超長隧洞水壓爆破技術(shù)介紹

黃智剛 卓 雄 劉 振

(1.福州水務(wù)平潭引水開發(fā)有限公司，福建 福州 350001；2.福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350001)

1 概 述

在隧洞施工過程中，科學(xué)有效的施工技術(shù)能夠進一步提高隧道掘進效率。目前大多數(shù)的隧道在開挖時都會應(yīng)用爆破技術(shù)。爆破具有沖擊力大、效率高等特點，在隧道的開挖施工過程中起到至關(guān)重要的作用。常規(guī)爆破方法安全隱患較多，多種化學(xué)原料碰撞在一起會產(chǎn)生較大危險，隧道施工中，一旦爆破技術(shù)把握不當(dāng)，將會對隧道開挖產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。

隨著時代的進步，各種新型技術(shù)不斷出現(xiàn)，因地制宜選取科學(xué)有效的隧道施工技術(shù)是十分必要的。隧洞施工方法應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的變化而變化，進行動態(tài)施工，這樣的結(jié)構(gòu)在設(shè)計與施工安全方面均能得到保證。光面爆破對巖壁進行爆破后，可以形成一個比較完整的開挖面，有效控制炸藥的爆破，不會影響圍巖平衡或穩(wěn)定性，可以減少圍巖應(yīng)力集中，降低裂縫出現(xiàn)的概率，保持圍巖完整，使圍巖自身的承載能力變強，給施工創(chuàng)造便利，保障現(xiàn)場施工安全[2]。光面爆破相關(guān)參數(shù)選擇主要與地質(zhì)條件、隧道斷面形狀與尺寸、炸藥特性與品種、裝藥結(jié)構(gòu)與起爆方法有關(guān)。由于巖性不同，施工時炮孔布置根據(jù)實際情況進行適當(dāng)調(diào)整。

水壓爆破技術(shù)相比常規(guī)光面爆破技術(shù)，不僅可以節(jié)省炸藥、提高施工效率，還可以有效降低粉塵濃度，通過對作業(yè)環(huán)境的改善達到保護施工人員身體健康的目的，并通過控制爆破振動，降低爆破振動對周圍結(jié)構(gòu)物的振動影響[3]。根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗，結(jié)合本工程水文地質(zhì)特點、設(shè)計文件和業(yè)主有關(guān)合同文件的要求，隧洞巖洞開挖均采用全斷面光面爆破及控制爆破，應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新型水壓爆破技術(shù)進行洞身爆破，以提高工效。

2 工程概況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程主要由三部分組成，分別為莒口攔河閘、閩江竹岐—大樟溪引水工程，大樟溪—福清、平潭輸水工程和大樟溪—福州、長樂輸水工程。其中閩江竹岐—大樟溪引水工程是本工程的重要組成部分，其建筑物屬于2級建筑物。

2.1 工程特點

本工程中閩江竹岐—大樟溪標(biāo)段的引水線路總長38201.176m，其中輸水隧洞三段，長37164.963m，輸水管道三段，長1036.213m，出水口一處，設(shè)計流量為26.3m3/s。隧洞開挖洞徑為5.5m，采用平底圓形斷面，底寬4.0m。

閩江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，全年氣候溫和，雨量充沛。大樟溪流域地處中亞熱帶，東距太平洋西海岸約80km，受海洋季風(fēng)和山地地形影響，氣候濕潤、溫和，屬中亞熱帶山地氣候。

閩江竹岐—大樟溪引水工程輸水隧洞區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山—低山地貌，地表多為第四系坡殘積層覆蓋，山坡局部陡崖石壁及北東向沖溝底及兩側(cè)常見弱風(fēng)化基巖裸露。輸水隧洞沿線分布的地層巖石均屬工程堅硬巖類，致密堅硬，成洞和隧洞圍巖穩(wěn)定。

2.2 工程重難點

本標(biāo)段部分隧洞單頭掘進長度超過2.6km，施工組織復(fù)雜，工程量大，且隧洞斷面小、工期緊，大型機械設(shè)備的使用受到很大限制。在小斷面隧洞施工過程中，隧洞的爆破孔布置、鉆孔、爆破、渣土外運、施工用水用電以及通風(fēng)的布置都非常困難[4]。選擇好施工設(shè)備，做好隧洞掘進過程中的通風(fēng)排煙、排水，合理安排隧洞的掘進支護和二次襯砌施工，保證計劃工期的實現(xiàn)，是本工程的重難點。

本標(biāo)段隧洞施工，多處臨近村莊、向莆鐵路與316國道、福銀高速、竹岐隧道、溪源泄洪洞、溪源引水洞、福詔高速及203省道，需采用控制爆破，安全防護是重難點。施工布置應(yīng)盡量減少對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。

綜上所述，由于本項目中隧洞掘進線路較長、施工組織復(fù)雜，隧洞斷面小，工期緊工程量大，施工過程需應(yīng)用大量炸藥，在提高工效的同時，需兼顧施工人員健康和對周圍環(huán)境的影響。根據(jù)本項目特點，為解決以上難題，同時貫徹水土保持、綠色施工的理念，隧洞施工過程中，對隧洞洞身運用較為成熟的水壓爆破新技術(shù)，以提高工效，縮短工期，降低工程成本。

3 水壓爆破技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

a.隧洞掘進爆破過程中，由于爆炸引起的爆炸性氣體膨脹和應(yīng)力波的作用，可達到使圍巖破碎的目的。爆破孔中的炸藥，在爆炸中傳播的是爆轟波，爆轟波沿炮眼方向傳到炮眼的空間稱為擊波，擊波傳到炮眼圍巖中稱為應(yīng)力波。水壓爆破技術(shù)通過在炮孔中填塞水袋，在進行隧洞爆破的過程中可以極大程度上降低擊波的能量損失，同時還可以防止爆炸性氣體從炮眼噴出。

b.傳統(tǒng)的隧洞掘進爆破使用炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)(見圖1)，炮眼中充滿了空氣，無回填堵塞結(jié)構(gòu)，炸藥一旦爆炸，壓縮空氣會大量損失沖擊波的能量，從而削弱在圍巖中傳播的應(yīng)力波的能量，降低應(yīng)力波的強度，削弱對圍巖的破碎作用。同時由于無回填堵塞，爆炸性氣體膨脹從炮眼口沖出，既損失了大部分膨脹氣體的能量，也削弱了膨脹氣體對圍巖的破碎作用。傳統(tǒng)的炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)對炸藥爆炸產(chǎn)生的能量利用率較低。

圖1 傳統(tǒng)炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)示意圖

c.水壓爆破技術(shù)將傳統(tǒng)炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)改為用水袋與炮泥回填堵塞的結(jié)構(gòu)(見圖2)，由于在水中傳播的擊波對水不可壓縮，爆炸能量可以通過水傳遞到炮眼圍巖中而不會損失。同時采用專門制成的炮泥對炮眼進行回填堵塞，抑制爆炸性膨脹氣體沖出炮眼，提高了炸藥爆炸產(chǎn)生能量的利用率，有利于對圍巖進行破碎。

圖2 水壓爆破技術(shù)水袋炮泥回填堵塞結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)隧洞掘進爆破的炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)相比，水壓爆破技術(shù)通過應(yīng)用水袋和炮泥進行回填堵塞可以使炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆炸性膨脹氣體能量損失最大程度地降低，顯著提高炸藥爆炸產(chǎn)生能量的利用率，更有利于對圍巖進行破碎，節(jié)能環(huán)保，提高工效。

3.2 工藝流程

與傳統(tǒng)隧洞掘進爆破的炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)相比，水壓爆破技術(shù)應(yīng)用水袋與炮泥回填堵塞的結(jié)構(gòu)主要增加了以下兩道工藝流程：

a.水袋制作工藝。水袋制作的關(guān)鍵是先在塑料袋中灌入水，密封制成水袋，然后把水袋填入炮眼底部和中部，水袋可由炮孔水袋自動封裝機完成，水袋封裝機工效為700袋/h。隧洞爆破一般采用水平眼，塑料袋為常用的聚乙烯塑料，為便于裝填，水袋相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 水袋相關(guān)參數(shù) 單位：mm

b.炮泥制作工藝。炮泥制作由PNJ-1型炮泥機完成，制作炮泥材料為普通的黏土，為了保證制作質(zhì)量，炮泥相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2，根據(jù)設(shè)置參數(shù)將材料拌和均勻，待混合均勻以后，裝入炮泥機的進料倉進行生產(chǎn)，兩名工人每小時可完成200～400個炮泥的制作，可滿足一個爆破循環(huán)的使用量。炮泥以表面光滑、用手略微一捏可以變形為宜。

表2 炮泥相關(guān)參數(shù)

水壓爆破技術(shù)水袋與炮泥回填堵塞施工工藝流程見圖3。

圖3 水壓爆破技術(shù)水袋炮泥回填堵塞施工工藝流程

3.3 操作要點

3.3.1 水壓爆破技術(shù)炮眼裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔填塞水袋隧洞爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu)見圖4，其中L1為眼底水袋長度，L2為炸藥長度，L3為炮眼中間水袋長度，L4為回填炮泥長度，跑眼總長度為以上四項總和。

圖4 水壓爆破技術(shù)裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

眼底水袋長度L1一般為一節(jié)水袋的長度，L2為水壓爆破技術(shù)所需的炮眼裝藥量的藥卷長度。L3一般略長于L1，且和L4符合適當(dāng)?shù)谋壤绻鸏3相對于L4過小，則水的作用不大，如果L3相對于L4過大，則不利于抑制爆炸性氣體膨脹。

3.3.2 材料裝填操作順序

在材料裝填過程中應(yīng)嚴(yán)格按照圖4結(jié)構(gòu)進行操作，依次裝填L1水袋、L2炸藥、L3水袋和L4炮泥，其中，L1水袋位于炮眼底，L4炮泥位于炮眼口。在裝填過程中需要注意，各材料間連接應(yīng)保持緊密，裝填水袋時，需使用炮棍輕輕將其推到炮眼一定位置，裝填炮泥時，除與水袋接觸的炮泥之外，其余部分的炮泥要用炮棍搗固堅實。

3.3.3 水袋制作操作要點

充水的塑料袋由塑料制造商專門加工，通常是22cm長的聚乙烯塑料袋。水袋封口是制作過程中的關(guān)鍵步驟，水的體積為水袋體積的90%較為適宜，裝水時不應(yīng)過滿，水袋口應(yīng)扎緊。在放置和運輸過程中，水袋可能會出現(xiàn)稍微變軟的現(xiàn)象，這不會影響裝填和使用中的爆破效果。

3.3.4 炮泥制作操作要點

炮泥的主要成分是黏土和細砂，在將其與水混合攪拌之前，必須將混在其中的石頭揀出，如果小石過多建議使用過篩方式進行清除。炮泥制作應(yīng)符合適當(dāng)?shù)谋壤奥蕬?yīng)盡量控制在10%左右，含水率應(yīng)盡量控制在15%左右，這樣效果最好。如果含砂率過大，將不利于炮泥成形，如果含砂率過小，將導(dǎo)致炮泥所占比重降低。如果含水率過大，炮泥將會較軟，如果含水率過低，將無法起到黏合及降塵作用。

4 結(jié) 論

a.水壓爆破技術(shù)應(yīng)用水袋炮泥回填堵塞結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)炮眼無回填堵塞結(jié)構(gòu)，更為節(jié)能環(huán)保，符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，具有廣闊的應(yīng)用前景。

b.水壓爆破技術(shù)在施工過程中可節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本，在水壓爆破技術(shù)中每個循環(huán)鉆孔數(shù)量及鉆孔深度雖然與傳統(tǒng)爆破一樣，但由于相比之下多裝了炮泥及水袋，可節(jié)省一定體積的炸藥，降低了生產(chǎn)成本。

c.水壓爆破技術(shù)可以有效減低作業(yè)空間粉塵濃度，水壓爆破技術(shù)平均每個循環(huán)多進尺22cm，同時在水袋裝填結(jié)構(gòu)的共同作用下，在爆破過程中可以有效降低粉塵和毒氣的揮發(fā)，大大減少粉塵與毒氣對施工人員的傷害，保障施工人員的安全健康，并減少對周圍環(huán)境的影響。

d.水壓爆破產(chǎn)生的聲響和振動比傳統(tǒng)爆破要小很多，可有效降低噪聲污染，顯著降低對施工人員的噪聲傷害，同時也降低了對周圍居民正常生活的影響。