隧道掘進(jìn)聚能水壓爆破技術(shù)的研究與應(yīng)用

李增恩

（中鐵二十四局集團(tuán)浙江工程有限公司，杭州 310009）

在公路隧道施工建設(shè)過程中常采用鉆爆法進(jìn)行施工，但由于區(qū)域地質(zhì)條件差、爆破工藝選擇不當(dāng)或圍巖等級有明顯變化等，常常出現(xiàn)爆破后的超欠挖現(xiàn)象.該問題亟須解決，并已成為隧道技術(shù)人員重點(diǎn)探索的難題.聚能水壓爆破技術(shù)是一項(xiàng)近幾年在隧道掘進(jìn)中的新型開挖技術(shù)，通過將藥包注入已設(shè)計(jì)好帶有水的被爆容器中，以水為傳播介質(zhì)傳遞爆破產(chǎn)生的振動使容器被破壞，而爆破范圍以內(nèi)的所有炮眼采取水壓爆破，從而減少沖擊波、碎石塊及爆破噪聲，較好地實(shí)現(xiàn)了爆破能量的充分利用、并解決了以往爆破效果不好、爆破工作環(huán)境差等問題.為了進(jìn)一步探討新技術(shù)，國內(nèi)不少學(xué)者對隧道施工時(shí)使用聚能水壓爆破技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果的對比分析，對聚能水壓爆破技術(shù)獲得了長足的認(rèn)識.王軍［1］以崤山隧道為工程背景，得出了聚能水壓爆破能提高隧道施工效率，節(jié)省施工時(shí)間，并且比普通水壓爆破技術(shù)降低了30%的施工成本.拜曉亮［2］從技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面對聚能水壓爆破進(jìn)行了分析，結(jié)果表明爆破后渣堆碎石塊度下降了20%～30%，相較于常規(guī)方法進(jìn)尺增加了11.1%，單位用藥量節(jié)約了15%，周邊炮眼數(shù)量減少了50%.劉海波、白宗河等［3］在金瓶巖隧道中引入了聚能水壓爆破技術(shù)，成功解決了常規(guī)爆破的不足，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益.熊成宇、魏忠鋒等［4］為了減小爆破對圍巖周邊的擾動，引進(jìn)聚能水壓爆破技術(shù)，達(dá)到了較好的爆破施工效果.李偉、袁紹國等［5］認(rèn)為減小爆破施工對圍巖的擾動，基巖才不會因爆破出現(xiàn)裂隙，才更有利于保障圍巖穩(wěn)定.聚能水壓爆破相比常規(guī)光面爆破有更大的優(yōu)勢，其適應(yīng)性更強(qiáng).通過以上研究得知，聚能水壓爆破技術(shù)目前仍然處于應(yīng)用開發(fā)的初期，與傳統(tǒng)爆破技術(shù)相比在施工效果與經(jīng)濟(jì)層面有著較好的發(fā)展前景及研究價(jià)值［6］.

基于此現(xiàn)狀，本文以重慶沿江高速公路佛兒巖隧道為工程背景，對聚能水壓爆破技術(shù)在隧道開挖掘進(jìn)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討，并對爆破振動波形進(jìn)行了分析.

1 工程概況

佛兒巖隧道位于四川省，是重慶沿江高速公路W1 合同段穿越的隧道.該隧道設(shè)計(jì)采用雙洞單向行車三車道形式，左線隧道訖起樁號ZK1+685.5～ZK4+124，長2438.5 m，右線隧道訖起樁號YK1+738～YK4+131，長2393 m，隧道縱面均位于1.4%的單向坡.隧道穿過巖性級別為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，結(jié)合現(xiàn)場施工條件基于臺階法和CRD 法完成開挖作業(yè).該隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖巖層風(fēng)化破碎程度嚴(yán)重，自穩(wěn)能力很差，且跨徑大.采用聚能水壓爆破開挖，優(yōu)點(diǎn)是：開挖周邊眼數(shù)量較少，對周邊圍巖震動較小，由于炮眼中有水袋，爆破會產(chǎn)生水霧，而產(chǎn)生的水霧起到了降塵效果.

在未采用聚能水壓爆破時(shí)，隧道經(jīng)常出現(xiàn)超欠挖，佛兒巖隧道為了解決這個(gè)難題，實(shí)施了聚能水壓爆破技術(shù)，不但減少超欠挖，而且在加快工程進(jìn)度、降低用藥量、優(yōu)化施工環(huán)境上取得了明顯的效果.

2 聚能水壓爆破技術(shù)原理

聚能水壓爆破技術(shù)是一項(xiàng)在隧道掘進(jìn)中的新型開挖技術(shù).水壓爆破是通過沖擊波作用于巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，然后將水與爆轟氣體滲入裂縫之內(nèi)，產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)，使圍巖進(jìn)一步破碎.聚能爆破是通過聚能管裝置爆炸時(shí)在聚能槽方向產(chǎn)生聚能射流.聚能水壓爆破把聚能爆破與水壓爆破進(jìn)行了融合，在爆破時(shí)，傳播應(yīng)力波在產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力［7］的同時(shí)還在隧道輪廓面方向產(chǎn)生高溫高壓高速聚能射流，使炮眼中的水在爆破作用下產(chǎn)生“水楔”效應(yīng)［8］，能進(jìn)一步破碎圍巖，并且有效利用爆破產(chǎn)生的氣體和水對圍巖二次破碎.

3 聚能水壓爆破施工

3.1 聚能水壓爆破設(shè)計(jì)

隧道掘進(jìn)炮眼參數(shù)主要包括周邊炮孔裝藥量、炮孔間距和周邊孔抵抗線等［9］.以Ⅳ級圍巖為例，佛兒巖隧道采用臺階法開挖，其聚能水壓爆破參數(shù)如表1 所示.

表1 聚能水壓爆破參數(shù)

3.2 聚能水壓爆破工藝流程

本文以佛兒巖隧道為工程背景，引進(jìn)聚能水壓爆破技術(shù)并進(jìn)行了研究，聚能水壓爆破工藝流程如圖1 所示.

圖1 聚能水壓爆破工藝流程圖

首先進(jìn)行施工準(zhǔn)備，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)新型裝藥結(jié)構(gòu)，其截面圖如圖2 所示.聚能水壓爆破技術(shù)主要將水袋、聚能管裝置和炸藥相結(jié)合，形成一個(gè)新型的裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是用聚能管代替了常規(guī)爆破炮孔中的炸藥和雷管，在常規(guī)炮孔的最底部裝填水袋，在常規(guī)炮孔上部放置水袋與炸藥復(fù)合填充，然后由施工人員在掌子面上量測開挖輪廓線，對掏槽眼、輔助眼、底板眼、周邊眼位置進(jìn)行布置，裝藥由下向上進(jìn)行，嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)藥量填裝并封孔，最后起爆網(wǎng)絡(luò)采用電雷管起爆，所有炮孔內(nèi)均有1 ms雷管，將毫秒雷管連成線，用起爆器進(jìn)行起爆.由于水具有不可壓縮性，通過水將爆炸產(chǎn)生的沖擊波對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力會更加均勻，因此聚能水壓爆破的效果與環(huán)境會比常規(guī)爆破更好.

圖2 聚能水壓爆破截面圖

3.3 聚能水壓爆破波形

關(guān)于爆破振動，陽生權(quán)等［10］基于小凈距的公路隧道工程爆破震動安全監(jiān)測，通過質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值與主振頻率分析，對爆破震動的形式進(jìn)行了探討.余濤濤［11］通過數(shù)值模擬研究了地震波的響應(yīng)規(guī)律.劉小鳴、陳士海［12］通過爆破波形函數(shù)預(yù)測了微時(shí)和炮孔數(shù)量對爆破振動的影響.

雖然，目前在常規(guī)爆破振動的研究方面已經(jīng)有了很多成果，但新型聚能水壓爆破技術(shù)的研究還需要加強(qiáng).基于此現(xiàn)狀，以實(shí)測聚能水壓爆破振動波形在沿掌子面法線方向，沿平行于掌子面水平方向，沿平行于掌子面豎直方向的X、Y、Z三個(gè)方向的數(shù)據(jù)為樣本，對聚能水壓爆破振動的波形進(jìn)行了研究.

聚能水壓爆破振動波形如圖4～圖6 所示，從圖中可以看出聚能水壓爆破波形基本分為三個(gè)階段：0～0.3 s為第一階段，在此階段中，振動波形峰值在Z軸，但絕對平均值以Y軸最高，為0.2875；0.3～0.9 s為第二階段，其峰值在Z軸方向，絕對平均值以Y軸最高，為0.4246；0.9～1.5 s 為第三階段，其峰值在Y軸方向，絕對平均值以Y軸最高，為0.2493.其波速代表了振動能量的大小，對比波形圖可以發(fā)現(xiàn)Y軸方向能量最高，其原因是聚能水壓爆破產(chǎn)生的水楔效應(yīng)，利用水的不可壓縮性，降低X軸方向上的沖擊力，能更好地控制隧道的爆破，減少超挖現(xiàn)象的出現(xiàn)；同時(shí)增大Y軸和Z軸方向的沖擊力，利用水楔效應(yīng)，對掌子面產(chǎn)生二次破碎，減少欠挖現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖4 聚能水壓爆破X軸波形圖

圖5 聚能水壓爆破Y軸波形圖

圖6 聚能水壓爆破Z軸波形圖

3.4 聚能水壓爆破工程實(shí)踐效果

佛兒巖隧道施工中，為了提高隧道爆破效果，減少隧道超欠挖，改變了常規(guī)爆破的方式，使用了新型聚能水壓爆破技術(shù).在佛兒巖隧道中選取了兩段相似圍巖條件及圍巖級別的掌子面，分別進(jìn)行了常規(guī)爆破和聚能水壓爆破.從現(xiàn)場觀測效果看，聚能水壓爆破的超欠挖情況明顯優(yōu)于常規(guī)爆破，其產(chǎn)生的灰塵污染也低于常規(guī)爆破.從經(jīng)濟(jì)效益上看，在炸藥用量一致的情況下，聚能水壓爆破開挖輪廓線平順整齊，超欠挖明顯改善，混凝土回填成本大為降低，使用聚能水壓爆破后，減少了二分之一的周邊炮眼，減少了鉆孔人員，降低了施工成本，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益.

4 結(jié)論

（1）從聚能水壓爆破技術(shù)的原理及其施工工藝、爆破波形進(jìn)行了討論，體現(xiàn)出了聚能水壓爆破技術(shù)的施工高效性與安全性，聚能水壓爆破技術(shù)更加符合目前隧道開挖的綠色施工.

（2）對實(shí)測聚能水壓爆破振動波形進(jìn)行了分析，通過X、Y、Z三個(gè)方向的振動波形圖，得出了聚能水壓爆破X軸振動沖擊力較低，Y軸、Z軸振動沖擊力提高.采用聚能水壓爆破技術(shù)能降低X軸方向上的沖擊力，更好地控制隧道的爆破，減少超挖現(xiàn)象的出現(xiàn)；同時(shí)增大Y軸和Z軸方向的沖擊力，利用水楔效應(yīng)，對掌子面產(chǎn)生二次破碎，減少欠挖現(xiàn)象的出現(xiàn)，大大降低了施工成本.

（3）隧道爆破掘進(jìn)采用聚能水壓爆破，由于聚能水壓爆破中含有水袋，爆破時(shí)產(chǎn)生水霧，而產(chǎn)生的水霧起到了很好的降塵效果，改善了爆破施工環(huán)境，并為以后隧道采用聚能水壓爆破提供了例證.