝手段是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法九步開挖措施。奧陳區(qū)間采用單洞單線斷面形式，陳鳳區(qū)間較長(zhǎng)，以單洞雙線斷面形式為主。由于奧陳區(qū)間段采用單洞單線斷面形式，陳鳳區(qū)間為單洞雙線斷面形式，因此，接近車站部位配線區(qū)調(diào)整為單洞單線。針對(duì)城市軌道交通中鉆爆法施工存在的環(huán)境污染大、噪音大、能耗高等問題，施工團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化分析重慶軌道交通環(huán)線二期土建五標(biāo)工程的具體情況后，結(jié)合水壓爆破效果，在城市軌道交通工程大斷面車站及區(qū)間施工中引進(jìn)水壓爆破技術(shù)。

2 水壓爆破技術(shù)概述

2.1 水壓爆破技術(shù)內(nèi)涵

水壓爆破技術(shù)的提出充分融合了地鐵隧道工程施工流程的具體要求，在多數(shù)隧道工程開展掘進(jìn)項(xiàng)目的過程中，采取的爆破方式并不進(jìn)行回填堵塞炮眼的操作，炸藥箱紙浸水應(yīng)用也十分少見。因此，傳統(tǒng)技術(shù)工藝的科學(xué)性、合理性以及資源的持續(xù)利用性都缺乏優(yōu)勢(shì)，一味增大成本投入會(huì)導(dǎo)致爆破的強(qiáng)度逐漸增大，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，露天深孔水壓爆破的研究課題應(yīng)運(yùn)而生，結(jié)合隧道掘進(jìn)工程的具體要求，對(duì)深孔、淺孔以及隧道掘進(jìn)等水壓型爆破技術(shù)展開了深度分析和集中討論。

2.2 水壓爆破技術(shù)原理

在水壓爆破技術(shù)應(yīng)用過程中，相對(duì)于常規(guī)爆破具有較大的優(yōu)勢(shì)。由于水壓爆破技術(shù)的炮孔中裝填了水袋和炮泥，能一定程度上有效升級(jí)水的不可壓縮特性，進(jìn)一步提高爆破效果，并且建立無損失傳遞炸藥能量傳輸系統(tǒng)，為后續(xù)工作的開展提供保障，不僅有利于圍巖破碎，也能優(yōu)化產(chǎn)生“水楔”作用，全面落實(shí)破碎巖石的操作標(biāo)準(zhǔn)，從根本上減少巖爆的概率。另外，在水壓爆破技術(shù)應(yīng)用過程中，由于炮孔最底部的水袋能有效替代炸藥卷更好地完成水壓爆破工作，主要是利用水中反射波作用，在延長(zhǎng)爆破作用時(shí)間的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮“水楔”作用的優(yōu)勢(shì)和項(xiàng)目特征，優(yōu)化巖石破碎效率和實(shí)際水準(zhǔn)的同時(shí)，為有效利用爆破生成的膨脹氣體提供保障，從而全面落實(shí)圍巖破碎效果。也就是說，炮孔中有水抑或是爆破產(chǎn)生的水霧，都能從根本上優(yōu)化降塵效果[1]。

相較于常規(guī)爆破，水壓爆破技術(shù)應(yīng)用過程中，裝藥量能有效節(jié)約20%。需要注意的是，由于裝藥量減少，整個(gè)水壓爆破技術(shù)應(yīng)用中的爆破振動(dòng)就會(huì)隨之減弱。例如，本案例中的鳳凰站爆破振速能有效控制在每秒1厘米范圍內(nèi)。

水壓爆破與常規(guī)爆破的炮眼裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

圖1 水壓爆破與常規(guī)爆破的炮眼裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

在整個(gè)技術(shù)應(yīng)用過程中，將炮眼無回填堵塞部位改為用水袋與炮泥回填堵塞。水中傳播的沖擊波對(duì)水無法運(yùn)行壓縮操作，爆炸能量無損失地經(jīng)過水傳遞到炮眼圍巖中，這種無能量損失的應(yīng)力波十分有利于圍巖的破碎。另外，由于水壓爆破技術(shù)的基本運(yùn)行原理，水能在炸藥爆炸作用下產(chǎn)生對(duì)整個(gè)操作流程有利的水楔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)圍巖破碎效果的全面升級(jí)，且炮眼中存有較多的水分，使得霧化降塵作用全面升級(jí)。而對(duì)于炮眼底部的水與炮眼中上部的水來說，兩者形式以及實(shí)際作用都存在一定的差異，炮眼底部的水代替了炸藥，炮眼中上部的水取代了空氣及部分回填土[2]。正是基于此，專用設(shè)備制成的炮泥回填堵塞炮眼，要比土具有更加堅(jiān)實(shí)且密度更大的優(yōu)勢(shì)，加之物料中含有一定量的水分，能有效抑制膨脹氣體沖出炮眼，因此，在實(shí)際處理過程中，水壓爆破技術(shù)的整體效果更好，便捷化也能有所升級(jí)。

炮眼底部的水袋完全替代了炮眼底部的部分炸藥。炮眼底部水袋與炮眼中上部水袋相比最大的區(qū)別是前者代替了炮眼底藥卷，其自身的基本功用就是藥卷作用，不能過長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)向炮眼底方向傳播的沖擊波逐漸減小，同時(shí)，導(dǎo)致巖石夾制作用增大，在整個(gè)變化和結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定位置后，會(huì)存在應(yīng)力波不足的問題，無法有效踐行破碎圍巖的操作，就會(huì)對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。但是，炮眼中上部的水袋作用則不盡相同，整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳播方向和炮眼口方向一致，若是沖擊波逐漸變小，則巖石的夾制作用也逐漸變小，在整個(gè)參數(shù)體系到了一定位置應(yīng)力波后，就會(huì)直接破碎巖石。綜上所述，炮眼中上部水袋要比炮眼底水袋長(zhǎng)。經(jīng)實(shí)際爆破效果相比，光爆炮眼眼口水袋長(zhǎng)可相當(dāng)于2～3藥卷長(zhǎng)度，而內(nèi)部炮眼由于夾制作用大，其炮眼底水袋長(zhǎng)可相當(dāng)于1藥卷長(zhǎng)度[3]。

2.3 水壓爆破技術(shù)優(yōu)勢(shì)

第一，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析。1）從爆破渣樣對(duì)比情況分析，水壓爆破后碎石堆積整齊，渣堆短，易于出渣。2）從煙塵情況對(duì)比分析，水壓爆破后煙塵濃度明顯減小，節(jié)約了通風(fēng)時(shí)間。3）從爆破振動(dòng)情況對(duì)比分析，水壓爆破較常規(guī)爆破震速、震動(dòng)聲音減小，同時(shí)優(yōu)化了爆破對(duì)周邊圍巖、建、構(gòu)筑及居民的影響。除此之外，也節(jié)省了投入成本。

第二，能有效控制爆破振速，在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用體系建立后，要確保監(jiān)測(cè)水壓爆破比常規(guī)爆破減小了爆破振速，并且，要將振速設(shè)計(jì)為每秒2厘米左右，從而滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)一定程度上優(yōu)化建設(shè)安全性，為地面交通以及行人常規(guī)化行走提供便利。

第三，充分利用水壓爆破，對(duì)“水楔”效應(yīng)進(jìn)行整合，不僅是為了進(jìn)一步控制爆破后粉塵的實(shí)際濃度，也是為了能有效改善地鐵挖掘項(xiàng)目中洞內(nèi)的環(huán)境。利用該技術(shù)后，粉塵濃度能有效降低近70%左右。

第四，要在水袋中水蒸氣降低掌子面前溫度后，優(yōu)化整體技術(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果，相較于常規(guī)化爆破技術(shù)結(jié)構(gòu)，利用水壓爆破掌子面前溫度降低了約3℃左右，并且優(yōu)化控制爆破后巖石的實(shí)際尺寸，50厘米以下居多，實(shí)現(xiàn)快速出渣。

3 水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用流程

在實(shí)際施工項(xiàng)目操作過程中，對(duì)水壓爆破的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析的過程中，要向炮眼中基本位置裝入適量水。這個(gè)標(biāo)定的一定位置，主要是指炮眼底部和炮眼的中上部。而適量水則涉及水袋的直徑以及水袋的實(shí)際長(zhǎng)度[4]。尤其是在城市軌道交通施工中，相關(guān)技術(shù)人員在注水長(zhǎng)度與炮泥回填堵塞的長(zhǎng)度參數(shù)處理方面，要踐行有效的處理機(jī)制，最佳比例為1∶1或1∶0.9。并且，炮眼底注水長(zhǎng)度約為20厘米左右，水袋制作工藝和炮泥制作工藝都要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行統(tǒng)籌處理。需要注意的是，炮孔最底部裝填水袋及孔口堵塞水袋等結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵，炮泥的水壓爆破與隧道掘進(jìn)常規(guī)的爆破相比較，最大的優(yōu)勢(shì)就在于增加整個(gè)水袋制作工藝和炮泥制作工藝的完整性，也為后續(xù)工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[5]。

圖2 工藝流程圖

3.1 水袋制作

在對(duì)水袋制作過程進(jìn)行分析的過程中，要對(duì)工藝流程和實(shí)際管理工作展開深度分析，向炮眼中注水時(shí)，要先將水灌入到塑料袋中，然后把水袋填入炮眼的底部與中上部位。例如，本文中水袋加工封口機(jī)采用浙江溫州鑫瑞包裝機(jī)械有限公司產(chǎn)KPS-160塑料灌裝封口機(jī)。另外，對(duì)于水袋制作而言，水袋的基本材料也非常關(guān)鍵，塑料袋是通用的聚乙烯塑料，袋厚0.8毫米，炮眼直徑為40厘米，袋徑為35厘米，袋長(zhǎng)200毫米左右[6]。需要注意的是，在封口機(jī)使用過程開始前，要集中排除空水管內(nèi)的殘存空氣，將袋子安裝在噴嘴等結(jié)構(gòu)中，在水袋灌滿后壓口塑封。水袋灌裝要保證飽滿效果，隧道爆破過程主要是水平炮眼，能有效實(shí)現(xiàn)裝填水袋過程的目標(biāo)和完整性，水袋長(zhǎng)度控制在200毫米，直徑控制在35毫米。水袋袋厚0.8毫米左右。水袋袋厚太薄會(huì)出現(xiàn)承載力減小的問題，不僅會(huì)出現(xiàn)變形也會(huì)被劃破。水袋要盛滿水，確保封口嚴(yán)實(shí)的基礎(chǔ)上，不漏水、滲水，見圖3。

圖3 水袋加工工藝流程

3.2 炮泥制作

在炮泥制作過程中，由于其主要成分是土和砂，因此，主要利用的是黏土和細(xì)砂。在相關(guān)材料和水進(jìn)行攪和之前，揀出石塊，利用過篩精挑細(xì)小石子，其篩眼尺寸為5mm×5mm為宜。也就是說，炮泥要按照固定比例進(jìn)行統(tǒng)籌制作。需要注意的是，不同原料的數(shù)量要適中，若是砂過多，就會(huì)導(dǎo)致炮泥成型差；若是砂過少，就會(huì)使得炮泥比重小[7]。另外，水量也要保持適中，若是水量過少，則無法有效落實(shí)黏合及降塵作用；若是水量過多，則會(huì)導(dǎo)致炮泥質(zhì)地柔軟，不易搗固堅(jiān)實(shí)?？傊?，合格的炮泥不僅僅要表面光滑，也要含有一定的水且便于搗固。制作好的炮泥不要暴曬在太陽下或放置時(shí)間過長(zhǎng)，避免失去水分變硬，最好在使用前兩個(gè)小時(shí)到三個(gè)小時(shí)之內(nèi)進(jìn)行制作。

3.3 水袋、炸藥、炮泥裝填

裝填水袋時(shí)用炮棍輕輕推到炮孔，回填堵塞炮泥，施工時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)格認(rèn)真清洗炮孔，水袋要盛滿水，封口密實(shí)，方便裝填炮孔中。在使用前2h-3h制作炮泥，以免時(shí)間過長(zhǎng)，炮泥失水變硬[8]。

4 結(jié)束語

總而言之，水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，尤其是在地鐵建造過程中，在優(yōu)化利用率和施工效率的基礎(chǔ)上，也為經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)提供支撐。

[1]聶武丁.隧道掘進(jìn)水壓爆破技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[J].工程爆破，2012（4）：38-41.

[2]劉友平.水壓爆破技術(shù)在黔桂鐵路定水壩隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（4）：91-92.

[3]高紅賓.隧道掘進(jìn)新技術(shù)：水壓爆破施工[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，66（03）:125-126.

[4]張衛(wèi)國.水壓爆破技術(shù)在隧道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，26（02）:46-50，100.

[5]喬樹偉.隧道掘進(jìn)水壓爆破施工技術(shù)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，15（01）:25-30.

[6]張英華，倪文，尹根成，等.穿層孔水壓爆破法提高煤層透氣性的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，29（03）:298-302.

[7]陳士海.深孔水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，25（z1）:112-116.

[8]蔡永樂，付宏偉.水壓爆破應(yīng)力波傳播及破煤巖機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017，42（04）:902-907.

Application of Water Pressure Blasting Technology in Tunneling Construction of Urban Subway

ZHENG Jianling
（China Railway Eighteen Bureau Group Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Chongqing400039,China）

with the continuous optimization of science and technology in the city subway tunnel project,the traditional technology can not fully meet the application level and the development of the times,based on this,the use of hydraulic blasting technology of green environmental protection,to create greater value for the effective tunneling project,provide convenience for people to travel.This combination of chenjiaping station safety special construction plan,connotation,principle and advantages of hydraulic blasting technology is analyzed,and emphatically expounds the application path of hydraulic blasting technology in city subway tunnel construction,to the relevant technical departments to provide more technical advice for reference value.

water pressure blasting technology;tunneling;advantage;role

郝安林）

U455

A

1673-2928（2018）02-0086-04

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.024

2017-10-23

鄭建嶺（1981-）男，河北省邢臺(tái)市人，中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司工程師，研究方向：施工技術(shù)。